7.5 Durchflusswandler in Vollbrückenschaltung

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1 7.5 urchflusswandler in Vollbrückenschalung Wir haben in Abschni.3.3 bereis kurz den urchflusswandler in Vollbrückenschalung besprochen und als Voreile gegenüber Ein- und Zweischaler- Topologie e Verringerung der Baugrösse des Magnekernes des Transformaors und der Ausgangsindukiviä bzw. allgemein e höhere Koninuiä des Leisungsransfers von der Primär- auf e Sekundärseie erkann. Aufgrund des breien Einsazes der Schalung für C/C-Konverer höherer Leisung wollen wir nachfolgend das Beriebsverhalen der Sysems noch genauer sueren. Wir gehen dabei von einer Vollbrückenschalung mi konvenioneller, d.h. nich überlappender Seuerung der Schaler einer Brückenhälfe aus und überlegen den Einfluss der Sreuindukiviä und des Magneisierungssromes auf das Beriebsverhalen. ie sekundärseiige Gleichrichung is dabei in Vollbrückenschalung realisier. Ferner überlegen wir alernaive Ausführungsformen des sekundärseiigen Schalungseiles des Konverers in Form der Halbbrücken- Gleichricherschalung und des Curren-oubler-Recifier. Abschliessend werden wir uns der in der heuigen echnischen Praxis vorherrschenden, in der zumeis angloamerikanischen Fachlieraur als Zero-Volage-Transiion Full Bridge C/C April 004

2 urchflusswandler in Vollbrückenschalung Converer bezeichneen Ausführungsform der Vollbrückenschalung zuwenden welche durch eine überlappende Anseuerung der Leisungsransisoren einer Brückenhälfe gekennzeichne is Beriebsverhalen uner Berücksichigung der Sreuung und des Magneisierungssromes Sekundärseiige Brückengleichrichung Für konvenionelle Seuerung des C/C-Konverers in Vollbrückenschalung werden wie in Fig..9 gezeig abwechselnd jeweils e agonal gegenüberliegenden Leisungsransisoren T und T bzw. T und T durchgeschale und dami eine symmerische Wechselspannung u P an e Primärwicklung des Transformaors geleg. Zwischen den Leiinervallen verbleiben sämliche Transisoren gesperr. Es sell sich dami e Frage nach dem Pfad des Magneisierungssromes innerhalb der Sperrinervalle bzw. allgemein nach der Reakion des Transformaors auf e Unerbrechung des über e Sreuindukiviä fliessenden Primärsromes. Für e folgenden Überlegungen ersezen wir den Transformaor durch ein einfaches, auf e Primärseie bezogenes, aus Sreuindukiviä L σ =σ.l und Magneisierungsindukiviä L µ = (σ).l besehendes Ersazschalbild, berachen Primär- und Sekundärseie als rek galvanisch gekoppel und wählen vereinfachend e Sekundärwindungszahl gleich der Primärwindungszahl, N =N. Weiers sezen wir einen Berieb des Konverers bei hinreichend hoher Ausgangsleisung voraus, sodass koninuierlicher Sromfluss in der Ausgangsindukiviä vorlieg. T i P U C S u P L µ u T T T L σ L a) U Fig..9(a): urchflusswandler in Vollbrückenschalung mi ausgangsseiiger Brückengleichrichung bei Berücksichigung der Sreuung und der nichidealen Kopplung des Transformaors und Weglassung der Poenialrennung von Primär- und Sekundärseie bzw. Annahme von N =N. ipes-ecpe

3 7. Poenialgerenne C/C Konverer 54 s,s s,s u p, U = 0 µ µ = TP 0 i p, i P u u U i u i T u T i u i T U U u T Fig..9(b): Srom- und Spannungsverhälnisse für konvenionelle Seuerung, d.h. efiniion der Breie der an e Trafo-Primärseie gelegen Spannungsblöcke durch e relaive Einschaldauer der in der Brücke agonal gegenüberliegenden Leisungsransisoren (Anseuersignale s ij, s ij = wird für den Leizusand, s ij =0 für den Sperrzusand von T ij gesez). b) April 004

4 urchflusswandler in Vollbrückenschalung Charakerisische Srom- und Spannungsverläufe des Konverers sind in Fig..9(b) angegeben. Sind e Leisungsransisoren T und T durchgeschale, weis e Primärspannung posiives Vorzeichen auf, u P =U, ensprechend seigen der Magneisierungssrom und der Srom in der Ausgangsindukiviä, für den Transisorsrom gil i T =i T =. Werden T und T im = 0 abgeschale, erzwing e Sreuindukiviä einen koninuierlichen primärseiigen Sromfluss, d.h. es bau sich über L σ ensprechend der Sromabnahme eine Spannung derar auf, dass e Freilaufoden und leiend werden bzw. e Trafoprimärspannung ihr Vorzeichen umkehr. Nach Abmagneisierung der Sreuindukiviä fäll u P in auf den Wer Null zurück bis in durch urchschalen von T und T eine negaive Spannung u P =U an den Transformaor geleg wird. ie Verhälnisse sind im eail Fig..0 zu ennehmen. Unmielbar vor = 0 gil das Ersazschalbild Fig..0(b), Sreuindukiviä und Ausgangsindukiviä L liegen über e sekundärseiigen ioden und in Serie wobei der Ausgangssrom als in erser Näherung durch e Ausgangsindukiviä L eingepräg angenommen werden kann. Mi dem Abschalen von T und T spring e Primärspannung wie vorgehend überleg auf u P =U, ensprechend L >> L σ würde ese Spannung überwiegend an L, d.h. am Eingang der iodenbrücke aufreen. ies is jedoch nich möglich, da bei leiender iode e bisher nich sromführende iode (bzw. bei leiender iode e iode ) das Aufreen eines negaiven Spannungsweres verhinder (e ioden seien im Sinne der Einfachhei als ideal, d.h. ohne Flussspannungsabfall und parasiären urchlasswidersand angenommen). Für e Gleichrichereingangsspannung und dami für e Spannung an der Magneisierungsindukiviä gil also u µ 0, der Magneisierungssrom bleib dami unveränder und e Magneisierungsindukiviä kann durch eine Sromquelle ersez gedach werden. Für e Abnahme des Sromes in L σ wird e gesame Eingangsspannung wirksam, es gil P U d L σ =. (.46) Mi sich verringerndem Eingangssrom des Transformaors muss nun ein Umvereilung des Sromes in der Gleichricherbrücke derar safinden, dass e Konsanz des Ausgangssromes und des Magneisierungssromes gewährleise is. Weis man den iodenzweigen kleine parasiäre Leiungsindukiviäen L l 0 zu wird deulich, dass für konsanen Srom für e zeiliche Änderung der iodensröme d = d = d = d (.47) gil (siehe Fig..0(c), u P is in physikalisch posiiver Richung eingeragen). ie für e Sromänderung erforderliche Spannung u µ kann dabei aufgrund L l 0 in erser Näherung vernachlässig werden. ipes-ecpe

5 7. Poenialgerenne C/C Konverer 56 L N iµ N u P u U N N a) L σ i P L µ u P u µ u b) L σ i P u P P d uµ 0 L l P d c) u P = 0 d) Fig..0: Zur Analyse des Sysemverhalens nach Abschalen von T und T ; (a) Transformaor und sekundärseiiger Schalungseil; (b) vor Sperren von T und T güliges Ersazschalbild; (c) in = 0 güliges Ersazschalbild; (d) sekundärseiige Sromvereilung in =. Mi i i = il (.48) und i = ip i iµ = ip i (.49) April 004

6 urchflusswandler in Vollbrückenschalung folg somi (.50) = i ( ) = P i L i i bzw. d = d = d P (.5) (siehe Fig..(b)). Nach der Abmagneisierung der Sreuindukiviä in (Verschwinden der negaiven Primärspannung) führen also beide Zweige der iodenbrücke Srom; der Magneisierungssrom behäl einen konsanen Wer und fliess nun sekundärseiig in der in Fig..0(d) gezeigen Form zu gleichen Teilen über e ioden der oberen und uneren Brückenhälfe, ri also in und engegen der Venilrichung auf, wobei aufgrund unserer Annahme hohen Ausgangssromes jedoch ein resulierender Srom in iodenvorwärsrichung verbleib (siehe Fig..). Ensprechend gil für e Primärspannung u P =0; bei gleicher Sperrcharakerisik komm über jedem Leisungsransisor e halbe Eingangsspannung als Sperrspannung zu liegen (siehe Fig..9(b)). er Srom sink ensprechend der Abmagneisierung der Ausgangsindukiviä gegen U. u p =U u p i p 0 3 u U U i i i L 0 3 a) b) Fig..: Sekundärseiige Sromvereilung in =, der in 0 besehende (und bis = 3 konsane) Fluss im Magnekern des Transformaors wird durch einen Srom in der Sekundärwicklung erreg; für unerschiedliche Windungszahlen von Primär- und Sekundärwicklung gil,0.n =,.N. Wird in e Eingangsspannung U in negaiver Richung an e Primärwicklung geleg, bleib der Kurzschluss der Sekundärwicklung über e Gleichricherbrücke vorers besehen. er Primärsrom wird in negaiver Richung über e Sreuindukiviä aufgebau, ensprechend der Zunahme von i P wird Srom aus den ioden und und lezlich der Magneisierungssrom auf e Primärseie ipes-ecpe

7 7. Poenialgerenne C/C Konverer 58 übernommen. Is der Sromübergang in 3 abgeschlossen, komm am Eingang der Gleichricherbrücke näherungsweise e gesame Primärspannung (Spannungseilung zwischen L σ und L) in negaiver Richung zu liegen, e ioden und sperren, e ioden und führen den erneu anseigenden Srom. ie für e Aufmagneisierung der Sreuindukiviä erforderliche Spannungszeifläche fehl am Ausgang des Brückengleichrichers, es ri eine sromabhängige Verringerung des Tasverhälnisses auf, welche bei geseuerem Berieb des Konverers zu einer geringfügigen Abnahme der Ausgangsspannung mi seigendem Ausgangssrom führ und durch einen fikiven, von L σ abhängigen Innenwidersand beschrieben werden kann (Analogie zur Lasabhängigkei der Ausgangsspannung nezgeführer Sromricher zufolge der Kommuierungsindukiviä). Fig..: Sromvereilung in der sekundärseiigen iodenbrückenschalung in = Sekundärseiige Mielpunksschalung Für sekundärseiige Vollbrückenschalung wird e Sperrspannung einer iode (bei Vernachlässigung von Schalüberspannungen) durch e einfache Gleichricherausgangsspannung u=u.n /N besimm, allerngs liegen bei Leisungsüberragung von der Primär- auf e Sekundärseie ses zwei ioden im Haupsrompfad womi relaiv hohe Leiverluse resulieren. ie Schalung wird daher insbesondere für hohe Ausgangsspannungen (yp. grösser 00V) eingesez. er in erser Näherung konsane ioden-urchlassspannungsabfall nimm dabei einen geringeren Einfluss auf den Konvererwirkungsgrad als für kleine Ausgangsspannung; wird der Konverer als mi Ausnahme der iodendurchlassspannung U F verlusfrei berache gil ja für den Wirkungsgrad η = P U. I L = P ( U U F ) I L U F = ( ) U F U ( ) U (U F /U <<, U bezeichne e Gleichricher-Ausgangsspannung). (.5) April 004

8 urchflusswandler in Vollbrückenschalung ie Wirkungsgradverringerung is also gleich der zweifachen relaiven (auf e Ausgangsspannung U bezogenen) ioden-urchlassspannung. Bei kleinen Ausgangsspannungen bzw. hohen Ausgangssrömen is daher sinnvoll eine Gleichricherschalung einzusezen, für welche der Ausgangssrom (mi Ausnahme der Freilaufinervalle) nur über eine iodensrecke geführ wird. Eine Gleichricherschalung mi einer iode im Haupsrompfad is uns vom Einschaler-urchflusswandler bekann. Um für beide Polariäen der Primärspannung Leisung an e Sekundärseie überragen zu können, sind, wie in Fig..3 gezeig, zwei Gleichrichersufen mi ensprechender Verschalung der Wicklungen zu kombinieren. Für posiive Primärspannung u P >0 is dann N und für u P <0 e Wicklung N sromführend. Anselle von zwei gerennen Ausgangsindukiviäen L, L kann nun eine gemeinsame Ausgangsindukiviä angeordne werden, womi auch eine Freilaufode (z.b. F ) enfallen kann (siehe Fig..3(b)). Wird nun noch e Freilaufode F weggelassen, resulier nach Umzeichnung e bekanne Mielpunks- Gleichricherschalung (N =N, siehe Fig..3(c)). er Übergang von der Vollbrücken- auf e Mielpunksschalung ha eine Verdopplung der Sperrspannungsbeanspruchung der Gleichricheroden als Konsequenz, z.b. komm ja an beeien von e Summe der Ausgangsgleichspannung u und der an N aufreende Spannung, d.h. bei Vernachlässigung der Flussspannung von e Spannung u = u N u N = u (N =N ) zu liegen. Ineressan is, wie für e Vollbrücken-Gleichricherschalung (siehe Abschni.5..) des Sysemverhalen nach dem Abschalen von T und T in = 0 zu überlegen. Wir ersezen hiefür, wie in Fig..4(b) dargesell, den Transformaor wieder durch ein Ersazschalbild, besehend aus Sreuindukiviä, Magneisierungsindukiviä und idealem Transformaor (sreuungsfrei, kein Magneisierungssrom) um e Sromaufeilung auf e sekundärseiigen Teilwicklungen unersuchen zu können. ie Magneisierungsindukiviä is zur einfachern arsellung der Verhälnisse sekundärseiig angeordne, weiers sezen wir im Sinne der Übersichlichkei wieder N =N =N voraus. Kurz vor = 0 (siehe Fig..4(e)) wird der auf e Sekundärseie ransformiere Primärsrom über geführ, lieg an Sperrspannung. Mi dem Abschalen von T und T in 0 kehr sich, wie für e Vollbrückenschalung beschrieben, das Vorzeichen der Primärspannung um, eine Vorzeichenumkehr der inneren Trafospannung u µ wird durch das Leiendwerden von verhinder, es gil somi u µ 0, e Magneisierungsindukiviä kann daher wieder durch eine Sromquelle ersez gedach werden. ipes-ecpe

9 7. Poenialgerenne C/C Konverer 60 L N F u P L N F a) L F F b) N L u N N =N c) Fig..3: Ableiung der Mielpunks- Gleichricherschalung (c) ausgehend von der Kombinaion von Einschaler-urchflusswandler Ausgangssufen (a) für Energieüberragung bei beiden Polariäen der Trafoprimärspannung. Gemäss der Enmagneisierung der Sreuindukiviä sink nun der Primärsrom, ensprechend dem urchfluungsgleichgewich des idealen Transformaors geh somi auch der Srom in N zurück. a Lassrom und Magneisierungssrom jedoch weier über den Mielpunk der Sekundärwicklung zugeführ werden, muss ein Sromaufbau in N erfolgen. Wie uner Berücksichigung geringer Verdrahungsindukiviäen in den iodenzweigen (bzw. von, durch nich ideale Kopplung von N und N resulierenden Sreuindukiviäen) deulich wird, gil dabei d d oder = (.53) April 004

10 6 7.5 urchflusswandler in Vollbrückenschalung d N d N = (.54) und mi Rücksich auf das urchfluungsgleichgewich bei gleichen Windungszahlen aller Wicklungen, N=N =N, d N d = d N P. (.55) L i P i p N u p N i i N a) i p 0 e) i p L σ L µ u p * b) L l u p * i p L σ P d P d u µ 0 P d L l c) u p i p il d) Fig..4: Leizusände (b) und (c) und charakerisische Sromverläufe der Mielpunksschalung während der Abnahme des Primärsromes auf Null; (e) zeig e ab = vorliegende Sromvereilung. Nach vollsänger Enmagneisierung der Sreuindukiviä verbleib dami e in Fig..4(d) gezeige Sromvereilung, der Ausgangssrom wird gegensinnig ipes-ecpe

11 7. Poenialgerenne C/C Konverer 6 symmerisch über beide Sekundärwicklungen geführ und is dami nich durchfluungsbildend, der Magneisierungssrom kann als gleichsinnig über beide Wicklungseile fliessend gesehen werden. Gesam ri somi e in Fig..5 gezeige sekundärseiige Sromvereilung auf, der Magneisierungssrom komm durch eine geringe, einer resulierende urchfluung bewirkende Asymmerie der Vereilung des Lassromes auf e iodenzweige zum Ausdruck. Fig..5: Vereilung des Ausgangssromes in der Mielpunksschalung nach Abnahme des Primärsromes auf Null Curren oubler Recifier ie Mielpunks-Gleichricherschalung weis den Voreil eines geringen urchlassspannungsabfalls auf, insbesondere bei hohen Srömen is jedoch e Mielanzapfung schwierig auszuführen. Weiers räg ses nur eine der Sekundärwicklungen den Lassrom, womi gegenüber der Vollbrückenschalung eine eine geringere Ausnuzung des Kupferquerschnies gegeben, bzw. für gleiche Wicklungsverluse eine Erhöhung des Plazbedarfs der Sekundärwicklung bzw. der Baugrösse des Transformaors resulier. (Für eine Vollbrückenschalung mi sekundärseiigem Sromeffekivwer I is bei gegebener Sromche S rms ein Kupferquerschni A Cu, für e Mielpunksschalung gesam.a Cu / = A Cu vorzusehen; es ergeben sich dann in beiden Fällen gleiche Kupferverluse). Wir wollen daher wieder ausgehend von der Kombinaion von Ausgangssufen eines Einschaler-urchflusswandlers (siehe Fig..6(a)) überlegen, ob e Möglichkei einer Ausführung der sekundärseiigen Gleichrichung mi nur einer Transformaor-Sekundärwicklung beseh, wobei der Voreil der Sromführung über nur eine iodensrecke beibehalen werden soll. urch Umzeichnen von Fig..6(a) folg Fig..6(b). Nehmen wir koninuierlichen Sromfluss in den Ausgangsindukiviäen an, wird für posiive Primärspannung u P >0 e iode den Srom und e Freilaufode F den Srom führen. Ensprechend sind für u P <0 e ioden und F sromführend, April 004

12 urchflusswandler in Vollbrückenschalung zwischen den Schalungspunken und ri dami eine pulsfrequene Wechselspannung auf. iese Wechselspannung kann allerngs erheblich einfacher als mi der Schalungsanordnung nach Fig..6(b) erzeug werden, wir brauchen nur e Sekundärwicklung rek an e Schalungspunke und zu legen. ami is eine überaus einfache, in der Fachlieraur uner der Bezeichnung Curren oubler Recifier eingeführe Schalungssrukur gefunden, e i.a. wie in Fig..6(d) gezeig dargesell wird. as Beriebsverhalen der Schalung werden wir weier unen näher skuieren. Eine durch Verauschen der sekundärseiigen ioden und Indukiviäen zu erhalende Ausführungsvariane des Curren oubler Recifier is in Fig..6(f) angegeben. er Srom in L und L fliess dabei in der durch Srombezugspfeile gekennzeichneen Richung. Für posiive Primär- bzw. Sekundärspannung wird in urchlass- und in Sperrrichung gepol. Ensprechend enmagneisier sich L über gegen e Ausgangsspannung. er Srom wird über e Trafosekundärwicklung und e iode in e Ausgangskapaziä geführ und nimm aufgrund der e Ausgangsspannung überwiegenden Trafosekundärspannung zu. Im Sinne der Kürze wollen wir eine nähere iskussion auf e Schalung nach Fig..6(d) beschränken. Wir legen hierbei wieder eine Seuerung des Konverers mi konvenioneller Pulsbreienmodulaion zugrunde, vernachlässigen e das Beriebsverhalen nich rek beeinflussende Sreuindukiviä und e Magneisierungsindukiviä des Transformaors und wählen vereinfachend wieder N =N (siehe Fig..7). An der Sekundärwicklung ri dann e von der Vollbrückenschalung bekanne Spannungsform u=u P auf. urch u >0 wird gesperr, ensprechend muss über und e Trafosekundärwicklung geführ werden, weiers übernimm den gegen e Ausgangsspannung fliessenden Srom. a u e Ausgangsspannung U überwieg nimm zu bis in = 0 e primärseiigen Leisungsransisoren abgeschale werden. Bei negaiver Sekundärspannung bzw. bei Sperren von kehren sich e Verhälnisse um, nun wird erhöh, und der Srom in L gegen e Ausgangsspannung abgebau. Resulierend wird der Ausgangssrom also durch zwei gleich grosse Teilsröme gebilde (Curren oubler Recifier) deren schalfrequene Schwankungen eine Phasenverschiebung um eine halbe Takperiode T P aufweisen. ie einfach schalfrequenen Harmonischen der Sromschwankungen sind also gegenphasig und löschen sich im Gesamsrom aus, womi eser wie bei der Mielpunks- und Vollbrückengleichrichung einen Rippel mi zweifacher Takfrequenz zeig. Wie man leich überleg werden e Ausgangsoden mi gleicher Sperrspannung wie bei der Mielpunksschalung beanspruch. ipes-ecpe

13 7. Poenialgerenne C/C Konverer 64 F U u P F a) F u P F b) c) e) L L L L d) f) Fig..6: Ableiung der Schalungsopologien (d) und (f) eines Curren oubler Recifier ausgehend von der Kombinaion (a) der Gleichricherschalungen eines Einschaler-urchflusswandlers für Energieüberragung bei beiden Polariäen der Trafoprimärspannung. April 004

14 urchflusswandler in Vollbrückenschalung i u L U i P u P u U u L s,s s,s u p u p = u µ = 0 µ = TP i p i P 0 u L U U U u L U U U Fig..7: Beriebsverhalen des Curren oubler Recifier nach Fig..6(d). ipes-ecpe