DE4027969C1

DE4027969C1 - Converter with controlled transistor bridge - has connecting choke divided into main and auxiliary chokes in diagonal branch of bridge

Info

Publication number: DE4027969C1
Application number: DE19904027969
Authority: DE
Inventors: Josef 8092 Haag De Pointner
Original assignee: Mgv Margret Gruber Vertrieb 8000 Muenchen De GmbH
Current assignee: Mgv Margret Gruber Vertrieb 8000 Muenchen De GmbH
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1991-11-07
Anticipated expiration: 2010-09-05

Abstract

The current regulator (4), inserted between a DC battery (1) and an AC load (11), uses a controlled semiconductor bridge (5) across which the AC load (11) is connected in series with a choke (6,7). The latter is divided into main (6) and auxiliary (7) chokes connected in series, the auxiliary choke inductance ensuring that it's effective when the main choke (5) is saturated. The main choke (6) may have two individual coils wound around a common core, each lying in the current path for the AC load (11). ADVANTAGE - Reduced instability.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an inverter according to the preamble of claim 1.

Ein solcher Wechselrichter ist aus der DE-OS 17 63 941 bekannt.Such an inverter is from DE-OS 17 63 941 known.

Wechselrichter werden zum Umsetzen einer Gleichspannung in Wechselspannung und auch dort verwendet, wo eine Wechsel spannungsversorgung zwar vorhanden, jedoch in der Frequenz ungeregelt ist. Im letzteren Falle wird die zur Verfügung stehende Wechselspannung gleichgerichtet, spannungsstabili siert und dann durch den Wechselrichter in Wechselspannung konstanter Frequenz umgeformt. Wechselrichter liefern am Ausgang z. B. eine Spannung von 230 V bei 50 Hz oder 110 V bei 60 Hz. Die Schalter in den Brückenzweigen werden mit Frequenzen im Bereich von etwa mehreren kHz angesteuert, wobei durch eine Impulsbreitenmodulation der Ansteuer impulse die Ausgangsfrequenz der sinusförmigen Ausgangs spannung erzeugt wird. Der Wechselrichter arbeitet als Durchflußwandler, und zwar als Gegentaktdurchflußwandler.Inverters are used to convert a DC voltage in AC voltage and also used where there is an AC power supply available, but in frequency is unregulated. In the latter case, the will be available standing AC voltage rectified, voltage stable and then by the inverter in AC voltage transformed constant frequency. Inverters deliver on Output z. B. a voltage of 230 V at 50 Hz or 110 V. at 60 Hz. The switches in the bridge branches will be controlled with frequencies in the range of approximately several kHz, whereby by a pulse width modulation of the control pulse the output frequency of the sinusoidal output voltage is generated. The inverter works as Flow converter, as a push-pull flow converter.

Bei diesem Wechselrichter entspricht der Strom durch die Drossel dem Strom, der durch den Verbraucher fließt. Bei dem bekannten Wechselrichter ist im übrigen die Drossel im Diagonalzweig symmetrisch in zwei Teildrosseln aufgeteilt, zwischen denen ein Kondensator gelegen ist. Die Ausgangs spannung wird an den Anschlüssen des Kondensators abgenommen. Die Drossel ist hierbei so dimensioniert, daß bei dem durch schnittlichen Betriebsstrom die Drossel im nichtlückenden Betrieb arbeitet, der Wechselrichter somit eine kontinuier liche Sinus-Ausgangsspannung liefert. Fällt jedoch der Verbraucherstrom unter einen bestimmten Wert, so geht die Drossel in den lückenden Betrieb über. Hierbei kann die Eingangs-Gleichspannung nicht mehr in eine kontinuierliche Sinus-Ausgangsspannung umgesetzt werden bzw., es ist eine stabile Spannungsregelung des Wechselrichters nicht mehr gewährleistet. Dies liegt daran, daß sich die Kennlinie des Stellgliedes, zu dem auch die Drossel gehört, in dem Spannungsregelkreis des Wechselrichters im Übergangsbereich zwischen lückendem und nichtlückendem gravierend ändert. Ein lückender Betrieb kann auch bei relativ großer Last im Bereich der Nulldurchgänge der Ausgangsspannung des Wechselrichters auftreten, bedingt dadurch, daß dann die Spannung an der Drossel - und damit auch der Strom - relativ klein ist und der Übergangspunkt zwischen lückendem und nichtlückendem Betrieb nach unten zu kleineren Spannungswerten verschoben wird. Auch bei diesen Zuständen kann es zu Instabilitäten der Regelung kommen.The current through this inverter corresponds to the Choke the current that flows through the consumer. At the known inverter is the choke divided symmetrically into two chokes in the diagonal branch, between which a capacitor is located. The exit voltage is taken from the connections of the capacitor. The throttle is dimensioned so that the through average operating current the choke in the non-gaping Operation works, the inverter is thus a continuous sine output voltage. However, the falls Consumer current below a certain value, so goes Throttle in the vacant Operation over. Here, the input DC voltage no longer in a continuous Sine output voltage can be implemented or, it is a stable voltage regulation of the inverter is not more guaranteed. This is because the Characteristic curve of the actuator, including the throttle heard in the voltage control loop of the inverter in the transition area between gaping and serious changes. A gaping operation can also with a relatively large load in the range of Zero crossings of the output voltage of the inverter occur, due to the fact that the voltage on the Choke - and thus the current - is relatively small and the transition point between gaping and non-gap operation down to smaller Voltage values is shifted. Even with these States, the control may become unstable.

Man könnte den Spannungsregelkreis zwar in einem Kompromiß so auslegen, daß Instabilitäten weitgehend vermieden werden; dies führt jedoch dazu, daß der Klirrgrad der Ausgangsspannung sehr groß wird. Beides ist jedoch nachteilig.You could do the voltage control loop in one Design compromise so that instabilities largely be avoided; however, this leads to the fact that Distortion level of the output voltage becomes very large. Both is disadvantageous, however.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter der eingangs genannten Art so zu modifizieren, daß der lückende Betrieb möglichst unterdrückt wird und damit auch die Voraussetzung für eine stabilie Regelung des Wechselrichters möglich ist.The invention has for its object a Inverters of the type mentioned at the beginning modify that the intermittent operation if possible is suppressed and thus also the prerequisite for stable control of the inverter is possible.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. This object is according to the invention by the characterizing part of claim 1 specified Features solved.

Demgemäß wird die in sonstigen Wechselrichtern vorhandene einzige Drossel aufgeteilt in zwei in Serie geschaltete Drosseln. Die erste Drossel, im folgenden als Hauptdrossel bezeichnet, wird wie bei herkömmlichen Wechselrichtern dimensioniert, nämlich so, daß bei durchschnittlichen Strömen, die über den Verbraucher fließen, stets ein nichtlückender Betrieb erfolgt. Die zweite Drossel, im folgenden als Nebendrossel bezeichnet, ist eine nichtlineare Drossel mit sehr großer Induktivität, die erst im ansonsten lückenden Betrieb der Hauptdrossel wirksam wird. Die Nebendrossel ist nämlich gesättigt und damit wirkungslos, wenn der Strom über den Verbraucher so groß geworden ist, daß in der Hauptdrossel kein lückender Betrieb mehr auftritt. Durch entsprechende Wahl der nichtlinearen Nebendrossel kann die Kennlinie des Stellgliedes linearisiert werden.Accordingly, that in other inverters existing single choke divided into two in series switched chokes. The first throttle, in the following referred to as the main choke, as with conventional Inverters dimensioned, namely so that at average flows over the consumer flow, there is always an uninterrupted operation. The second throttle, hereinafter referred to as a secondary throttle is a non-linear choke with very great inductance, which is only otherwise Operation of the main choke becomes effective. The secondary choke is saturated and therefore ineffective if the Electricity through the consumer has become so great that in the main throttle no longer operates intermittently. By appropriate selection of the non-linear secondary choke the characteristic curve of the actuator can be linearized.

Hierdurch bleibt der Spannungs-Regelkreis vom Leerlauf bis zur Nennlast für den ganzen Bereich stabil. Durch entsprechende Dimensionierung des parallel zum Verbraucher gelegenen Kondensators kann der lückende Betrieb sogar im Leerlauf vermieden werden.This keeps the voltage control loop from idling stable up to the nominal load for the whole area. By appropriate dimensioning of the parallel to the Capacitor located consumer can be the loophole Operation can be avoided even at idle.

Eine besonders gute Wirkung erzielt man, wenn die Nebendrossel in zwei Einzelspulen aufgeteilt ist. Vorteilhaft wird hierbei die Hauptdrossel ebenfalls in zwei Einzelspulen aufgeteilt, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind.A particularly good effect can be achieved if the Secondary choke is divided into two individual coils. The main throttle is also advantageous in split two individual coils on a common one Core are wound.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further refinements of the invention result from the Sub-claims emerge.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:The invention is based on two exemplary embodiments the drawing explained in more detail. In this represent:

Fig. 1 ein Blockschaltdiagramm eines Schaltnetzteiles mit einem Wechselrichter gemäß der Erfindung; Figure 1 is a block diagram of a switching power supply with an inverter according to the invention.

Fig. 2 ein Blockschaltdiagramm eines Schaltnetzteiles mit einem modifizierten Wechselrichter. Fig. 2 is a block diagram of a switching power supply with a modified inverter.

Eine Batterie bzw. ein Akkumulator 1 liefert eine ungeregelte Gleichspannung. Bei herkömmlichen Batterien bzw. Akkumulatoren schwankt diese Gleichspannung z. B. in Bereichen von 10 bis 18 V, 18 bis 40 V bzw. 40 bis 80 V. Diese Gleichspannung wird in einem Gleichspannung/Gleichspannungswandler 2, der als Gegentaktdurchflußwandler arbeitet, in eine gleichgerichtete Zwischenkreisspannung von 350 V umgewandelt. Die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 2, die an einem Elektrolytkondensator 3 anliegt, ist Eingangsspannung für einen Wechselrichter 4. Dieser besteht aus einer Vierwegbrücke 5, in deren vier Zweigen jeweils ein ansteuerbarer Schalter T1, T2, T3 bzw. T4 liegt. Die Schalter sind z. B. Feldeffekttransistoren und jeweils durch eine Diode D1, D2, D3 bzw. D4 parallel in Inversrichtung überbrückt. Die Brückenpunkte sind mit A, B, C und D bezeichnet, wobei der DC/DC-Wandler 2 mit den Brückenpunkten A und C verbunden ist. Im Diagonalzweig BD der Brücke ist ausgehend von dem Brückenpunkt B zwischen den Transistoren T1 und T4 eine Serienschaltung aus einer Hauptdrossel 6, einer Nebendrossel 7 und einem Kondensator 8 gelegen, die zu dem Bruckenpunkt D zwischen den Transistoren T2 und T3 führt. Parallel zu dem Kondensator 8 sind zwei Anschlußpunkte 9 und 10 für einen Verbraucher 11 vorgesehen. Die Spannung zwischen diesen Anschlußpunkten 9 und 10 wird als Ist-Wert einem Spannungsregelkreis 12 zugeführt, in dem der Ist-Wert mit einem Sollwert verglichen wird und der entsprechend der Differenz zwischen diesen Werten impulsbreitenmodulierte Ansteuerimpulse an die Gate-Elektroden der Transistoren T1 bis T4 liefert, so daß an den Ausgangsklemmen 9 und 10 des Wechselrichters eine sinusförmige Ausgangsspannung mit z. B. einer Amplitude von 230 V und einer Frequenz von 50 Hz abgenommen werden kann. Die Ansteuerfrequenzen für die Transistoren liegen im Bereich von ca. 40 kHz.A battery or an accumulator 1 supplies an unregulated DC voltage. In conventional batteries or accumulators, this DC voltage fluctuates z. B. in ranges of 10 to 18 V, 18 to 40 V or 40 to 80 V. This DC voltage is converted in a DC voltage / DC converter 2 , which works as a push-pull flow converter, in a rectified intermediate circuit voltage of 350 V. The output voltage of the DC / DC converter 2 , which is present at an electrolytic capacitor 3 , is the input voltage for an inverter 4 . This consists of a four-way bridge 5 , in the four branches of which a controllable switch T 1 , T 2 , T 3 and T 4 is located. The switches are e.g. B. field effect transistors and each bridged by a diode D 1 , D 2 , D 3 and D 4 in parallel in the inverse direction. The bridge points are labeled A, B, C and D, the DC / DC converter 2 being connected to the bridge points A and C. In the diagonal branch BD of the bridge, starting from the bridge point B between the transistors T 1 and T 4, a series circuit comprising a main choke 6 , a secondary choke 7 and a capacitor 8 is located, which leads to the bridge point D between the transistors T 2 and T 3 . In parallel to the capacitor 8 , two connection points 9 and 10 are provided for a consumer 11 . The voltage between these connection points 9 and 10 is supplied as an actual value to a voltage control circuit 12 , in which the actual value is compared with a setpoint value and the pulse width-modulated drive pulses to the gate electrodes of the transistors T 1 to T in accordance with the difference between these values 4 delivers, so that at the output terminals 9 and 10 of the inverter a sinusoidal output voltage with z. B. an amplitude of 230 V and a frequency of 50 Hz. The drive frequencies for the transistors are in the range of approx. 40 kHz.

Die Hauptdrossel 6 wird wie bei herkömmlichen Wechselrichtern dimensioniert. Mit den obigen Vorgaben beträgt die Induktivität etwa 200 µH bis 1000 µH. Die Nebendrossel 7 ist eine nichtlineare Drossel mit einer sehr großen Induktivität, die für den hier beschriebenen Fall zwischen ca. 10 mH und 100 mH gewählt ist. Mit dieser Nebendrossel erreicht man, daß der Wechsel von dem lückenden in den nichtlückenden Betrieb bereits bei sehr kleinen Strömen von einigen mA stattfindet. Den nichtlückenden Betrieb kann man durch entsprechende Dimensionierung des Kondensators 8, dessen Kapazität mit den obigen Vorgaben zwischen 1 µF und ca. 5 µF gewählt wird, auch im Leerlauf erhalten. Die Nebendrossel verhindert, daß ein lückender Betrieb auftritt, ist jedoch so dimensioniert, daß sie während des üblichen Betriebes des Wechselrichters in die Sättigung geht und wirkungslos wird, wenn allein durch die Hauptdrossel 6 ein nichtlückender Betrieb aufrechterhalten werden kann. The main choke 6 is dimensioned like in conventional inverters. With the above specifications, the inductance is approximately 200 µH to 1000 µH. The secondary choke 7 is a non-linear choke with a very large inductance, which is chosen between approximately 10 mH and 100 mH for the case described here. With this secondary choke it is achieved that the change from intermittent to non-intermittent operation takes place even at very low currents of a few mA. The non-intermittent operation can also be obtained when the capacitor 8 is dimensioned appropriately, the capacitance of which is selected between 1 μF and approx. 5 μF with the above specifications. The secondary choke prevents intermittent operation, but is dimensioned such that it goes into saturation during normal operation of the inverter and becomes ineffective if the intermittent operation can be maintained by the main choke 6 alone.

Ein Vorteil des beschriebenen Wechselrichters liegt auch darin, daß Energie auch vom Verbraucher 11 zum Wechselrichter zurückfließen kann. Bezeichnet man die Brückenpunkte, die mit dem DC/DC-Gleichrichter verbunden sind mit A und C und die Brückenpunkte der Brückendiagonale mit B und D, so fließt während der positiven Halbwelle Energie vom Wechselrichter zum Verbraucher, wenn die Transistoren T1 und T3 leitend sind, und zwar über den Weg A, T1, B, Verbraucher 11, D, T3 und C. Bei der negativen Halbwelle, wenn die Transistoren T2 und T4 leitend sind, fließt Energie vom Wechselrichter zum Verbraucher längs des Weges A, T2, D, Verbraucher 11, B, T4 und C.Another advantage of the inverter described is that energy can also flow back from the consumer 11 to the inverter. If one designates the bridge points that are connected to the DC / DC rectifier with A and C and the bridge points of the bridge diagonal with B and D, energy flows from the inverter to the consumer during the positive half-wave if the transistors T 1 and T 3 are conductive are, namely via path A, T 1 , B, consumers 11 , D, T 3 and C. In the negative half-wave, when the transistors T 2 and T 4 are conductive, energy flows from the inverter to the consumer along path A. , T 2 , D, consumers 11 , B, T 4 and C.

Wenn der Verbraucher 11 eine komplexe Last ist, so gibt es jedoch noch Zusatzfunktionen des Steuer- und Regelkreises 12, mit denen eine Rückspeisung der Energie vom Verbraucher zum Wechselrichter möglich ist.If the consumer 11 is a complex load, there are, however, additional functions of the control and regulating circuit 12 with which the energy can be fed back from the consumer to the inverter.

Während der positiven Halbwelle fließt Energie vom Verbraucher 11 zum Wechselrichter, wenn der Transistor T4 bei passendem Tastverhältnis leitend wird, und zwar über den Weg Verbraucher 11, B, T4, C, T3, D, Verbraucher 11. In dieser Stromschleife wird die Energie in den Drosseln 6 und 7 zwischengespeichert.During the positive half-wave, energy flows from the consumer 11 to the inverter when the transistor T 4 becomes conductive with a suitable pulse duty factor, namely via the route consumer 11 , B, T 4 , C, T 3 , D, consumer 11 . The energy in chokes 6 and 7 is buffered in this current loop.

In der durch das Tastverhältnis bedingten Sperrphase des Transistors T4 wird automatisch die Diode D1 leitend. Dadurch wird die vorher in den Drosseln zwischengespeicherte Energie in den Kondensator 3 umgelagert, so daß sich eine Stromschleife zwischen der Diode D1, A, Kondensator 3, C, D3, zurück zum Verbraucher 11 und den Drosseln 6 und 7 ergibt. In the blocking phase of the transistor T 4 due to the pulse duty factor, the diode D 1 automatically becomes conductive. As a result, the energy previously stored in the chokes is transferred to the capacitor 3 , so that there is a current loop between the diode D 1 , A, capacitor 3 , C, D 3 , back to the consumer 11 and the chokes 6 and 7 .

Wahrend der negativen Halbwelle kann Energie vom Verbraucher zum Wechselrichter fließen, wenn der Transistor T3 bei passendem Tastverhältnis leitend wird. Es ergibt sich eine Stromschleife vom Verbraucher 11 über D, T3, C, D4, B, 6, 7, zum Verbraucher 11 zurück. Die Energie vom Verbraucher wird in den Drosseln 6 und 7 zwischengespeichert.During the negative half-wave, energy can flow from the consumer to the inverter if the transistor T 3 becomes conductive with a suitable duty cycle. A current loop results from consumer 11 via D, T 3 , C, D 4 , B, 6 , 7 , back to consumer 11 . The energy from the consumer is temporarily stored in chokes 6 and 7 .

In der Sperrphase des Transistors T3, bedingt durch das Tastverhältnis, wird dann automatisch die Diode D2 zusätzlich leitend. Dadurch wird die vorher in den Drosseln zwischengespeicherte Energie in den Kondensator 3 umgelagert. Es ergibt sich eine Stromschleife vom Verbraucher 11 über D, D2, A, 3, C, D4, B, 6 und 7, zurück zum Verbraucher 11.In the blocking phase of the transistor T 3 , due to the pulse duty factor, the diode D 2 then automatically becomes additionally conductive. As a result, the energy previously stored in the chokes is transferred to the capacitor 3 . A current loop results from consumer 11 via D, D 2 , A, 3 , C, D 4 , B, 6 and 7 , back to consumer 11 .

In Fig. 2 ist ein Schaltnetzteil dargestellt, daß demjenigen gemäß Fig. 1 ähnelt, wobei jedoch die Ausführung der Haupt- und Nebendrossel 6′ bzw. 7′ modifiziert ist. In Fig. 2 sind schematisch nur der Akku 1, der DC/DC-Wandler 2, der Elektrolytkondensator 3, an dem die Zwischenkreisspannung anliegt, und die Brücke 5 mit der Spannungsregelschaltung 12 dargestellt. Diese Schaltungselemente sind entsprechend Fig. 1 aufgebaut. Die Haupt- und Nebendrosseln 6′ und 7′ sind jeweils aus zwei Einzelspulen 61 und 62 bzw. 71 und 72 zusammengesetzt. Die Einzelspulen 61 und 62 der Hauptdrossel 6′ sind auf einen gemeinsamen Kern 63 als Doppeldrossel gewickelt, wohingegen die Nebendrosseln 71 und 72 getrennt ausgeführt sind. Zwischen den Einzelspulen 61 und 71 bzw. 62 und 72 erfolgt noch ein dynamischer Spannungsabgriff für den Spannungsregelkreis 12. In Fig. 2, a switching power supply is shown that is similar to that of FIG. 1, but the design of the main and secondary chokes 6 'and 7 ' is modified. In Fig. 2 only the battery 1 , the DC / DC converter 2 , the electrolytic capacitor 3 , to which the intermediate circuit voltage is present, and the bridge 5 with the voltage control circuit 12 are shown schematically. These circuit elements are constructed in accordance with FIG. 1. The main and secondary chokes 6 'and 7 ' are each composed of two individual coils 61 and 62 or 71 and 72 . The individual coils 61 and 62 of the main choke 6 'are wound on a common core 63 as a double choke, whereas the secondary chokes 71 and 72 are designed separately. Between the individual coils 61 and 71 or 62 and 72 there is still a dynamic voltage tap for the voltage control circuit 12 .

Die Zeichnungen und die Beschreibung sind selbstverständlich schematisch. So ist es möglich, daß die erwähnten Transistoren jeweils Leistungstransistoren mit vorgeschalteten Treiberstufen sind. Außerdem sind weitere Siebkondensatoren und Drosseln zur Glättung und Feinfilterung der Ausgangsspannung möglich.The drawings and description are of course, schematically. So it is possible that the transistors mentioned are each power transistors with upstream driver stages. Also are further filter capacitors and chokes for smoothing and Fine filtering of the output voltage possible.

Claims

1.Inverters with a four-way or H-bridge, in the four branches of which there is a controlled switch bridged with a diode and in the diagonal branch of which there is a choke and a capacitor, and with a control circuit for the switches, whereby a DC voltage to be converted into an AC voltage is applied to the two bridge points not connected to the diagonal branch and the output voltage for a consumer is taken along the capacitor, characterized in that the choke ( 6 , 7 ) is divided into a first choke (main choke 6 ) and a serially connected second non-linear choke (secondary choke 7 ) and that the inductance of the secondary choke ( 7 ) is dimensioned such that this choke acts when the main choke ( 6 ) is in intermittent operation and is saturated as soon as the main choke ( 6 ) passes from the failing to the failing operation.

2. Inverter according to claim 1, characterized in that the secondary choke ( 7 ') is divided into two individual coils ( 71 , 72 ) which are in the current path before or after a connected consumer ( 11 ).

3. Inverter according to claim 2, characterized in that the main inductor ( 6 ') is a double inductor from two individual coils ( 61 , 62 ) which are wound on a common core ( 63 ), and in that the individual coils ( 71 , 72 ) Secondary choke ( 7 ') each in the current path between the individual coils ( 61 , 62 ) of the main choke ( 6 ') and the consumer ( 11 ).

4. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary choke ( 7 , 7 ') in the region of the intermittent operation of the main choke ( 6 , 6 ') has a greater inductance than the main choke ( 6 , 6 ').