2.1 Potentialverbindende Gleichstromsteller

Universität
Stuttgart
Institut für Leistungselektronik
und Elektrische Antriebe
Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow
2.1 Potentialverbindende Gleichstromsteller
Gleichstromsteller
speisendes System
gespeistes System
Forderung:
Spannungen jeweils dynamisch eingeprägt, d. h. zumindest über einige
Schaltzyklen der angeschlossenen Steller hinweg konstant.
Annahme für die Schaltungsentwicklung:
eingeprägte, aber verstellbare Gleichspannungsquelle
wenn die Spannung
üblicherweise weitgehend
konstant ist
Unterlagen zur Vorlesung Leistungselektronik 1
wenn die Spannung
üblicherweise variabel
ist
Abschnitt 2.1
Blatt 1
2.1.1.1 Tiefsetzsteller (Step-Down- / Buck-Converter)
Schaltung:
Verlauf des Drosselstroms iL:
Eingeschwungener Zustand
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Abschnitt 2.1
Blatt 2
Energieflussdiagramme beim Tiefsetzsteller (TSS)
Ventil V leitet:
Ventil V sperrt:
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Abschnitt 2.1
Blatt 3
2.1.1.2 Hochsetzsteller (Step-Up- / Boost-Converter)
Schaltung:
Verlauf des Drosselstroms iL:
Eingeschwungener Zustand
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Abschnitt 2.1
Blatt 4
Energieflussdiagramme beim Hochsetzsteller (HSS)
Ventil V leitet:
Ventil V sperrt:
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Abschnitt 2.1
Blatt 5
2.1.1.3 Sperrsteller oder Hoch-Tiefsetzsteller
(Flyback- / Buck-Boost-Converter)
Schaltung:
Verlauf des Drosselstroms iL:
Eingeschwungener Zustand
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Abschnitt 2.1
Blatt 6
Energieflussdiagramme beim Sperrsteller
(Hoch- und Tiefsetzsteller)
Ventil V leitet:
Ventil V sperrt:
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Abschnitt 2.1
Blatt 7
zu 2.1.1.3
Tief- und Hochsetzsteller-Kaskade
E < U:
VE leitet dauernd; VU taktet
(Hochsetzstellerbetrieb)
E > U:
VU sperrt dauernd; VE taktet
(Tiefsetzstellerbetrieb)
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Abschnitt 2.1
Blatt 8
2.1.2.1 Tiefsetzsteller mit Spannungsumkehr an einer
Gleichspannungsquelle mit Mittelabgriff
Schaltung (vgl. 2.1.1.1.)
iL > 0
V leitend ( Tg ):
Strompfad
V gesperrt ( To ): Strompfad
____
___
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U
2
(22a-2.1)
U
2
(22b-2.1)
e = emax = +
e = emin = −
Abschnitt 2.1
Blatt 9
Somit e (vgl. 2.1.1.1 Gl. (6-2.1)):
1
⋅
e=
Tg + To
Tg + To

=
e(t) dt
t =0
1
Tg + To
U

 U 
⋅ Tg ⋅ + To ⋅  −  
2
 2 

Tg To 

1
1

= U⋅
⋅  Tg −
−  = U ⋅  τg − 
Tg + To 
2
2 
2

τg = 1 :
e
=
emax
=
τg = 0 :
e
=
emin
=
E = e − uL = e −
1
⋅
Tg + To
(23-2.1)
U
2
U
−
2
+
Tg + To

uL dt
t =0

stets Null im
eingeschwungenen Zustand
U
2
 − ≤E≤ +
U
2
Ausgangsstellbereich:
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Abschnitt 2.1
Blatt 10
2.1.2.2 Hochsetzsteller mit Spannungsumkehr an einer
Gleichspannungsquelle mit Mittelabgriff
Schaltung (vgl. 2.1.1.2)
iL > 0
V leitend ( Tg ):
Strompfad
V gesperrt ( To ): Strompfad
____
___
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e = emin = −
U
2
(24a-2.1)
U
2
(24b-2.1)
e = emax = +
Abschnitt 2.1
Blatt 11
Somit e (vgl. 2.1.1.2 Gl. (12-2.1)):
1
e=
⋅
Tg + To
= U⋅
Tg + To

=
e(t) dt
t =0
1
Tg + To
U

 U
⋅ Tg ⋅  −  + To ⋅ 
2
 2

Tg
T

1

⋅ o +
− Tg  = U ⋅  − τg 
2
2

 2

τg = 1 :
e
=
emin
=
τg = 0 :
e
=
emax
=
E=e
1
Tg + To
(25-2.1)
U
2
U
+
2
−
(im eingeschwungenen Zustand ist die
mittlere Spannung an der Drossel Null)
U
2
 − ≤E≤ +
U
2
Eingangsstellbereich:
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Abschnitt 2.1
Blatt 12
2.1.2.3 Gleichstromsteller in Form einer
asymmetrischen Halbbrücke
Schaltung (vgl. 2.1.1.1 und 2.1.1.2):
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Abschnitt 2.1
Blatt 13
2.1.2.4 Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr
Antiparallelschaltung eines Tiefsetzstellers (2.1.1.1) und eines
Hochsetzstellers (2.1.1.2):
IE > 0 : nur TSS in Betrieb 

IE < 0 : nur HSS in Betrieb 
→ keine Überdeckung
→ eine Drossel genügt
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Abschnitt 2.1
Blatt 14
Schaltung:
Achtung !
VT und VH dürfen nie
gleichzeitig leiten; sonst
„heißer Zweig“
iL > 0 :
Ventil VT
Zeitintervall
Strompfad
leitend
TS
e = emax = U
Speisen
(30a-2.1)
gesperrt
TF
e = emin = 0
Freilauf
(30b-2.1)
Bezeichnung
Zugehöriger Stellbereich für E:
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Abschnitt 2.1
Blatt 15
Schaltung:
iL < 0 :
Ventil VH
Zeitintervall
Strompfad
leitend
TF
e = emin = 0
Freilauf
(30c-2.1)
gesperrt
TR
e = emax = U
Rückspeisen
(30d-2.1)
Bezeichnung
Somit Stellbereich für E insgesamt:
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Abschnitt 2.1
Blatt 16
2.1.2.5 Vierquadrantensteller mit Spannungsumkehr
an einer Gleichspannungsquelle
mit Mittelabgriff
Prinzip: wie Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr, aber
Minuspol des Gleichspannungssystems E wird nicht an
den Minuspol, sondern an einen Mittelabgriff des
Gleichspannungssystems U angeschlossen.
→
Schaltung:
iL > 0 :
Ventil VT
Zeitintervall
Strompfad
leitend
TS
e = emax = +
U
2
Speisen
(31a-2.1)
gesperrt
TR
e = emin = −
U
2
Rückspeisen
(31b-2.1)
Bezeichnung
Zugehöriger Stellbereich für E:
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Abschnitt 2.1
Blatt 17
Schaltung:
iL < 0 :
Ventil VH
Zeitintervall
Strompfad
leitend
TS
e = emin = −
U
2
Speisen
(31c-2.1)
gesperrt
TR
e = emax = +
U
2
Rückspeisen
(31d-2.1)
Bezeichnung
Stellbereich für E insgesamt:
Dieselbe Schaltung wäre entstanden bei antiparalleler Kombination
eines Tiefsetzstellers mit Spannungsumkehr und eines Hochsetzstellers
mit Spannungsumkehr, jeweils an einer Gleichspannungsquelle mit
Mittelabgriff.
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Abschnitt 2.1
Blatt 18
2.1.2.6 Vierquadrantensteller in vollständiger
Brückenschaltung
Wie Schaltung nach Punkt 2.1.2.5 mit dem Unterschied, dass auch
rechts ein Zweiquadrantensteller mit Stromumkehr eingesetzt wird:
a) iL > 0 :
Ventile
VI und VII
Zeitintervall
Strompfad
Bezeichnung
VI leitend,
VII leitend
TS
e = emax = U
Speisen
(32a-2.1)
VI leitend,
VII gesperrt
TF
e=0
Freilauf oben
(32b-2.1)
VI gesperrt,
VII leitend
TF
e=0
Freilauf unten
(32c-2.1)
VI gesperrt,
VII gesperrt
TR
e = emin = −U
Rückspeisen
(32d-2.1)
→ 1. und 4. Quadrant
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Abschnitt 2.1
Blatt 19
Schaltung, Stellbereich und Betriebsweise entsprechen für iL > 0
der asymmetrischen Halbbrücke (2.1.2.3):
→ Zugehöriger Stellbereich für E ( iL > 0 ):
→ Zwei mögliche Betriebsweisen zum Einstellen einer
Spannung E:
–
–
ausschließliche Nutzung der Zustände „Speisen“ und
„Rückspeisen“;
Nutzung aller vier möglichen Schaltzustände („Speisen“,
„Freilauf oben“, „Freilauf unten“, „Rückspeisen“).
→ Zweite Betriebsweise vorteilhaft hinsichtlich
Schwankungsbreite von iL und/oder Schalthäufigkeit der
Ventile VI und VII:
1. Quadrant:
4. Quadrant:
Wechsel Speisen/Freilauf
Wechsel Freilauf/Rückspeisen
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Abschnitt 2.1
Blatt 20
b) iL < 0 :
Analoge Verhältnisse zu a):
An die Stelle von VI tritt VIII
An die Stelle von VII tritt VIV
Stellbereich für E insgesamt:
Anmerkung:
–
–
Schaltung entspricht einer antiparallelen Kombination von zwei
asymmetrischen Halbbrückengleichstromstellern nach 2.1.2.3
Gegenüber dem Vierquadrantensteller mit Spannungsumkehr an
einer Gleichspannungsquelle mit Mittelabgriff (2.1.2.5) hat sich der
Stellbereich für E verdoppelt.
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Abschnitt 2.1
Blatt 21