DE4441491A1 - Control of single-phase bridge inverter circuit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Ventile eines einphasigen Wechselrichters in Brückenschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for controlling the Valves of a single-phase inverter in a bridge circuit according to the preamble of claim 1.
Ein solcher einphasiger Wechselrichter ist einsetzbar als Teil eines Gleichstromumrichters mit Spannungszwischenkreis.Such a single-phase inverter can be used as part a DC converter with a DC link.
In Fig. 3 ist ein Block-Ersatzschaltbild eines Gleichstromum richters dargestellt. Eine Energiequelle 1 liefert dabei eine Eingangsgleichspannung Ui. Vier Ventile V1 bis V4 bilden einen Wechselrichter. Weitere Komponenten der Umrichteranordnung sind ein Kondensator Cs, ein Transformator 2 mit dem Übersetzungsver hältnis nl, ein Gleichrichter 3 und ein Filter 4, die hier im Zusammenhang mit der Erfindung keiner weiteren Erläuterung be dürfen. Die Energie durchläuft in der Umrichteranordnung nach einander von der Energiequelle 1 aus den Wechselrichter V1 bis V4, den Transformator 2, den Gleichrichter 3, das Filter 4 zu einem Ausgang 5, an den eine Last als Energiesenke anschließbar ist. Mit ia ist der Ausgangsstrom, mit ua die Ausgangsspannung bezeichnet. Bei entsprechender Ausführung des Gleichrichters 3 ist auch eine Umkehr der Energieflußrichtung möglich. In prak tisch realisierten Wechselrichtern sind die Ventile V1 bis V4 als Leistungshalbleiterbauelemente ausgeführt. In Fig. 3 a block equivalent circuit diagram of a DC converter is shown. An energy source 1 supplies an input DC voltage U i . Four valves V1 to V4 form an inverter. Other components of the converter arrangement are a capacitor C s , a transformer 2 with the translation ratio n l , a rectifier 3 and a filter 4 , which may not be further explained here in connection with the invention. The energy passes in the converter arrangement one after the other from the energy source 1 from the inverters V1 to V4, the transformer 2 , the rectifier 3 , the filter 4 to an output 5 , to which a load can be connected as an energy sink. With i a is the output current, with u a the output voltage. With a corresponding design of the rectifier 3 , a reversal of the energy flow direction is also possible. In practically implemented inverters, the valves V1 to V4 are designed as power semiconductor components.
Als Verfahren zur Steuerung der Ventile V1 bis V4 in der darge stellten Brückenschaltung sind eine "asymmetrische Steuerung" und eine "Phasensteuerung" bekannt (vgl. hierzu P. Imbertson and N. Mohan: "Asymmetrical Duty Cycle Permits Zero Switching Loss in PWM Circuits with No Conduction Loss Penalty", IEEE/IAS 1991, und R.A. Fisher, K.D.T. Ngo and M.H. Kuo: "A 500 kHz, 250W DC.DC Converter with multiple outputs controlled by phase-shifted PWM and magnetic amplifiers", HFPC Proceedings, pp. 100-110, May 1988).As a method for controlling the valves V1 to V4 in the Darge bridge circuit are an "asymmetrical control" and a "phase control" is known (cf. P. Imbertson and N. Mohan: "Asymmetrical Duty Cycle Permits Zero Switching Loss in PWM Circuits with No Conduction Loss Penalty ", IEEE / IAS 1991, and R.A. Fisher, K.D.T. Ngo and M.H. Kuo: "A 500 kHz, 250W DC.DC Converter with multiple outputs controlled by phase-shifted PWM and magnetic amplifiers ", HFPC Proceedings, pp. 100-110, May 1988).
Anhand von Fig. 4 wird das Prinzip der asymmetrischen Steuerung einer Brücke erläutert.The principle of asymmetrical control of a bridge is explained with reference to FIG. 4.
Fig. 4 zeigt ein Ansteuersignal für ein Ventil, wobei die Ein schaltdauer für ein Ventil während einer Periode dargestellt ist. Das Ansteuersignal ist über dem Verhältnis der Zeit t zur Periodendauer T aufgetragen. Als Tastverhältnis D ist das Ver hältnis von Einschaltdauer/Periodendauer definiert. Fig. 4 shows a control signal for a valve, the on time for a valve is shown during a period. The control signal is plotted against the ratio of the time t to the period T. The duty cycle D / duty cycle is defined as the duty cycle D.
Ausgehend von der Ventilbezeichnung in Fig. 3 bilden jeweils die ersten und zweiten Ventile V1 und V2 sowie die dritten und vier ten Ventile V3 und V4 einen Brückenzweig, wobei sich die zweiten und dritten Ventile V2, V3 bzw. ersten und vierten Ventile V1, V4 in der Brückenschaltung diagonal gegenüberliegen.Based on the valve designation in FIG. 3, the first and second valves V1 and V2 and the third and fourth valves V3 and V4 form a bridge branch, the second and third valves V2, V3 and first and fourth valves V1, V4 are diagonally opposite in the bridge circuit.
Das asymmetrische Steuerungsverfahren ist durch folgende Merkma le gekennzeichnet: Die Ventile eines Brückenzweiges schalten komplementär; diagonal gegenüberliegende Ventile schalten syn chron; für das Tastverhältnis D eines beliebigen Ventils gilt 0D1.The asymmetrical control method is characterized by the following characteristic le marked: Switch the valves of a bridge branch complementary; diagonally opposite valves switch syn chron; applies to the duty cycle D of any valve 0D1.
Als Gleichspannungsverhältnis M des Umrichters ist das Verhält nis der Ausgangsspannung ua/Eingangsspannung Ui definiert. Das Gleichspannungsverhältnis M des Umrichters wird durch alleinige Variation des Tastverhältnisses D beeinflußt. Dies entspricht einer Pulsbreitenmodulation. Die Bezeichnung "asymmetrische Steuerung" rührt daher, daß im allgemeinen die Ventile eines Stromrichterzweiges verschiedene Einschaltdauern besitzen. Für den Fall idealisierter Bauelemente gilt für das Gleichspannungs verhältnisThe ratio of the output voltage u a / input voltage U i is defined as the DC voltage ratio M of the converter. The DC voltage ratio M of the converter is influenced by variation of the duty cycle D alone. This corresponds to pulse width modulation. The term "asymmetrical control" stems from the fact that the valves of a converter branch generally have different duty cycles. In the case of idealized components, the DC voltage ratio applies
wobei nl das Übersetzungsverhältnis des Leistungstransformators 2 ist. Der Zusammenhang zwischen M und D ist gemäß vorgenannter Gleichung parabelförmig und demzufolge nicht linear.where n l is the transformation ratio of the power transformer 2 . The relationship between M and D is parabolic according to the aforementioned equation and therefore not linear.
Das sich das Verhalten des Umrichters nicht ändert, wenn D durch (1-D) ersetzt wird, wird im folgenden für das Tastverhältnis 0D0,5 angenommen.That the behavior of the converter does not change when D through (1-D) is replaced below for the duty cycle 0D0.5 accepted.
Das Verfahren der asymmetrischen Steuerung hat nachstehende Nachteile:The asymmetric control method has the following Disadvantage:
- 1. Zur Erzielung kleiner Gleichspannungsverhältnisse muß gemäß Gleichung [1] das Tastverhältnis D reduziert werden. Die Einschaltdauer der diesem Tastverhältnis zugeordneten Ven tile und die Ausschaltdauer der komplementären Ventile wird dann entsprechend kurz. Dies stellt höhere Anforderungen an das Treiberkonzept.1. To achieve small DC voltage ratios must be in accordance Equation [1] the duty cycle D can be reduced. The Duty cycle of the Ven tile and the switch-off time of the complementary valves then short accordingly. This places higher demands the driver concept.
- 2. Die Ventile werden bei Tastverhältissen D≠Q5 ungleichmäßig belastet. Die Hälfte der Ventile muß deshalb unter Umständen überdimensioniert werden.2. The valves are at duty cycles D ≠ Q5 unevenly loaded. Half of the valves must therefore may be oversized.
- 3. Für den Mittelwert des Magnetisierungsstromes ih des Trans formators 2 gilt bei induktiv-kapazitivem Ausgangsfilter 4: 3. The following applies to the mean value of the magnetizing current i h of the transformer 2 in the case of inductive-capacitive output filter 4 :
- Mit kleiner werdendem Tastverhältnis D wächst der Magneti sierungsstrom in unerwünschter weise proportional zum Last strom. Da eine Sättigung des Transformatorkerns vermieden werden muß, begrenzt dieses Verhalten den Ausgangsstrom nach oben und das Gleichspannungsverhältnis M nach unten. As the duty cycle D decreases, the magneti grows current in an undesirably proportional manner to the load electricity. Because saturation of the transformer core is avoided this behavior limits the output current upwards and the DC voltage ratio M downwards.
- 4. Die Welligkeit der Stromrichterspannung ua ist bei identi scher Stromrichterschaltung größer.4. The ripple of the converter voltage u a is greater with an identical converter circuit.
- 5. Ein Zweig des Gleichrichters wird mit größerer maximaler Sperrspannung beaufschlagt. Müssen deshalb dort Dioden mit größerer Sperrspannung eingesetzt werden, senkt dies, wegen der damit verbundenen höheren Flußspannung, den Wirkungs grad des Umrichters.5. A branch of the rectifier becomes larger with a larger maximum Reverse voltage applied. Must therefore have diodes there larger reverse voltage are used, this reduces because the associated higher flux voltage, the effects degree of the converter.
- 6. Für den Kondensator Cs muß ein Typ mit größerer Spannungs festigkeit eingesetzt werden.6. A type with greater dielectric strength must be used for the capacitor C s .
Das zweite bekannte Verfahren, nämlich die phasengesteuerte Brücke wird nachstehend anhand der Fig. 5 erläutert.The second known method, namely the phase-controlled bridge, is explained below with reference to FIG. 5.
Fig. 5 zeigt Ansteuersignale zweier diagonal gegenüberliegender Ventile. Als Phasenverschiebung δ ist die auf die Periodendauer bezogene Zeitdifferenz zwischen den Flanken der Ansteuersignale definiert: Fig. 5 shows control signals of two diagonally opposite valves. The phase difference δ is the time difference between the edges of the control signals related to the period:
Die Arbeitsweise der phasengesteuerte Brücke ist durch nachste
hende Merkmale gekennzeichnet:
Die Ventile V1, V2 bzw. V3, V4 eines Brückenzweigs schalten kom
plementär (wie bei der asymmetrischen Steuerung). Alle Ventile
schalten stets mit dem Tastverhältnis D=0,5. Die Phasenverschie
bung δ liegt im Bereich 0 δ 0,5. Das Gleichspannungsverhält
nis M wird beeinflußt indem die Ansteuersignale der diagonal
gegenüberliegenden Ventile zeitlich gegeneinander verschoben
werden, also durch Änderung der Phasenverschiebung δ. Für den Um
richter mit idealisierten Bauelementen gilt:The mode of operation of the phase-controlled bridge is characterized by the following features:
The valves V1, V2 or V3, V4 of a bridge branch switch complementarily (as with the asymmetrical control). All valves always switch with the duty cycle D = 0.5. The phase shift δ lies in the range 0 δ 0.5. The DC voltage ratio M is influenced by the actuation signals of the diagonally opposite valves being shifted in time relative to one another, that is to say by changing the phase shift δ. The following applies to the converter with idealized components:
Der Zusammenhang zwischen M und δ ist linear. The relationship between M and δ is linear.
Nachteile der Phasensteuerung sind:Disadvantages of phase control are:
- 1. Ein Zweig des Gleichrichters wird mit größerer maximaler Sperrspannung beaufschlagt. Müssen deshalb dort Dioden mit größerer Sperrspannung eingesetzt werden, senkt dies, wegen der damit verbundenen höheren Flußspannung, den Wirkungs grad des Umrichters.1. A branch of the rectifier becomes larger with larger maximum Reverse voltage applied. Must therefore have diodes there larger reverse voltage are used, this reduces because the associated higher flux voltage, the effects degree of the converter.
- 2. Für in=Mmax/Mmin<1,4 ist die Welligkeit des Stromrichteraus gangsspannung ua bei identischer Stromrichterschaltung re lativ groß. Wobei definiert ist Mmin=ua,min/Ui,max und Mmax=uu,max/Ui,min.2. For in = M max / M min <1.4, the ripple of the converter output voltage u a is relatively large with an identical converter circuit. M min = u a, min / U i, max and M max = u u, max / U i, min are defined .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der Ventile eines einphasigen Wechselrichters in Brückenschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet.The invention has for its object a method for Control of the valves of a single-phase inverter in Specify bridge circuit according to the preamble of claim 1 that avoids the disadvantages of the known methods.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.This task is carried out in a method according to the preamble of Claim 1 solved by its characterizing features.
Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung, deren Vorteile sowie Ausgestaltungsmöglichkeiten werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert.A more detailed description of the invention, its advantages as well as design options are described below using the Drawing figures explained.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Ansteuersignale der erfindungsgemäßen asymmetri schen Phasensteuerung, FIG. 1 drive signals of the rule asymmetri phase control according to the invention,
Fig. 2 Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 working range of the method according to the invention,
Fig. 3 Block-Ersatzschaltbild eines Gleichstromumrichters, Fig. 3 is a block diagram of a DC-DC-compensation,
Fig. 4 und 5 Ansteuersignale im Fall der asymmetrischen Steuerung bzw. der Phasensteuerung (Stand der Technik). FIGS. 4 and 5 drive signals in the case of asymmetric control or phase control (prior art).
Das erfindungsgemäße, hier als "asymmetrische Phasensteuerung" bezeichnete Verfahren ist den bekannten Verfahren in wesent lichen Punkten überlegen:The inventive, here as "asymmetrical phase control" designated method is essential to the known method consider points:
- a) Bei gleichen Eingangs- und Ausgangsspezifikationen können im allgemeinen Gleichrichterventile mit niedriger Sperr spannung eingesetzt werden. Das wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad aus, weil damit in der Regel auch die Fluß spannung der Ventile sinkt.a) With the same input and output specifications generally low lock rectifier valves voltage can be used. That has a favorable effect on the Efficiency out, because it usually also means the river valve voltage drops.
- Bei entsprechender Wahl des Arbeitsbereichs existieren zwei ausgeprägte Minima in den Wechselgrößen des Ausgangsfil ters. Auf dieses besondere Verhalten des neuen Steuerver fahrens ist es zurückzuführen, daß die Gesamtinduktivität in den Längszweigen und die Gesamtkapazität in den Quer wegen des Ausgangsfilters vergleichsweise niedrig ausfal len. Einerseits senkt dies den Platzbedarf, den Realisie rungsaufwand und damit die Kosten, während auf der anderen Seite die Gesamtdynamik des Stromrichters zunimmt.If the work area is chosen accordingly, there are two pronounced minima in the alternating variables of the original file ters. On this special behavior of the new tax ver driving it is due to the fact that the total inductance in the longitudinal branches and the total capacity in the cross comparatively low due to the output filter len. On the one hand, this reduces the space required, the realisie expenditure and therefore the costs while on the other Since the overall dynamic of the converter increases.
- c) Ein eventuell erforderliches Eingangsfilter kann aufgrund eines günstigen Formfaktors des Eingangsstromes kleiner di mensioniert werden.c) A possibly required input filter can be due to a favorable form factor of the input current smaller than di be dimensioned.
- d) Die Gleichkomponente des Magnetisierungsstromes im Trans formators ist in einem weiten Arbeitsbereich sehr klein, wodurch sich die Realisierung des Transformators verein facht.d) The DC component of the magnetizing current in the trans formators is very small in a wide work area, whereby the realization of the transformer is combined fold.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist Merkmale der asymmetrischen Steuerung und der Phasensteuerung in Kombination auf.The method according to the invention has features of asymmetrical Control and phase control in combination.
Fig. 1 zeigt Ansteuersignale zweier in einer Brückenschaltung diagonal gegenüberliegender Ventile. Die oben stehende Defini tion zum Tastverhältnis D und der Phasenverschiebung 3 gilt auch für die erfindungsgemäße asymmetrische Phasensteuerung. Außerdem schalten auch bei diesem Verfahren die Ventile eines Brücken zweiges komplementär. Das Gleichspannungsverhältnis M des Strom richters kann durch Variation des Tastverhältnisses D und gleichzeitig der Phasenverschiebung 3 beeinflußt werden. Für den idealisierten Stromrichter gilt somit Fig. 1 shows control signals of two valves diagonally opposite in a bridge circuit. The above definition of the duty cycle D and the phase shift 3 also applies to the asymmetrical phase control according to the invention. In addition, the valves of a bridge branch also switch complementarily in this method. The DC voltage ratio M of the converter can be influenced by varying the duty cycle D and the phase shift 3 at the same time. The following therefore applies to the idealized converter
Fig. 2 zeigt den gegenüber bekannten Verfahren größeren Arbeits bereich des Steuerverfahrens, der sich durch die Variation so wohl der Phasenverschiebung 6, als auch des Tastverhältnisses D ergibt und wobei nachstehende Bedingungen erfüllt sind: Fig. 2 shows the over known methods larger working range of the control method, which results from the variation of the phase shift so well 6, and the duty ratio D and wherein the following conditions are met:
0δ1 und 0D1 [6]0δ1 and 0D1 [6]
Die Arbeitsbereiche der bekannten Verfahren sind als Spezial fälle im Gesamtarbeitsbereich enthalten: Die gestrichelte Gerade A zeigt den Arbeitsbereich der asymmetrischen Steuerung, die ge strichelte Gerade P den Arbeitsbereich der Phasensteuerung.The working areas of the known methods are special cases included in the total work area: the dashed line A shows the working area of the asymmetrical control, the ge Straight line P dashed the working area of the phase control.
Eine außerdem in Fig. 2 eingetragene Gerade S zeigt einen Son derfall des erfindungsgemäßen Verfahrens für den gilt δ=0,5-D.A straight line S also shown in FIG. 2 shows a special case of the method according to the invention for which δ = 0.5-D applies.
Eine Beschränkung auf einen solchen Sonderfall ist aus rege lungstechnischen Gründen günstig. Es ist vorteilhaft, wenn die Regelgröße, hier die Ausgangsspannung nur von einer Stellgröße und dazu noch möglichst linear abhängt. Stellgrößen sind hier die Phasenverschiebung δ und das Tastverhältnis D. Die bevorzugte Abhängigkeit von nur einer Stellgröße ist im Sonderfall δ=0,5-D gegeben, weil dann im Bereich a gilt:A restriction to such a special case is brisk favorable for technical reasons. It is advantageous if the Controlled variable, here the output voltage from only one manipulated variable and also depends as linearly as possible. Control variables are here the phase shift δ and the duty cycle D. The preferred In a special case, dependence on only one manipulated variable is δ = 0.5-D given because then in area a:
Im vorstehenden Sonderfall besitzt die magnetische Flußdichte des Transformatorkerns keine Gleichkomponente. Der Kernquer schnitt kann deshalb kleiner sein und auf einen Luftspalt kann verzichtet werden. Darüber hinaus werden in diesem Sonderfall beide Dioden im Gleichrichter stets gleichmäßig mit Strom beauf schlagt.In the special case above, the magnetic flux density of the transformer core is not a DC component. The core cross cut can therefore be smaller and can cut into an air gap to be dispensed with. In addition, in this special case both diodes in the rectifier are always supplied with current evenly strikes.
Je nach gewähltem Arbeitsbereich der asymmetrischen Phasensteue rung können unterschiedliche Ansteuerschaltungen konzipiert und eingesetzt werden.Depending on the selected work area, the asymmetrical phase control different control circuits can be designed and be used.
Claims (3)
- - jeweils erste und zweite Ventile (V1, V2) bzw. dritte und vierte Ventile (V3, V4) einen Brückenzweig bilden,
- - die zweiten und dritten Ventile (V2, V3) bzw. die ersten und vierten Ventile (V1, V4) in der Brückenschaltung je weils diagonal gegenüberliegen und
- - die Ventile eines Brückenzweigs (V1, V2 bzw. V3, V4) komple mentär schalten,
- first and second valves (V1, V2) and third and fourth valves (V3, V4) form a bridge branch,
- - The second and third valves (V2, V3) and the first and fourth valves (V1, V4) in the bridge circuit each diagonally opposite and
- - switch the valves of a bridge branch (V1, V2 or V3, V4) complementary,
Tastverhältnis D = auf die Periodendauer T bezogene Einschalt dauer eines Ventils, und
Phasenverschiebung δ = die auf die Periodendauer T bezogene Zeit spanne, die zwischen den Einschaltzeitpunk ten diagonal gegenüberliegender Ventile verstreicht. characterized in that an asymmetrical phase control is carried out, in which both the phase shift ( 6 ) and the pulse duty factor (D) are variable with 0δ1 and 0D1, where:
Duty cycle D = duty cycle of a valve, and
Phase shift δ = the time period related to the period T, which elapses between the switch-on times th diagonally opposite valves.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4441491A DE4441491A1 (en) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Control of single-phase bridge inverter circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4441491A DE4441491A1 (en) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Control of single-phase bridge inverter circuit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4441491A1 true DE4441491A1 (en) | 1996-05-23 |
Family
ID=6533827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE4441491A Withdrawn DE4441491A1 (en) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Control of single-phase bridge inverter circuit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4441491A1 (en) |
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- 1994-11-22 DE DE4441491A patent/DE4441491A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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Owner name: ASCOM ENERGY SYSTEMS AG, BERN, CH |
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