Split-Pi-Wandler

Als Split-Pi-Wandler (englisch Split-Pi) bezeichnet man in der Elektronik eine elektronische Schaltung, die eine elektrische Gleichspannung in eine andere elektrische Gleichspannung wandeln kann. Die Höhe der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers kann dabei sowohl größer als auch kleiner sein, als die ursprüngliche Eingangsspannung. Die Ausgangsspannung hat dabei stets dasselbe Vorzeichen wie die Eingangsspannung, weshalb der Split-Pi-Wandler zur Gruppe der nicht invertierenden Gleichspannungswandler gezählt wird.

Ein Hauptmerkmal des Split-Pi-Wandlers ist die bidirektionale Energieflussrichtung. Die Topologie des Split-Pi-Wandlers erlaubt sowohl einen Leistungsfluss vom definierten Eingang zum Ausgang, als auch umgekehrt. Dabei ist es unerheblich, welche Seite des Wandlers als Eingang und welche als Ausgang definiert wird. Weiters spielt es dabei keine Rolle, welche Höhe die Spannungen der Energiequellen haben.

Namensherkunft und Aufbau

Prinzipschaltbild des Split-Pi-Wandlers

Der Name des Split-Pi-Wandlers ist angelehnt an die Schaltung eines Pi-Filters, welches in der Schaltung des Wandlers in doppelter Ausführung eingesetzt und mithilfe von Halbleiterschaltern aufgeteilt (englisch Split) wird. Der Name spiegelt somit im Prinzip den schaltungstechnischen Ausbau des Gleichspannungswandlers wider.

Der Split-Pi-Wandler kann im Grunde als eine Kettenschaltung zweier Synchronwandler gesehen werden, wobei der erste Synchronwandler umgekehrt – also gespiegelt – eingesetzt wird und die Zwischenspannung des Wandlers mittels zusätzlichem Kondensator gestützt wird. Der Wandler besteht somit aus zwei Induktivitäten, die als aktiver Energiespeicher mithilfe von vier bidirektionalen Halbleiterschaltern zyklisch mit Energie geladen und entladen werden. Die beiden äußeren Kondensatoren dienen – wie bei jedem Gleichspannungswandler – als Pufferkondensatoren und glätten die jeweilige Spannung. Da in der Eingangsleitung und Ausgangsleitung eine Induktivität vorhanden ist, ist sowohl der Eingangsstrom als auch der Ausgangsstrom kontinuierlich.

Streng genommen ist der Split-Pi-Wandler keine eigene Gleichspannungswandlertopologie, sondern vielmehr eine Kombination herkömmlicher Gleichspannungswandler.

Funktion

Grundsätzlich wird der Split-Pi-Wandler so betrieben, dass jeweils nur ein Synchronwandler arbeitet. Der jeweils andere Synchronwandler wird dabei so geschaltet, dass dessen Spannungsübersetzung 1 ist – es bleibt also der obere Schalter geschlossen.

Welcher der beiden Synchronwandler nun getaktet wird und welcher überbrückt wird, hängt von der gewünschten Ausgangsspannung ab.

Betrieb mit unidirektionale Energieflussrichtung

Da der Split-Pi-Wandler symmetrisch ist und die Energieflussrichtung bidirektional, ist es unerheblich, welcher Anschluss als Eingang und welcher als Ausgang definiert wird.

Wird nun an einem Anschluss U_A eine Spannungsquelle angeschlossen und am anderen Anschluss U_B eine Last, so kann die Spannung an der Last durch die Wahl des aktiven und passiven Synchronwandlers beliebig gesteuert werden.

Soll die Spannung an der Last kleiner sein, als die Spannung der Spannungsquelle, so wird der Synchronwandler A mit einem Spannungsübersetzungsverhältnis von 1 betrieben (oberer Schalter bleibt geschlossen) und der Synchronwandler B mit dem gewünschten Pulsweitenverhältnis getaktet. Der gesamte Split-Pi-Wandler arbeitet somit als synchroner Abwärtswandler, dessen Ausgangsspannung vom Pulsweitenverhältnis des Synchronwandler B abhängt.

Soll die Spannung Last größer sein, als die Spannung der Spannungsquelle, so wird Synchronwandler B mit einem Spannungsübersetzungsverhältnis von 1 betrieben (der obere Schalter bleibt geschlossen) und der Synchronwandler A mit dem gewünschten Pulsweitenverhältnis getaktet. Der Split-Pi-Wandler arbeitet somit als synchroner Aufwärtswandler, dessen Ausgangsspannung nun vom Pulsweitenverhältnis des Synchronwandler A abhängt.

Betrieb mit bidirektionale Energieflussrichtung

Wird an jedem Anschluss des Split-Pi-Wandlers eine Spannungsquelle angeschlossen, so kann – wie beim einfachen Synchronwandler auch – die Stromflussrichtung durch die Wahl des Pulsweitenverhältnisses bestimmt werden. Im Gegensatz zum einfachen Synchronwandler ist es bei diesem Wandler jedoch unerheblich, welche Höhe die jeweilige Spannungsquelle hat. Abhängig von Höhe der jeweiligen Spannungen der Spannungsquellen wird der jeweils aktive und passive Synchronwandler des Split-Pi-Wandlers vorgegeben.

Ist die Spannung der Spannungsquelle an U_A höher als jene Spannung der Spannungsquelle an U_B, so muss Synchronwandler A passiv arbeiten (oberer Schalter bleibt geschlossen) und die gewünschte Energieflussrichtung sowie dessen Höhe wird durch das Pulsweitenverhältnis von Synchronwandler B vorgegeben, welcher aktiv arbeitet.

Ist die Spannung der Spannungsquelle an U_A kleiner als jene Spannung der Spannungsquelle an U_B, so müssen die Synchronwandler genau umgekehrt arbeiten.

Funktion des Zwischenkreiskondensators

Unabhängig von der Betriebsart des Wandlers ist immer ein Synchronwandler inaktiv. Somit ist stehst entweder im Eingangskreis oder im Ausgangskreis eine Induktivität vorhanden, die nicht direkt für den Wandlerbetrieb eingesetzt wird. Schaltet nun vom aktiven Synchronwandler der obere Schalter ab und der untere ein, so würde ohne Zwischenkreiskondensators ein Anschluss der Induktivität des passiven Synchronwandlers offenbleiben. Da der, in der vorhergegangene Hi-Phase des aktiven Synchronwandlers in der Induktivität des passiven Synchronwandlers eingeprägter Strom jedoch weiterfließen muss, würde ohne Kondensator an diesem nun offenen Anschluss aufgrund der lenzschen Regel eine sehr hohe Spannung induziert werden, welche die Halbleiterschalter zerstören würde.

Durch diesen Zwischenkreiskondensator wird der Induktivität des passiven Synchronwandlers ein Freilaufstrompfad angeboten. Der Zwischenkreiskondensator fungiert somit als Freilaufkondensator und stellt eine Art Spannungsquelle in der Auszeit (Lo-Phase) des aktiven Synchronwandlers für den passiven Synchronwandler dar.

Anwendung und Vorteile

Der Vorteil dieses Gleichspannungswandlers ist sowohl die mögliche bidirektionale Energieflussrichtung als auch Unabhängigkeit von Spannungsgrenzen. Der Wandler eignet sich somit optimal für akkumulatorbetriebene Elektroantriebe, da die induzierte Spannung des Elektromotors sowohl kleiner als auch größer werden kann, als die Akkuspannung. Zusätzlich ist durch die bidirektionale Energieflussrichtung der Bremsbetrieb des Elektromotors möglich.

Siehe auch

• Ćuk-Wandler
• SEPIC-Wandler
• Zeta-Wandler

Weblinks

• Green Energy Technologies Ltd Hersteller von Split-Pi-Wandlern