Multizellen-Schaltverstärker mit hybridem Ausgangsfilter

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem neuartigen Konzept für steuerbare Leistungs-Spannungsquellen im Kilowatt-Bereich. Das propagierte System verbindet die positiven Eigenschaften von pulsbreitenmodulierten Schaltverstärkern (guter Wirkungsgrad) mit jenen linearer Verstärkersysteme (hohe Signalqualität) und besteht aus einer geschickten Kombination eines Schaltverstärkers und einer im Linearbetrieb arbeitenden Korrekturstufe. Die Ausgangsleistung des Gesamtsystems wird dabei hauptsächlich vom getakteten Schaltverstärker zur Verfügung gestellt, nur ein sehr geringer Teil muss vom Linearverstärker geliefert werden. Das Konzept zeichnet sich durch geringe Restwelligkeit der Ausgangsspannung und niedrige Ausgangsimpedanz aus. Weiters werden nur relativ kleine Filter-Induktivitäten bzw. -Kapazitäten benötigt, sodass das Gesamtsystem hohe spezifische Leistungsdichte aufweist. Die Glättung der Ausgangsspannung erfolgt mittels eines passiven LC-Filters, aktiv unterstützt von einer Kompensationsspannungsquelle im Linearbetrieb. Das Schaltverstärkersystem wurde in mit phasenversetzter PWM betriebenen Multizellen-Topologie realisiert, die lineare Korrekturstufe als AB-Verstärker. Dadurch, dass der Linearverstärker in das LC-Filter des Schaltverstärkers eingefügt ist, muss er nur hinsichtlich eines Bruchteils der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes des Gesamtsystems ausgelegt werden. Seine Bauleistung, Größe und Verlustanteil sind deshalb gering in Relation zum Gesamtsystem. Trotzdem können nachteilige Effekte des Schaltverstärkers wie Restwelligkeit der Ausgangsspannung im Bereich der Schaltfrequenz und sogar subharmonische Frequenzen im Durchlassbereich des LC-Filters durch diese lineare Kompensationsstufe sehr erfolgreich bekämpft werden. Ein Vorteil des hier verwendeten Multizellensystems ist die Möglichkeit der Realisierung mit Niederspannungs-MOSFETs sowie die hohe effektive Schaltfrequenz durch die phasenversetzte Taktung der einzelnen Zellen. Die Auswirkungen von möglichen prinzipbedingten Problemen realer Multizellen-Systemen, wie die Entstehung subharmonischer Komponenten bei ungleichen Versorgungsspannungen der einzelnen Zellen bzw. bei ungleichen Schaltverzögerungen können mit dem vorgestellten hybriden Filter-Konzept sehr erfolgreich behoben werden. Zur Demonstration und Nachweis der Funktionsweise wurde ein Labormuster/Prototyp entworfen und aufgebaut und Messungen im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich durchgeführt. Im Zeitbereich konnte die prinzipielle Funktionsweise des Systems durch Messungen bei unterschiedlichen Lasttypen (ohmsch, induktiv, kapazitiv, nichtlineare Last) belegt werden. Analysen im Frequenzbereich demonstrieren die geringe Restwelligkeit bzw. gute Qualität der Ausgangsspannung durch eine Messung des Spektrums in einem weiten Dynamikbereich. Die für die Erklärung und den Nachweis des korrekten Systemverhaltens relevanten Signale zeigen die gewünschte Funktionsweise des Prototyps im Leistungsbereich von bis zu 1 kW im Nutzsignal-Frequenzbereich DC…400 Hz für die Signalformen Sinus/Dreieck/Trapez, sowohl im Leerlauf als auch unter verschiedensten Lastfällen. Mögliche Applikationen des präsentierten und getesteten Konzepts bzw. Verstärkersystems liegen im Bereich verschiedenster industrieller Anwendungen wie auch beispielsweise als Prüfund Testspannungsquelle in Labors als auch für naturbzw. geowissenschaftliche Experimente in unterschiedlichen Bereichen.

This thesis analyzes and verifies a novel concept for controllable voltage sources in the kilowatt power range. The proposed system combines the features of pulse width modulated switching amplifiers (i.e., good efficiency) with those linear amplifier systems (high signal quality) and consists of a clever combination of a switching power amplifier and a correction stage operating in linear mode. The output power of the entire amplifier system is provided mainly by the switched-mode stage, only a very small part must be supplied by the linear amplifier. The concept is characterized by low output voltage ripple and low output source impedance. Furthermore, only relatively small filter inductances and capacitances are required resulting in a high specific power density of the system. The smoothing of the output voltage takes place by means of a passive LC filter, actively supported by a compensation voltage source in linear-mode operation. The switching amplifier system was implemented based on a multi-cell topology, the linear correction stage as a class-AB power amplifier. Because the linear amplifier is inserted into the LC filter of the switching amplifier, it only has to be designed with regard to a fraction of output voltage and output current of the total system. Its size and loss share are therefore low in relation to the overall system. Nevertheless, adverse properties of the switch-mode amplifier such as ripple of the output voltage in the range of the switching frequency and even subharmonic frequencies components within the passband of the LC filter can be very successfully avoided by this linear compensation stage. One advantage of the multicell system used here is the possibility to select highly efficient low-voltage MOSFETs for the implementation as well as the resulting high effective switching frequency due to the phase-shifted PWM of the individual cells. The effects of possible principle-related problems of real multi-cell systems, such as the mentioned subharmonic components in case of non-balanced supply voltages of the individual cells or caused by unequal switching delays, can be suppressed very successfully using the presented hybrid filter concept. To demonstrate and confirm the functionality, a laboratory prototype was designed and built, and measurements were made in the time domain as well as in the frequency domain. In the time domain, the basic mode of operation of the system could be verified by measurements using different load types (ohmic, inductive, capacitive, non-linear load). Analyzes in the frequency domain demonstrate the low ripple or good quality of the output voltage by measuring the spectrum in a wide dynamic range. The signals relevant for the explanation and the verification of the system behavior demonstrate the desired operation of the prototype in the power range of up to 1 kW in the useful signal frequency range DC ... 400 Hz for the sine / triangle / trapezoidal waveforms, both at idle and also for different load cases. Possible applications of the presented amplifier concept respectively amplifier system are in the field of various industrial applications as well as, for example, test voltage sources in laboratories, and further also for natural science and geo-science experiments in different areas.