AT500545A1 - INVERTER WITH TWO ASYMMETRIC HALF BRIDGE SWITCHES - Google Patents
INVERTER WITH TWO ASYMMETRIC HALF BRIDGE SWITCHES Download PDFInfo
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Description
5 1 ► ♦ · < I · ··· ·♦ 10 15 205 1 ► ♦ · < I ···· · ♦ 10 15 20
Die Erfindung betrifft einen Inverter mit zwei asymmetrischen Halbbrückenschaltungen, die abwechselnd zwei getrennte Primärwicklungen eines Haupt-25 transformators treiben, bei dem an der Sekundärwicklung des Haupttransformators ein Strom-Verdoppler-Gleichrichter angeschaltet ist.The invention relates to an inverter with two asymmetric half-bridge circuits, which alternately drive two separate primary windings of a main transformer in which a current doubler rectifier is connected to the secondary winding of the main transformer.
Der Trend im Inverterbau geht immer mehr in Richtung kleinerer Abmessungen und leichterer Gewichte. Gleichzeitig werden die Anforderungen in vielen Aspekten 30 erhöht. So muss der Oberwellengehalt des Netzstromes immer mehr strengen gesetzlichen Normen genügen. Dies erfordert einen beträchtlichen Aufwand, erhöht das Gewicht und das Volumen des Gesamtgerätes. Umso mehr muss die Effizienz der Leistungselektronik verbessert werden. Ein beispielhafter Stand der Technik ist hierfür gegeben in der Schrift: "Design and Experimental Analysis of a 10kW 5 2 • · · · « · • · ····*♦ • · »·· ···· • · Μ · 800V/48V Dual Interleaved Two-Transistor DC/DC Forward Converter System 10 Supplied by a VIENNA Rectifier I" von Johann Miniböck, Johann W. Kolar und Hans Ertl. Diese Schrift wurde im Rahmen eines öffentlichen Seminarvortrages auf der PCIM-Konferenz in Nürnberg 2002 verteilt.The trend in inverter construction is increasingly towards smaller dimensions and lighter weights. At the same time, the requirements are increased in many aspects. Thus, the harmonic content of the mains current must meet more and more stringent legal standards. This requires a considerable effort, increases the weight and the volume of the entire device. The more the efficiency of the power electronics has to be improved. An exemplary prior art is given in Scripture: "Design and Experimental Analysis of a 10kW 5 2 • · · ·« · · · ···· * ♦ · · · ·· ···· • · · · 800V / 48V Dual Interleaved Two-Transistor DC / DC Forward Converter System 10 Supplied by a VIENNA Rectifier I " by Johann Miniböck, Johann W. Kolar and Hans Ertl. This paper was distributed as part of a public seminar presentation at the PCIM conference in Nuremberg in 2002.
Auf Seite 10 ist eine Grundschaltung nach dem Oberbegriff dieser Erfindung 15 abgebildet. Im Text wird bereits erwähnt, dass die beiden Invertersysteme - die hier in Reihe geschaltet sind - sich wohl gegenseitig beeinflussen, weil sie nur auf einem einzigen Transformator arbeiten. Jede Spannung, die in eine Primärwicklung eingespeist wird, überträgt sich genauso auf das andere Halbbrückensystem und versucht dort Störungen. Die realisierte Schaltung in dieser Schrift von Seite 2o 1 kennt diese Probleme nicht, da sie über getrennte Transformatoren verfügt. Diese Schaltung arbeitet auch mit einer moderaten Schaltfrequenz von 25 kHz und ist als 48V Stromversorgung für Telekommunikationseinrichtungen geplant. Um jedoch das Gewicht, die Größe und die Kosten eines zweiten Transformators einsparen zu können, schlagen die Autoren eine Schaltung nach Seite 10 vor. 25On page 10, a basic circuit according to the preamble of this invention 15 is shown. It is already mentioned in the text that the two inverter systems - which are connected in series here - probably influence each other because they only work on a single transformer. Any voltage that is fed into a primary winding will transfer to the other half-bridge system as well and will try to interfere with it. The realized circuit in this document from page 2o 1 does not know these problems, since it has separate transformers. This circuit also operates at a moderate switching frequency of 25 kHz and is planned as a 48V power supply for telecommunications equipment. However, in order to save the weight, size and cost of a second transformer, the authors suggest a circuit on page 10. 25
Wenn nun ein Inverter benötigt wird, der mit erheblich höherer Schaltfrequenz arbeiten soll, so ergeben sich neue Probleme. Hohe Schaltfrequenzen werden z.B. in der Impulsschweißtechnik benötigt, da der Inverter kontrolliert extrem schnelle Strommuster produzieren muss, z.B. über 1000A/ms. Gleichzeitig wird eine extrem 30 schnelle Regelung benötigt, weil beim Schweißen völlig unvorhersehbar und in chaotischer Folge Lichtbogenkurzschlüsse auftreten, so dass die Ausgangsleistung innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde um Bereiche von 95 % der Volllast schwanken kann. Für solch hohe dynamische Anforderungen benötigt man hohe 5 3 5 3 » · ·· ♦ ·· ·♦* ···· • · ·· ·Now, if an inverter is needed, which should work with significantly higher switching frequency, so there are new problems. High switching frequencies are e.g. in the impulse welding technique, since the inverter must produce controlled extremely fast current patterns in a controlled manner, e.g. over 1000A / ms. At the same time, extremely rapid control is required because arc short circuits occur unpredictably and in chaotic sequence during welding, so that the output power can fluctuate within fractions of a millisecond around ranges of 95% full load. For such high dynamic requirements it is necessary to achieve high 5 3 5 3 »· · · · · ··· ♦ * ···· • · ·· ·
Schaltfrequenzen und dafür werden vorteilhafterweise Transistoren vom Typ 10 MOSFET eingesetzt.Switching frequencies and for this purpose are advantageously used type 10 MOSFET transistors.
Es wurde nun versucht, MOSFETs in einer Schaltung für ein Schweißgerät zu verwenden. Dabei traten enorme Probleme auf, die damit Zusammenhängen, dass MOSFET-Transistoren eine parasitäre Diode invers zum Transistor besitzen. Wenn 15 eine der Halbbrückenschaltungen in den sogenannten Freilaufbetrieb geht, das ist der Zustand, in dem die Primärwicklung des Haupttransformators ihre Magnetisierung über die Freilaufdioden abbaut, dann beginnen im zweiten Inverter die inversen Freilaufdioden zu leiten, wobei dann kurz danach eine hohe du/dt-Belastung des MOSFETs erfolgt. Dies ist eine typische Situation, in der ein MOSFET in den 2o Zerstörungszustand "second break down" gehen kann und dies muss unter allen Umständen verhindert werden. Die auf Seite 10 beschriebene Schaltung ist so also mit MOSFETs nicht sicher zu betreiben.An attempt has now been made to use MOSFETs in a circuit for a welder. There were enormous problems associated with the fact that MOSFET transistors have a parasitic diode inversely to the transistor. If one of the half-bridge circuits goes into so-called freewheeling operation, that is the state in which the primary winding of the main transformer breaks down its magnetization via the freewheeling diodes, then the inverse freewheeling diodes start to conduct in the second inverter, with a high dv / dt shortly thereafter. Loading of the MOSFET takes place. This is a typical situation in which a MOSFET is in the "second break down" state. can go and this must be prevented under all circumstances. The circuit described on page 10 is therefore not safe to operate with MOSFETs.
In bestimmten Grenzbereichen kurz vor der Vollaussteuerung des Inverters ergaben 25 sich weiter erhebliche Probleme mit Sättigungserscheinungen im Haupttransfor-mator.In certain limits just before the full scale of the inverter, there were still significant problems with saturation phenomena in the main transformer.
Eine herkömmliche Regelung mit Pulsweiten-modulierten Ansteuersignalen führte zu einem Schwingen des Magnetisierungsstromes in Grenzsituationen. Gleichzeitig 3o war das PWM-System beim Auftreten von Kurzschlüssen in seiner Geschwindigkeit viel zu langsam.Conventional control with pulse width modulated drive signals caused the magnetizing current to oscillate in borderline situations. At the same time, the PWM system was too slow in speed when short circuits occurred.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Inverterschaltung in vielen Aspekten weiter zu entwickeln, damit sie sich mit MOSFET-Transistoren betrie- 5 * ··· « • ·· « · · * »·· ··· ·· »«· ···« • · 4 ben werden kann, wobei die Magnetisierungsströme im Hauptübertrager sauber io kontrollierbar sind, eine extrem schnelle Regelung ohne Trafosättigung erreichbar ist und dass alle an ein Schweißgerät gestellten Anforderungen erfüllbar sind.The object of the invention is to further develop an inverter circuit in many aspects so that they operate with MOSFET transistors. It is possible to control the magnetizing currents in the main transformer cleanly, to achieve extremely fast regulation without transformer saturation, and to be able to fulfill all the requirements placed on a welding apparatus.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass mit jeder Primärwicklung des Haupttransformators eine sättigbare Induktivität in Reihe geschaltet 15 ist.This object is achieved according to the invention in that with each primary winding of the main transformer, a saturable inductance is connected in series 15.
Der Inverter kann in parallele Teilsysteme aufgeteilt werden, wobei die Symmetrie der Stromaufteilung immer gewährleistet ist, ein Symmetriersystem für den kapazitiven Mittelpunkt bei Serienschaltung der Halbbrückenschaltungen gefunden wer-2o den kann, die Vorschriften der Oberwellen im Netzstrom einhaltbar sind, das Invertersystem bis in die höheren Leistungsbereiche hinein realisierbar ist und ein Baukastensystem realisiert ist, um flexibel den Anforderungen des Marktes zu genügen. 25 Für ein Schweißgerät ist das Gewicht eine herausragende Größe. Mit dieser Auslegung der Schaltung können die Glättungsdrosseln klein gehalten werden und für sehr hohe Leistungen lassen sich derartig aufgebaute Teilsysteme in Parallelschaltung betreiben. 30 Weiterbildungen der Grundschaltung sind den zahlreichen Unteransprüchen zu entnehmen, die sich insbesondere mit der Aufteilung des Inverters in mehrere kleine Teilinverter und dem phasenversetzten Betrieb derselben befassen. Auch die Regelstruktur des Teil- und Gesamtsystems wurde verbessert und die Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz reduziert. 35 ·· * 1» • · ·<· « • · · ψ · · • · ♦ *· • ·The inverter can be divided into parallel subsystems, the symmetry of the current distribution is always guaranteed, found a balancing system for the capacitive midpoint in series connection of the half-bridge circuits who-2o can, the rules of harmonics in the mains current can be maintained, the inverter system to the higher Performance areas is feasible and a modular system is realized to meet the requirements of the market flexibly. 25 For a welding machine, the weight is an outstanding size. With this design of the circuit, the smoothing reactors can be kept small and for very high powers, subsystems constructed in this way can be operated in parallel. Further developments of the basic circuit can be found in the numerous subclaims, which deal in particular with the division of the inverter into a plurality of small partial inverters and the phase-shifted operation of the same. The control structure of the partial and overall system has also been improved and the repercussions on the supply network reduced. 35 ························································.
Mft ···· • I Μ · 5Mft ···· • I Μ · 5
Beim Betrieb eines derartigen Invertersystems mit sehr kleinen Strömen kann der sogenannte Aussetzbetrieb beginnen, wobei beide Teilsysteme nicht mehr streng abwechselnd takten. Bei einer Serienschaltung der Halbbrückenschaltungen tritt eine Verschiebung des Mittelpunktes der Spannungsversorgung auf, die zu einer Zerstörung der Teilsysteme führen kann. Dagegen gibt eine Weiterbildung eine Lösung an.When operating such an inverter system with very small currents, the so-called intermittent operation can begin, with both subsystems no longer clocking strictly alternately. In a series connection of the half-bridge circuits occurs a shift of the center of the power supply, which can lead to destruction of the subsystems. On the other hand, a further education indicates a solution.
Besonders rückkopplungsarme Verhältnisse und wesentlich ruhigere Kurvenverläufe entstehen, wenn in Reihe mit den Ausgangsdioden des Strom-Verdoppler-Gleichrichters je eine zweite sättigbare Induktivität geschaltet ist.Particularly low-feedback conditions and much quieter curves are formed when connected in series with the output diodes of the current doubler rectifier ever a second saturable inductance.
Eine besonders einfache Realisierung entsteht, wenn die ersten und zweiten sättigbaren Induktivitäten durch Ringkerne gebildet werden, durch die der jeweilige Stromleiter führt.A particularly simple realization arises when the first and second saturable inductors are formed by toroidal cores through which the respective current conductor leads.
Besonders wirksam und thermisch vorteilhaft ist, wenn der Ringkern der sättigbaren Induktivität aus amorphem oder nanokristallinem Bandmaterial gefertigt ist.Particularly effective and thermally advantageous is when the ring core of the saturable inductance is made of amorphous or nanocrystalline strip material.
Besonders kleine und kostengünstige Ringkerne können verwendet werden, wenn die Ringkerne der sättigbaren Induktivitäten wärmeleitend in Bohrungen von Kühlprofilen oder Wärmeübertragungsprofilen eingebaut sind, um die Wärmeabfuhr erheblich zu verbessern.Particularly small and cost-effective toroidal cores can be used if the toroidal cores of the saturable inductors are installed heat-conducting in bores of cooling profiles or heat transfer profiles in order to improve the heat dissipation considerably.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Invertersystems sieht vor, dass je ein Anschluss der beiden Primärwicklungen gemeinsam so durch einen Strom- 5 6 • · · ··· ··· · · « ι • · · ·· ········ ··· ··· ·· ·· ······ ·· Μ · wandler geführt ist, dass dieser einen Summenstrom mit wechselnder Polarität 10 erkennt und gewandelt ausgibt.A particularly advantageous embodiment of the inverter system provides that in each case a connection of the two primary windings together so by a current 5 6 • · ················································································· ··· ·························································································································································································
Eine deutliche Erhöhung der Regelungsstabilität in Grenzfällen ergibt sich, wenn dieser Stromwandler ein Kompensationsstromwandler mit Magnetfeldsensor ist, der auch entstehende Gleichstromanteile messen kann. 15A significant increase in the control stability in borderline cases arises when this current transformer is a compensating current transformer with a magnetic field sensor, which can also measure resulting DC components. 15
Eine weitere Ausgestaltung mit sehr vielen Vorteilen entsteht, wenn das Invertersystem über eine Kaskadenregelung verfügt, wobei ein Hauptregler mit Hilfe des Ausgangsstrom-Istwertes des Ausgangsstromes oder der Ausgangsspannung vom Ausgang des Leistungsteils und mit Hilfe des Sollwertes des Ausgangsstromes 20 oder der Ausgangsspannung je nach Bedarf einen Stromregler oder einen Spannungsregler realisiert und wobei das Ausgangssignal dieses Hauptreglers als Führungssignal einem Regler zugeführt wird, der als ein Current-mode-Regler für den Primärstrom des Haupttransformators realisiert ist. 25 Ein System mit beiden Regelsystemen entsteht, wenn der Hauptregler sowohl einen Stromregler als auch einen Spannungsregler enthält, die in einer Ablöseschaltung so miteinander verknüpft sind, dass jeweils derjenige Regler die Führung erhält, der das kleinere Führungssignal erzeugt. 3o Bei der Ausgestaltung des Reglers gibt es auch den vorteilhaften Weg, dass der Hauptregler als digitaler Regler mit den gängigen Mitteln der Prozessortechnik ausgebildet ist und dass das analoge Führungssignal über ein D/A-Wandler-Ver-fahren erzeugt wird, um es als Strom-Sollwert-Signal dem Current-mode-Regler zuzuführen. 35 5 7 ; :: .A further embodiment with many advantages arises when the inverter system has a cascade control, with a main controller using the output current value of the output current or the output voltage from the output of the power unit and with the aid of the setpoint of the output current 20 or the output voltage as needed Realized current regulator or a voltage regulator and wherein the output signal of this main regulator is supplied as a guide signal to a controller, which is realized as a current-mode controller for the primary current of the main transformer. 25 A system with both control systems is created when the main controller contains both a current regulator and a voltage regulator, which are linked together in a detachment circuit in such a way that in each case the controller receiving the smaller command signal receives the command. 3o In the design of the controller, there is also the advantageous way that the main controller is designed as a digital controller with the usual means of processor technology and that the analog command signal is generated via a D / A converter Ver-drive to power it Setpoint signal to the current mode controller. 35 5 7; ::.
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Um das bipolare Signal des Stromwandlers weiter zu verwenden, wird in vorteil-10 hafter Weise zur Bildung des Primärstrom-Istwert-Betrages für den Current-mode-Regler der Primärstrom-Istwert vom Kompensationsstromwandler mit einem Betragsbildner gleichgerichtet.In order to continue to use the bipolar signal of the current transformer, the primary current actual value of the compensation current transformer is rectified in an advantageous manner to form the primary current actual value amount for the current-mode regulator with an absolute value generator.
Eine sehr einfache und kostengünstige Struktur des Common-mode-Reglers ent-15 steht, indem ein Oszillator mit einem nachgeschalteten Pulsgenerator Ansteuerimpulse erzeugt, mit Hilfe derer jeweils einer der Flip-Flop-Speicher zugeordnet dem Halbbrückeninverter zugeordnet dem Halbbrückeninverter im Wechsel gesetzt und rückgesetzt werden und dass das jeweilige Setzen bzw. Rücksetzen dieser Flip-Flop-Speicher mit Hilfe von nachgeschalteten Ansteuerschaltkreisen zum 20 Einschalten bzw. Ausschalten der Transistoren der zugeordneten Halbbrückenschaltung führt.A very simple and inexpensive structure of the common-mode regulator ent-15 is by an oscillator with a downstream pulse generator generates drive pulses, by means of which one of the flip-flop memory associated with the half-bridge inverter associated with the half-bridge inverter alternately set and reset and that the respective setting or resetting of these flip-flop memories with the aid of downstream drive circuits leads to turning on or turning off the transistors of the associated half-bridge circuit.
In Weiterführung ist es vorteilhaft, wenn der Current-mode-Regler am Eingang über einen Komparator verfügt, welcher den Primärstrom-Istwert-Betrag mit der Ampli-25 tude des Führungssignals vergleicht, und dass bei größerem Istwert die Flip-Flop-Speicher zurückgesetzt werden, so dass letztlich die beiden Transistoren der jeweils aktiven Halbbrückenschaltung wieder ausgeschaltet werden.In continuation, it is advantageous if the current-mode regulator has a comparator at the input, which compares the primary current-actual value amount with the amplitude of the reference signal, and that the flip-flop memory is reset when the actual value is greater , so that ultimately the two transistors of the respective active half-bridge circuit are turned off again.
Je nach Höhe der Netzstromversorgung ist es gut, wenn die beiden asymmetri-30 sehen Halbbrückenschaltungen aus der gleichen Versorgungsspannung speisbar sind.Depending on the level of the mains power supply, it is good if the two asymmetrical half-bridge circuits can be fed from the same supply voltage.
Bei höheren Netzspannungen bringt es jedoch Vorteile, wenn die beiden asymmetrischen Halbbrückenschaltungen mit ihren Versorgungsspannungen in Reihe 35 geschaltet sind. 5 8 ♦ # · ·♦· ··· · ··· ♦ · · ·· ········ • · · ··· · # ·· ······ · · ·· ·At higher mains voltages, however, it is advantageous if the two asymmetrical half-bridge circuits are connected with their supply voltages in series 35. 5 8 ♦ # · · ♦ · ··· · ··· ♦ · · ··················································································
Ein besonders stabiles Verhalten des Gesamtsystems besonders bei kleinster 10 Leistungsentnahme entsteht, wenn bei einer Reihenschaltung der Halbbrückenschaltungen eine Überwachungsschaltung die Symmetrie des kapazitiven Mittelanschlusses in Bezug auf die positive Versorgungsspannung und die negative Versorgungsspannung misst und dass das Ausgangssignal dieser Überwachungsschaltung das asymmetrische Verhalten anzeigt und zwar mit der Information der i5 Richtung der Asymmetrie.A particularly stable behavior of the overall system, especially with a minimum of 10 power draws arises when a series circuit of the half-bridge circuits, a monitoring circuit measures the symmetry of the capacitive center terminal with respect to the positive supply voltage and the negative supply voltage and that the output signal of this monitoring circuit indicates the asymmetric behavior with the information of the i5 direction of asymmetry.
Weiterhin hilft es dabei, wenn das Ausgangssignal der Überwachungsschaltung dazu verwendet wird, die Ansteuerimpulse derjenigen Halbbrückenschaltung zu blockieren oder zu verkürzen, die über die kleinere Versorgungsspannung verfügt, 20 bis die Symmetrie der Versorgungsspannungen wieder hergestellt ist.Furthermore, it helps in this case if the output signal of the monitoring circuit is used to block or shorten the drive pulses of that half-bridge circuit which has the smaller supply voltage, 20 until the symmetry of the supply voltages is restored.
Zum Aufbau größerer Invertersysteme gibt es den vorteilhaften Weg, dass zwei Halbbrückenschaltungen und ein Haupttransformator (versehen evtl, mit den ersten sättigbaren Induktivitäten) und ein Stromwandler und ein Strom-Ver-25 doppler-Gleichrichter (versehen evtl, mit den zweiten sättigbaren Zusatz-Induktivitäten) zu einem Leistungsteil zusammengefasst werden.For the construction of larger inverter systems, there is the advantageous way that two half-bridge circuits and a main transformer (provided possibly, with the first saturable inductors) and a current transformer and a current Verpler doppler rectifier (provided possibly, with the second additional saturable inductors ) are combined into one service section.
Eine noch weitergehende Modularisierung entsteht, wenn ein Leistungsteil zusammen mit einem Ansteuerübertrager und mit Ansteuerschaltkreisen und mit 3o einem Current-mode-Regler zu einem Teilsystem zusammengefasst werden.An even more extensive modularization arises when a power unit together with a drive transformer and with drive circuits and with a current-mode controller are combined to form a subsystem.
Invertersysteme mit sehr hohen Ausgangsleistungen lassen sich nun dadurch realisieren, dass mehrere Teilsysteme parallelgeschaltet werden und dass die Führungsgröße am Eingang der Current-mode-Regler für alle Teilsysteme identisch ist, 35 und von einem gemeinsamen Hauptregler für das gesamte System erzeugt wird, 5 9Inverter systems with very high output powers can now be realized by connecting several subsystems in parallel and that the reference variable at the input of the current mode controller is identical for all subsystems, 35 and is generated by a common main controller for the entire system
• · · MM • I ·· I wobei dann der Ausgangsstrom-Istwert den Strom des gesamten Systems dar-10 stellt.• · · MM · I ·· I where the output current actual value represents the current of the entire system.
Eine dramatische Reduzierung des Rippels auf dem Ausgangsstrom wird erreicht, indem bei einer Parallelschaltung mehrerer Teilsysteme der Oszillator mit nachgeschaltetem Pulsgenerator für alle gemeinsam ist und dass das Setzen der Flip-15 Flop-Speicher für die verschiedenen Halbbrückenschaltungen auf möglichst viele phasenversetzte Zeitpunkte aufgeteilt ist, damit die resultierende Welligkeit des Ausgangsstromes minimal wird.A dramatic reduction of the ripple on the output current is achieved by sharing the oscillator with a downstream pulse generator for all in a parallel connection of several subsystems and that the setting of the flip-15 flop memory for the various half-bridge circuits is divided into as many phase-offset times, so the resulting ripple of the output current is minimal.
Eine besonders vorteilhafte Kombination zur Einhaltung der gesetzlichen Ober-20 Wellenvorschriften am Versorgungsnetz entsteht, indem dem Leistungsteil an den Klemmen der positiven Versorgungsspannung und der negativen Versorgungsspannung eine an sich bekannte Hochsetzsteller-Schaltung und ein Netzgleichrichter vorgeschaltet wird, um die Stromaufnahme aus dem Versorgungsnetz steuern zu können. 25A particularly advantageous combination for compliance with the statutory upper-20 wave regulations on the supply network is created by the power part at the terminals of the positive supply voltage and the negative supply voltage is connected upstream of a known boost converter circuit and a power rectifier to control the power consumption from the supply network can. 25
Aus den gleichen Gründen ist es äußerst vorteilhaft, dass die vorgeschaltete Hochsetzsteller-Schaltung selbst aus einer Parallelschaltung mehrerer Hochsetzsteller-Schaltungen kleinerer Leistung realisiert ist. 3o Um dabei eine gleiche Stromaufteilung zu erreichen, ist vorgesehen, dass das Sollwertsignal für den Eingangsstrom der einzelnen Hochsetzsteller-Schaltungen für alle identisch ist. 5 10 • · · Μ· ··· · · · · • · · ·· ·····«·· ··· ··· * « ·· ·· · ··· ·· Μ ·For the same reasons, it is extremely advantageous that the upstream boost converter circuit itself is realized by a parallel connection of several boost converter circuits smaller power. 3o In order to achieve the same power distribution, it is provided that the setpoint signal for the input current of the individual boost converter circuits is identical for all. 5 10 • · · · · ····················································································
Eine besonders wirtschaftliche und aus dem Gesichtspunkt der EMV vorteilhafte 10 Lösung entsteht, wenn die einzelnen Hochsetzsteller-Schaltungen in einem phasenversetzten Takt arbeiten, so dass damit die Welligkeit des Eingangsstromes reduziert wird.A particularly economical solution that is advantageous from the point of view of EMC arises when the individual step-up converter circuits operate in a phase-shifted clock, so that the ripple of the input current is thereby reduced.
Eine Bauteilreduzierung und stabilere EMV-Verhältnisse entstehen, wenn das Takt-15 erzeugungssystem für die Teilsysteme und die Takterzeugung für die Hochsetzsteller-Schaltungen miteinander synchronisiert sind und sich aus einem einzigen gemeinsamen Oszillator und einem gemeinsamen Pulsgenerator ableitbar sind.A component reduction and more stable EMC conditions arise when the clock generation system for the subsystems and the clock generation for the boost converter circuits are synchronized with each other and can be derived from a single common oscillator and a common pulse generator.
Eine Kostenreduzierung lässt sich bei diesem Invertersystem auch dadurch errei-2o chen, dass die vier Transistoren der beiden Halbbrückenschaltungen mit einem einzigen Ansteuerübertrager angesteuert werden, der über eine Primärwicklung und vier separate Sekundärwicklungen verfügt.A cost reduction can also be achieved in this inverter system by virtue of the fact that the four transistors of the two half-bridge circuits are driven by a single drive transformer which has a primary winding and four separate secondary windings.
Sehr hohe Schaltfrequenzen lassen sich dadurch erreichen, dass die Transistoren 25 der Halbbrückenschaltungen vom Typ MOSFET sind.Very high switching frequencies can be achieved in that the transistors 25 of the half-bridge circuits are of the MOSFET type.
Weitere Montagevorteile und einfachere Ersatzteilehaltung entsteht, wenn ein Leistungsteil mit einer vorgeschalteten Hochsetzsteller-Schaltung mechanisch als Modulbaugruppe zusammengefasst sind, so dass durch unmittelbares Parallelschalten 3o mehrerer solcher Modulbaugruppen Leistungskomponenten hoher Gesamtleistung realisiert werden können.Further assembly advantages and simpler spare parts management arise when a power unit with an upstream boost converter circuit are combined mechanically as a module assembly, so that by directly connecting in parallel 3o several such module assemblies power components high overall performance can be realized.
Eine vorteilhafte Standardisierung entsteht, wenn jede dieser Modulbaugruppen ein eigenes Kühlprofil besitzt. 35 5An advantageous standardization arises when each of these module assemblies has its own cooling profile. 35 5
• · · · ··· · ··· • · · · ··· **·· • · · · · « ·· · ♦·♦ ·ι ·« · 11• · · · · · · · · · · • · · · · · · · · ** • · · '· · ♦ · ♦ · ι · «· 11
Diese Merkmale sind je nach dem benötigten Einsatz des Invertersystems in einem 10 weiten Bereich miteinander kombinierbar.These features can be combined in a wide range, depending on the required use of the inverter system.
Im Bereich der Schweißtechnik ist es ganz besonders vorteilhaft, viele kleinere Leistungsteile im Phasenversatz miteinander zu betreiben, weil dadurch das Gewicht der benötigten Drosseln stark reduzierbar ist. Besonders wichtig ist dies bei 15 tragbaren Maschinen. Beim Betrieb von Invertern am dreiphasigen Drehstromnetz von 3x400 V ist eine Serienschaltung der Halbbrückenschaltungen sehr vorteilhaft, denn beim Einsatz von MOSFET-Transistoren nimmt die Stromtragfähigkeit mit steigender Spannungsfestigkeit drastisch ab, so dass sich wirtschaftlichere Lösungen ergeben, da Transistoren mit halber Spannungsfestigkeit eingesetzt werden 2o können.In the field of welding technology, it is particularly advantageous to operate many smaller power parts in phase offset with each other, because thereby the weight of the required throttles is greatly reduced. This is especially important with 15 portable machines. When operating inverters on the three-phase three-phase network of 3x400 V, a series connection of the half-bridge circuits is very advantageous, because with the use of MOSFET transistors, the current carrying capacity decreases drastically with increasing dielectric strength, resulting in more economical solutions since transistors with half the dielectric strength can be used ,
Durch Kombination der meisten dieser Merkmale ist ein Invertersystem entstanden, das auf sehr kleinem Raum mit geringem Gewicht eine hohe Ausgangsleistung erreicht. Hervorzuheben ist dabei die bis dato unerreicht hohe Regel-Dynamik und 25 Rippelarmut eines Inverters dieser Größe- und Gewichtsklasse. Den Vorschriften der Oberwellenanteile wird voll Genüge getan. Das Baukastensystem erbringt große wirtschaftliche Vorteile.By combining most of these features, an inverter system has been created that achieves high output in a very small space with low weight. Of particular note is the unprecedented high control dynamics and 25 ripple poverty of an inverter of this size and weight class. The rules of harmonic components are fully satisfied. The modular system provides great economic benefits.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs-3o beispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment shown in the drawings. Show it:
Fig. 1 die grundsätzliche Schaltung eines erfindungsgemäßen Leistungsteils, 5 12 W W mm m m > « | • · · ··· «·· » » * · • · · · · ♦ ··· «9·· • · # ··« | « ·· Itl ♦·· ·· ·· «Fig. 1 shows the basic circuit of a power unit according to the invention, 5 12 W W mm m m > «| • · · · · · "··" "* · • · · · · · · · ♦" 9 · · • · · · # «| «·· Itl ♦ ·· ·· ··«
Fig. 2 die Regelungsstruktur eines erfindungsgemäßen Invertersystems, 102 shows the control structure of an inventive inverter system, 10
Fig. 3 eine mögliche Parallelschaltung der Halbbrückenmodule,3 shows a possible parallel connection of the half-bridge modules,
Fig. 4 eine mögliche Serienschaltung der Halbbrückenmodule, 15 Fig. 5 ein Invertersystem mit vorgeschalteter Hochsetzsteller-Schaltung undFig. 4 shows a possible series connection of the half-bridge modules, 15 Fig. 5 shows an inverter system with upstream boost converter circuit and
Netzgleichrichter sowieMains rectifier as well
Fig. 6 ein Beispiel für eine Modulmontage. 20Fig. 6 shows an example of a module assembly. 20
In Fig. 1 sieht man, wie eine erste Halbbrückenschaltung 1a aufgebaut ist. Zwei Transistoren 10a und 10b sind zusammen mit zwei Freilaufdioden 11a und 11b in einer bekannten Weise zu einer sogenannten symmetrischen Halbbrückenschaltung verbunden. Die Versorgung liegt an einem positiven Versorgungsanschluss 33 und 25 einem negativen Versorgungsanschluss 34 und wird mit einem Pufferkondensator 43a gestützt. Man sieht, dass der Haupttransformator 3 zwei Primärwicklungen 3a und 3b aufweist. Die erste Primärwicklung 3a ist nun in die Brückendiagonale der Halbbrückenschaltung 1a eingebaut, wobei in Reihe mit der Primärwicklung eine sättigbare Induktivität 5a geschaltet ist. Ferner durchfließt der Primärstrom einen 30 Stromwandler 4, der einen Primärstrom-Istwert 42 erzeugt.In Fig. 1 it can be seen how a first half-bridge circuit 1a is constructed. Two transistors 10a and 10b are connected together with two freewheeling diodes 11a and 11b in a known manner to a so-called balanced half-bridge circuit. The supply is connected to a positive supply connection 33 and 25 to a negative supply connection 34 and is supported by a buffer capacitor 43a. It can be seen that the main transformer 3 has two primary windings 3a and 3b. The first primary winding 3a is now installed in the bridge diagonal of the half-bridge circuit 1a, wherein a saturable inductor 5a is connected in series with the primary winding. Furthermore, the primary current flows through a current transformer 4, which generates a primary current actual value 42.
Die zweite Halbbrückenschaltung 1b ist wie gezeigt in völlig analoger Weise aufgebaut. Zu beachten ist nur, dass die Primärwicklung 3b und der Stromwandler 4 wie gezeigt so angeschlossen sind, dass die Magnetisierung des Transformators 3 5 13 • ··· ··· · · · • · • · ♦ · ····· • · · · · ·♦···· ·· ·· und der Strom im Stromwandler 4 bei leitenden Transistoren 10a und 10b in der io Halbbrückenschaltung 1a entgegengesetzt ist als bei leitenden Transistoren 10c und 10d in der Halbbrückenschaltung 1 b. An der Sekundärwicklung 3c ist nun der an sich bekannte Strom-Verdoppler-Gleichrichter 6 angeschlossen. Die Standardschaltung besteht aus zwei Glättungsdrosseln 9a und 9b, die jede für sich die Hälfte des Ausgangsstromes führen. Zwei Ausgangsdioden 7a und 7b dienen der 15 Gleichrichtung. Mit den beiden Ausgangsdioden sind die beiden sättigbaren Zusatz-Induktivitäten 8a und 8b in Reihe geschaltet. Die ganze Anordnung wird als Leistungsteil 2 bezeichnet.The second half-bridge circuit 1b is constructed in a completely analogous manner as shown. It should only be noted that the primary winding 3b and the current transformer 4 are connected as shown, so that the magnetization of the transformer 3 3. And the current in the current transformer 4 in the case of conducting transistors 10a and 10b in the io half-bridge circuit 1a is opposite to that in the case of conducting transistors 10c and 10d in the half-bridge circuit 1b. At the secondary winding 3c now known per se power doubler rectifier 6 is connected. The standard circuit consists of two smoothing reactors 9a and 9b, each of which carries half of the output current. Two output diodes 7a and 7b serve for rectification. With the two output diodes, the two additional saturable inductors 8a and 8b are connected in series. The whole arrangement is referred to as power section 2.
In Fig. 2 ist das Leistungsteil 2 als Block eingezeichnet. Es ist nun die Regelung 20 dafür beschrieben. Ein Hauptregler 13 realisiert je nach Anforderung einen Stromregler 20 oder einen Spannungsregler 21. Der Stromregler 20 wird mit dem Ausgangsstrom-Istwert 16 von einem bekannten Strommesssystem versorgt. Gleichzeitig erhält er von einer höheren Instanz einen Ausgangsstrom-Sollwert 18. Der Spannungsregler 21 erhält den Ausgangsspannungs-Istwert 17 und einen Aus-25 gangsspannungs-Sollwert 19. Falls gleichzeitig sowohl ein Stromregler 20 und ein Spannungsregler 21 benötigt werden, ist eine an sich bekannte und schematisch dargestellte Ablöseschaltung 39 vorgesehen, die demjenigen Regler die Führung übergibt, der das kleinere Führungssignal 14 erzeugt. Das Führungssignal 14 ist ein neuer Strom-Sollwert für einen an sich bekannten Current-mode-Regler 15. Zur 3o Current-mode-Regelung wird ein sehr schneller und präziser Primärstrom-Istwert-Betrag 22 benötigt. Dazu wird der bipolare Primärstrom-Istwert 42 aus dem Stromwandler 4 in einem Betragsbildner 23 gleichgerichtet. Das Führungssignal 14 und der Primärstrom-Istwert-Betrag 22 werden im Current-mode-Regler 15 auf einen Komparator 27 geführt. Es ist nun jeder Halbbrückenschaltung 1a oder 1b jeweils ein Flip-Flop-Speicher 26a bzw. 26b zugeordnet, der über einen Ansteuerschaltkreis 28a bzw. 28b und einen Ansteuerübertrager 12 zu den Transistoren der zugeordneten Halbbrückenschaltung 1a bzw. 1b führt. Wird z.B. der Flip-Flop-Speicher 26a gesetzt, dann werden die Transistoren 10a und 10b der Halbbrückenschaltung 1a eingeschaltet - entsprechendes gilt umgekehrt und sinngemäß für den anderen Flip-Flop-Speicher 26b in Verbindung mit der Halbbrückenschaltung 1b.In Fig. 2, the power unit 2 is shown as a block. It is now the regulation 20 described for it. A main controller 13 realizes a current regulator 20 or a voltage regulator 21 as required. The current regulator 20 is supplied with the output current actual value 16 by a known current measuring system. At the same time, it receives an output current setpoint value 18 from a higher instance. The voltage regulator 21 receives the output voltage actual value 17 and an output voltage setpoint value 19. If both a current regulator 20 and a voltage regulator 21 are required at the same time, a known per se is known and schematically illustrated detachment circuit 39 is provided which gives the controller to the controller which generates the smaller guide signal 14. The guide signal 14 is a new current setpoint for a known current-mode regulator 15. For 3o current-mode control, a very fast and precise primary current-actual value amount 22 is required. For this purpose, the bipolar primary current actual value 42 is rectified from the current transformer 4 in an absolute value generator 23. The guide signal 14 and the primary current-actual value amount 22 are guided in the current-mode regulator 15 to a comparator 27. Each half-bridge circuit 1a or 1b is associated with a respective flip-flop memory 26a or 26b, which leads via a drive circuit 28a or 28b and a drive transformer 12 to the transistors of the associated half-bridge circuit 1a or 1b. If e.g. the flip-flop memory 26a set, then the transistors 10a and 10b of the half-bridge circuit 1a are turned on - the same applies vice versa and mutatis mutandis for the other flip-flop memory 26b in connection with the half-bridge circuit 1b.
Das Einschalten und Ausschalten der Flip-Flop-Speicher 26a und 26b besorgt ein Pulsgenerator 25, der von einem Oszillator 24 gespeist wird. Dabei werden die beiden Flip-Flop-Speicher 26a und 26b mit maximal 50 % Tastverhältnis im Wechsel gesetzt und zurückgesetzt. Stellt der Komparator 27 jedoch fest, dass der Primärstrom-Istwert-Betrag 22 das Führungssignal 14 übersteigt, dann werden die Flip-Flop-Speicher ohne jeden Zeitverzug sofort zurückgesetzt. Dadurch wird der Leistungsfluss in dem Haupttransformator 3 sofort unterbrochen. Die Strombegrenzung des Invertersystems reagiert damit ohne prinzipbedingte Verzögerung, da im Primärstrom ein verzögerungsfreies Abbild des Ausgangsstromes enthalten ist. Beim Parallelschalten von mehreren Teilsystemen 49 ist es nun besonders vorteilhaft, den Oszillator 24 und den Pulsgenerator 25 nur einmal und für alle Teilsysteme 49 gemeinsam vorzusehen, da sich damit die Phasenlage der einzelnen Halbbrückenschaltungen weiter auffächern lässt und der Rippel des Ausgangsstromes des Gesamtsystems damit drastisch gesenkt werden kann.The switching on and off of the flip-flop memories 26a and 26b concerns a pulse generator 25, which is fed by an oscillator 24. The two flip-flop memories 26a and 26b are alternately set and reset with a maximum of 50% duty cycle. However, if the comparator 27 determines that the primary current-actual value amount 22 exceeds the command signal 14, the flip-flop memories are immediately reset without any delay. As a result, the power flow in the main transformer 3 is immediately interrupted. The current limitation of the inverter system thus reacts without principle-related delay, since a delay-free image of the output current is contained in the primary current. When connecting several subsystems 49 in parallel, it is now particularly advantageous to provide the oscillator 24 and the pulse generator 25 together only once and for all subsystems 49, since the phase position of the individual half-bridge circuits can be fanned out further and the ripple of the output current of the overall system thus drastically reduced can be.
In Fig. 3 ist die Parallelschaltung der beiden Halbbrückenschaltungen 1a und 1b dargestellt. Diese Variante ist vorteilhaft beim Betrieb von Invertern am einphasigen Versorgungsnetz von 230V geeignet. 5 15 » ·«· » ·· ♦ • ι ··· ·♦· ln Fig. 4 ist im Gegensatz zu Fig. 3 eine Serienschaltung der beiden Halb-io brückenschaltungen 1 a und 1 b dargestellt. Es entsteht dabei ein kapazitiverIn Fig. 3, the parallel connection of the two half-bridge circuits 1a and 1b is shown. This variant is advantageous in the operation of inverters on the single-phase supply network of 230V suitable. In contrast to FIG. 3, a series connection of the two half-bridge circuits 1 a and 1 b is shown in FIG. 4. It creates a capacitive
Mittelpunkt 32, der in der Mitte zwischen dem positiven Versorgungsanschluss 33 und dem negativen Versorgungsanschluss 34 zu liegen kommt. Um den Mittelpunkt 32 bei jedem Arbeitspunkt des Inverters stabil in der Mitte halten zu können, ist es vorteilhaft, eine Überwachungsschaltung 29 für die Symmetrie der beiden 15 Teilspannungen 40a und 40b zu haben. Gezeigt ist ein Ausführungsbeispiel mit zwei Widerständen 30a und 30b und zwei Optokopplern 31a und 31b. Der Optokoppler 31a wird leitend, wenn die Versorgungsspannung 40a größer ist, der Optokoppler 31 wird entsprechend leitend, wenn die Versorgungsspannung 40b größer wird. Mit den Ausgangssignalen 35 wird der Current-mode-Regler 15 so 20 gesteuert, dass mit bekannten Mitteln die Ansteuer-Signale derjenigen Halbbrückenschaltung 1 a oder 1 b blockiert werden, welche die niedrigere Versorgungsspannung 40 aufweist.Center point 32, which comes to lie in the middle between the positive supply terminal 33 and the negative supply terminal 34. In order to be able to stably hold center 32 at each operating point of the inverter in the middle, it is advantageous to have a monitoring circuit 29 for the symmetry of the two 15 partial voltages 40a and 40b. Shown is an embodiment with two resistors 30a and 30b and two optocouplers 31a and 31b. The optocoupler 31a becomes conductive when the supply voltage 40a is larger, the optocoupler 31 becomes conductive accordingly when the supply voltage 40b becomes larger. With the output signals 35 of the current-mode controller 15 is controlled so 20 that with known means the drive signals of those half-bridge circuit 1 a or 1 b are blocked, which has the lower supply voltage 40.
In Fig. 5 ist dargestellt, dass dem Leistungsteil 2 zwischen dem positiven Ver-25 sorgungsanschluss 33 und dem negativen Versorgungsanschluss 34 eine an sich bekannte Hochsetzsteller-Schaltung 36 vorgeschaltet wird. Diese wiederum wird von einem Netzgleichrichter 37 über den positiven Gleichrichteranschluss 45 und den negativen Gleichrichteranschluss 46 versorgt. Der Gleichrichter selbst speist sich aus dem Versorgungsnetz 38, das in der Regel ein Einphasennetz von z.B. 30 230V oder wie gezeigt ein Drehstromnetz von zB. 3x400V ist. Bei der Parallel schaltung von mehreren Teilsystemen 49 ist es nun besonders vorteilhaft, das Führungssignal 14 und das Sollwert-Signal für den Eingangsstrom 41 parallel an alle Teilsysteme 49 anzuschließen, damit die Stromaufteilung auf die Teilsysteme optimal wird. 35 16FIG. 5 shows that a power converter circuit 36, which is known per se, is connected upstream of the power supply 2 between the positive supply terminal 33 and the negative supply terminal 34. This in turn is supplied by a mains rectifier 37 via the positive rectifier terminal 45 and the negative rectifier terminal 46. The rectifier itself feeds from utility grid 38, which is typically a single-phase network of e.g. 30 230V or as shown a three-phase network of eg. 3x400V is. In the parallel circuit of several subsystems 49, it is now particularly advantageous to connect the guide signal 14 and the setpoint signal for the input current 41 in parallel to all subsystems 49, so that the power distribution to the subsystems is optimal. 35 16
• · · IM • · · · * · · « ·· 000 000 ··· 0 0 0 0 • 0 0000000 • · 0 0 0 0 0 0 0 5• · · IM · · · · · · · · · · 000 000 ··· 0 0 0 0 • 0 0000000 • · 0 0 0 0 0 0 0 5
In Fig. 6 wird eine Modulbaugruppe 44 gezeigt, welche aus einem Leistungsteil 2 io und einer zugeordneten Hochsetzsteller-Schaltung 36 besteht. Solche Modulbaugruppen können nun mit der Regelungstechnik nach den obigen Merkmalen problemlos parallel geschaltet werden, womit sich Inverter sehr hoher Ausgangsleistung realisieren lassen.FIG. 6 shows a module assembly 44, which consists of a power section 2o and an associated boost converter circuit 36. Such module assemblies can now be easily connected in parallel with the control technology according to the above features, which can be realized with very high output inverter.
Wien, den -7. Mai 2003 15Vienna, the -7. May 2003 15
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