AT409568B

Circuits for transforming DC voltages using autotransformations

Abstract

Converter circuits (e.g. Fig. 1) for transforming DC voltages (U1) into DC voltages using an active (S) and a passive (D) semiconductor switch, two capacitors (C1, C2), two inductances (L1, L2), of which one (X) is provided with a tapping (b). There thus result other voltage transformation relationships which in given applications lead to more favourable mark space ratios for the active semiconductor switch and more favourable component loadings (with regard to required current carrying capacity or blocking voltage of the semiconductor elements), making selection of less expensive elements possible. The active switch (S) can be widened by relief networks or by means of quasi-resonance structures and similar software switching structures for reducing switching losses. The use of converter structures in PFCs (power factor correctors) is possible by connecting an upstream rectifier to the single-phase network.<IMAGE>

AT409568B, drawing sheet 1
Sheet 1 of 4

Term

No projected expiry on record.

  1. Priority and filed
  2. Granted
  3. Today

15 claims: 15 independent, 0 dependent

  1. 1
    PATENT CLAIMS:PATENTANSPRÜCHE: 1. Fourth-order converter circuits for converting direct voltages (unipolar voltage) (U,) into a direct voltage (U2) with the help of an active semiconductor switch (S), implemented with a bipolar transistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT (h) or similar, on whose control electrode pulses with a definable duty cycle and frequency are applied, with a passive switch (diode) ( D), as well as two capacitors (C1, C2) and two inductances (L1, L2, X), characterized in that at least one inductance (X) is realized in the form of a coil with a tap in the manner that a node of the underlying converter structure, to which at least two other components are connected in addition to the inductance, is broken down into two sub-nodes, the new partial winding of the tapped inductance is connected between these sub-nodes and the remaining components are distributed over the two sub-nodes, with at least an additional component has to be connected per node. 1. Wandlerschaltungen vierter Ordnung zur Umformung von Gleichspannungen (unipolare Spannung) (U,) in eine Gleichspannung (U2) mit Hilfe eines aktiven Halbleiterschalters (S), ausgeführt mit einem Bipolartransistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT(h) oder ähnlichem, an dessen Steuerelektrode Pulse mit festlegbarem Tastverhältnis und Frequenz gelegt sind, mit einem passiven Schalter (Diode) (D), sowie zwei Kondensatoren (C1, C2) und zwei Induktivitäten (L1, L2, X) dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Induktivität (X) in Form einer Spule mit Anzapfung realisiert ist und zwar in der Weise, daß ein Knoten der zugrunde liegenden Wandlerstruktur, an der neben der Induktivität mindestens zwei weitere Bauelemente angeschlossen sind, in zwei Teilknoten zerlegt wird, zwischen diese Teilknoten die neue Teilwicklung der angezapften Induktivität geschaltet wird und die restlichen Bauelemente auf die beiden Teilknoten verteilt werden, wobei mindestens ein zusätzliches Bauteil pro Knoten anzuschließen ist.
  2. 2
    Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the input voltage (U1) is connected to the series connection of inductance (L1) and active switch (S), parallel to the active switch (S) is the series connection of a capacitor (C1) with the coil with tap ( X) is connected and the anode of the diode (D) is connected to the tap and the cathode to a capacitor (C2), the second terminal of which is connected to the negative pole of the input voltage, whereby the output voltage (U2) is tapped at the capacitor. [Fig.1] 2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U1) an der Serienschaitung von Induktivität (L1) und aktivem Schalter (S) liegt, parallel zum aktiven Schalter (S) die Serienschaltung aus einem Kondensator (C1) mit der Spule mit Anzapfung (X) geschaltet ist und die Anode der Diode (D) mit der Anzapfung und die Kathode mit einem Kondensator (C2), dessen zweite Klemme mit dem Minuspol der Eingangsspannung verbunden ist, geschaltet ist, wobei die Ausgangsspannung (U2) am Kondensator abgegriffen wird. [Fig.1]
  3. 3
    Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the input voltage (U1) is connected to the series circuit of the active switch (S), the second partial winding of the coil (L12) with tap (X), and that parallel to the coil with tap there is a series circuit consisting of one Capacitor (C1) and a diode (D), the anode of which is connected to the negative pole of the input voltage, is connected, and that a low-pass filter in parallel with the diode (D) formed by the series connection of an inductance (L2) and a capacitor (C2), the output voltage (U2) being tapped at the capacitor (C2). [Fig.2] 3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U1) an der Serienschaltung von aktivem Schalter (S), zweiter Teilwicklung der Spule (L12) mit Anzapfung (X) liegt, und daß parallel zur Spule mit Anzapfung eine Serienschaltung, bestehend aus einem Kondensator (C1) und einer Diode (D), deren Anode mit dem Minuspol der Eingangsspannung verbunden ist, geschaltet ist, und daß parallel zur Diode (D) ein Tiefpaß, gebildet durch die Serienschaltung einer Induktivität (L2) und eines Kondensators (C2), geschaltet ist, wobei am Kondensator (C2) die Ausgangsspannung (U2) abgegriffen wird. [Fig.2]
  4. 4
    Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U1) an der Serienschaltung von passivem Schalter (D), Kondensator (C1) und der Spule mit Anzapfung (X) liegt, zwischen der Kathode der Diode (D) und der Ausgangsklemme (3) eine Induktivität (L1) geschaltet ist, der aktive Schalter zwischen Anzapfung der Spule mit Anzapfung (X ) und Ausgangsklemme (3) liegt, der Bezugspunkt für Ein- und Ausgang gleich ist und parallel zum Ausgang mit der Spannung U2 der Kondensator C2 geschaltet ist. [Fig. 17] 4th Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the input voltage (U1) is applied to the series circuit of the passive switch (D), capacitor (C1) and the coil with tap (X), between the cathode of the diode (D) and the output terminal (3) ) an inductance (L1) is connected, the active switch is between the tap of the coil with tap (X) and the output terminal (3), the reference point for input and output is the same and capacitor C2 is connected in parallel to the output with voltage U2. [Fig. 17]
  5. 5
    Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the input voltage (U1) is connected to the series circuit of the active switch (S), capacitor (C1) and the coil with tap (X), an inductance between the active switch (S) and output terminal (3) (L1) is switched, the passive switch is between the output terminal (3) and the tap, the reference point for the input and output is the same and the capacitor C2 is connected in parallel to the output with the voltage U2. [Fig. 19] 5. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U1) an der Serienschaltung von aktivem Schalter (S), Kondensator (C1) und der Spule mit Anzapfung (X) liegt, zwischen aktivem Schalter (S) und Ausgangsklemme (3) eine Induktivität (L1) geschaltet ist, der passive Schalter zwischen Ausgangsklemme (3) und Anzapfung liegt, der Bezugspunkt für Ein- und Ausgang gleich ist und parallel zum Ausgang mit der Spannung U2 der Kondensator C2 geschaltet ist. [Fig. 19]
  6. 6
    Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U1) an der Serienschaltung von Induktivität (L1), Kondensator (C1) und der Spule mit Anzapfung (X) liegt, die Diode (D) zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (X) und der Eingangsklemme (1) liegt, der aktive Schalter zwischen dem Verbindungspunkt von Induktivität (L1) und Kapazität (C1) und Ausgangsklemme (3) geschaltet ist, der 6th Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the input voltage (U1) is connected to the series connection of inductance (L1), capacitor (C1) and the coil with tap (X), the diode (D) between the tap of the coil with tap (X) ) and the input terminal (1), the active switch is connected between the connection point of inductance (L1) and capacitance (C1) and output terminal (3), the AT 409 568 B AT 409 568 B Bezugspunkt für Ein- und Ausgang gleich ist und parallel zum Ausgang mit der Spannung U2 der Kondensator C2 geschaltet ist. [Fig.21] The reference point for input and output is the same and the capacitor C2 is connected in parallel to the output with the voltage U2. [Fig.21]
  7. 7
    Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U1) an der Serienschaltung von Induktivität (L1), Kondensator (C1) und der Spute mit Anzapfung (X) liegt, der aktive Schalter (S) zwischen der Eingangsklemme (1) und der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (X) geschaltet ist, weiters die Diode (D) zwischen Ausgangsklemme (3) und dem Verbindungspunkt von Induktivität (L1) und Kondensator (C1) geschaltet ist, die Eingangsklemme (2) und die Ausgangsklemme (4) direkt verbunden sind, parallel zu den Ausgangsklemmen (3,4) ist ein Kondensator (C2) geschaltet, an dem die Ausgangsspannung (U2) abgegriffen wird. [Fig. 13] 7th Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the input voltage (U1) is connected to the series circuit of inductance (L1), capacitor (C1) and the coil with tap (X), the active switch (S) between the input terminal (1) and the Tapping of the coil is connected to tapping (X), furthermore the diode (D) is connected between output terminal (3) and the connection point of inductance (L1) and capacitor (C1), the input terminal (2) and the output terminal (4) are directly connected, a capacitor (C2) is connected in parallel to the output terminals (3, 4), from which the output voltage (U2) is tapped. [Fig. 13]
  8. 8
    Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die (negative) Eingangsspannung (U1) an der Serienschaltung von Induktivität (L1), Kondensator (C1) und der Spule mit Anzapfung (X) liegt, der aktive Schalter (S) zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (X) und der Eingangsklemme (1) geschaltet ist, weiters die Diode (D) zwischen dem Verbindungspunkt von Induktivität (L1) und Kondensator (C1) und Ausgangsklemme (3) geschaltet ist, die Eingangsklemme (2) und die Ausgangsklemme (4) sind direkt verbunden, parallel zu den Ausgangsklemmen (3,4) ist ein Kondensator (C2) geschaltet, an dem die Ausgangsspannung (U2) abgegriffen wird. [Fig. 11] 8th. Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the (negative) input voltage (U1) is connected to the series circuit of inductance (L1), capacitor (C1) and the coil with tap (X), the active switch (S) between the tap of the coil is connected to the tap (X) and the input terminal (1), furthermore the diode (D) is connected between the connection point of inductance (L1) and capacitor (C1) and output terminal (3), the input terminal (2) and the output terminal (4) are directly connected, a capacitor (C2) is connected in parallel to the output terminals (3, 4), from which the output voltage (U2) is tapped. [Fig. 11]
  9. 9
    Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the output voltage (U2) is connected to the series circuit of inductance (L1), capacitor (C1) and the coil with tap (X), the passive switch (D) between the tap of the coil with tap ( X) and the output terminal (3) is switched, furthermore the active switch (S) is switched between the connection point of inductance (L1) and capacitor (C1) and input terminal (1), the input terminal (2) and the output terminal (4) are directly connected, a capacitor (C2) is connected in parallel to the output terminals (3, 4), from which the output voltage (U2) is tapped. [Fig. 15] 9. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U2) an der Serienschaltung von Induktivität (L1), Kondensator (C1) und der Spule mit Anzapfung (X) liegt, der passive Schalter (D) zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (X) und der Ausgangsklemme (3) geschaltet ist, weiters der aktive Schalter (S) zwischen dem Verbindungspunkt von Induktivität (L1) und Kondensator (C1) und Eingangsklemme (1) geschaltet ist, die Eingangsklemme (2) und die Ausgangsklemme (4) sind direkt verbunden, parallel zu den Ausgangsklemmen (3,4) ist ein Kondensator (C2) geschaltet, an dem die Ausgangsspannung (U2) abgegriffen wird. [Fig. 15]
  10. 10
    Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the input voltage (U1) is connected to the series connection of inductance (L1), capacitor (C1) and the coil with tap (X), the diode (D) between the tap of the coil with tap (X) ) and the output terminal (3), the active switch is connected between the connection point of inductance (L1) and capacitance (C1) and output terminal (3), the reference point for input (2) and output (4) is the same and a capacitor (C2) is connected in parallel to output (3, 4) with the voltage U2. [Fig.9] 10. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U1) an der Serienschaltung von Induktivität (L1), Kondensator (C1) und der Spule mit Anzapfung (X) liegt, die Diode (D) zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (X) und der Ausgangsklemme (3) liegt, der aktive Schalter zwischen dem Verbindungspunkt von Induktivität (L1) und Kapazität (C1) und Ausgangsklemme (3) geschaltet ist, der Bezugspunkt für Ein- (2) und Ausgang (4) gleich ist und parallel zum Ausgang (3,4) mit der Spannung U2 ein Kondensator (C2) geschaltet ist. [Fig.9]
  11. 11
    Converter circuit according to Claim 1, characterized in that the input voltage (U1) is applied to the series connection of the passive switch (D), capacitor (C1) and the coil with tap (X), between the cathode of the diode (D) and the output terminal (3) ) an inductance (L1) is connected, the active switch is between the input terminal (1) and the tap of the coil with tap (X), the reference point for input (2) and output (4) is the same and a capacitor (C2) is connected in parallel to output (3, 4) with the voltage U2. [Fig.7] 11. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U1) an der Serienschaltung von passivem Schalter (D), Kondensator (C1) und der Spule mit Anzapfung (X) liegt, zwischen der Kathode der Diode (D) und der Ausgangsklemme (3) eine Induktivität (L1) geschaltet ist, der aktive Schalter zwischen Eingangsklemme (1) und Anzapfung der Spule mit Anzapfung (X ) liegt, der Bezugspunkt für Ein(2) und Ausgang (4) gleich ist und parallel zum Ausgang (3,4) mit der Spannung U2 ein Kondensator (C2) geschaltet ist. [Fig.7]
  12. 12
    Wandlerschaltung nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse an der Spule mit Anzapfung (X) (a) und (b) vertauscht werden. [Figs. 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22] 12th Converter circuit according to Claims 1 to 11, characterized in that the connections on the coil with tap (X) (a) and (b) are interchanged. [Figs. 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22]
  13. 13
    Wandlerschaltung nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Schalter (S) durch Antiparallelschaltung einer Diode und der passive Schalter (D) durch Antiparallelschaltung eines aktiven Schalters erweitert ist. 13th Converter circuit according to Claims 1 to 12, characterized in that the active switch (S) is expanded by an anti-parallel connection of a diode and the passive switch (D) by an anti-parallel connection of an active switch.
  14. 14
    Wandlerschaltung nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangspannung mit einer Gleichrichterschaltung ohne Glättungskondensator aus dem Einphasennetz gewonnen wird. 14th Converter circuit according to Claims 1 to 13, characterized in that the input voltage is obtained from the single-phase network with a rectifier circuit without a smoothing capacitor.
  15. 15
    Wandlerschaltungen gemäß Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Schalter mit aktiven oder passiven soft-switching Netzwerken zur Reduktion der Schaltverluste versehen sind. 15th Converter circuits according to Claims 1 to 14, characterized in that the active switches are provided with active or passive soft-switching networks to reduce switching losses.
Independent claims15