-
1. Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Resonanzwandlersystem zum Reduzieren eines Ausgangs-Stromrippels, indem ein Resonanzwandlersystem mit zwei Spulen und einem einzigen Kondensator (LLC-Resonanzwandlersystem) verbessert wird und eine Stromabweichung reduziert wird, die auftritt aufgrund einer Induktivitätsabweichung einer Sekundärseite eines Transformators.
-
2. Beschreibung der bezogenen Technik
-
Unlängst ist die Nachfrage nach Plug-In hybriden Elektrofahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles (PHEV)) und nach Elektrofahrzeugen (EV) gestiegen. Typischerweise benötigen PHEV oder EV ein Ladegerät, das eine Hochspannungbatterie lädt. Beispielsweise verwendet ein Schnellladegerät einen externen Energieversorger und ein Auf-der-Leiterplatte-Ladegerät (On-Board-Ladegerät) zum Durchführen einer Ladefunktion unter Verwendung einer allgemeinen kommerziellen Wechselstrom(AC)-Energieversorgung. Im Allgemeinen weist der PHEV einen Verbrennungsmotor auf und damit steigt eine Anzahl von Vorrichtungen, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor, einem Energiewandler, die eine benötigte Ausrüstung darstellen und die innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sind. Entsprechend ist dieser Innenraum des Fahrzeugs für eine alternative Verwendung unmöglich gemacht. Verglichen mit traditionellen Fahrzeugen ist das PHEV teurer und deshalb sind die kostenreduzierenden Maßnahmen enthaltend die Reduktion der Größe eines Batterieladegeräts, die Reduktion von Materialkosten, etc. gesteigert worden.
-
In einigen Fahrzeugen weist das On-Board-Ladegerät einen Energiewandler auf, der eine Hochfrequenz-Schaltoperation durchführt. Beispielsweise tritt ein Problem der elektromagnetischen Interferenz (EMI) auf aufgrund der Hochfrequenz-An/Aus-Operation. Da das On-Board-Ladegerät direkt mit einer System-Energieversorgung gekoppelt ist, kann ein EMI-Filter das Einführen von Rauschen minimieren, das innerhalb des On-Board-Ladegeräts in einer Wechselstrom(AC)-System-Energieversorgung auftritt. Das On-Board-Ladegerät weist einen Leistungsfaktorkorrektur(Power Factor Correction, PFC)-Wandler auf, der die AC-Energie in Gleichstrom(DC)-Energie umwandelt. Entsprechend verbessert sich der Leistungsfaktor und er weist einen DC/DC-Wandler auf, der eine Ausgangsspannung anpasst zum Durchführen eines Ladens in Antwort auf eine Batteriespannung. Es wurden verschiedene Studien für ein Verfahren zum Steuern eines DC/DC-Wandlers durchgeführt, der einen Spannungspegel wandelt zum Durchführen eines Ladens in Antwort auf einen Batteriespannungspegel, und diese schlagen einen DC/DC-Wandler vor, der eine stabile Ausgabe in einem weiten Eingabebereich erhält.
-
Wie in 1 gezeigt weist der existierende LLC-Resonanzwandler eine allgemeine Wandler-Primärseitenform auf mit einer Primärseite 12, eingerichtet derart, dass er zwei Schalt-Schaltkreise aufweist, eine Spule, und einen Kondensator. Die Primärseite ist mit einem Transformator 14 verbunden und eine Primärseitenspannung wird mittels des Transformators 14 in eine gewünschte Form gewandelt und wird dann zu einer Sekundärseite übertragen. Ferner ist der Transformator mit einem Gleichrichter 16 verbunden. Insbesondere weist der Gleichrichter verschiedene Ausführungsformen auf wie beispielsweise eine Vollbrücken-Form oder eine Halbbrücken-Form. Wie gezeigt, stellt 1 den Gleichrichter in einer Halbbrücken-Form dar. Zusätzlich ist ein Kondensator 18 mit einem Ausgangsanschluss verbunden zum Kompensieren eines Rippels eines Ausgangsstroms, der auf der Sekundärseite erzeugt wird.
-
Ungleich zu anderen Pulsweitenmodulation(PWM)-Wandlern kann der LLC-Resonanzwandler 10 eine Null-Strom-Schalten(Zero Current Switching, ZVS)-Ausschaltoperation eines Hauptschalters einer Primärseite eines Transformators durchführen. Beispielsweise kann ein Schaltkreis des LLC-Resonanzwandlers 10 einen Resonanzstrom verwenden ohne einen zusätzlichen Hilfsschaltkreis für eine Soft-Schaltoperation zu benötigen. Ferner stellt der LLC-Resonanzwandler 10 eine verbesserte Konversionseffizienz bereit. Insbesondere wird der Schaltkreis getrieben durch Schwingen eines Stromes mit einer ungefähren Sinuswelle. Weiterhin wird das Auftreten von Rauschen in dem Schaltkreis verglichen mit dem existierenden LLC-Resonanzwandler 10 reduziert. Jedoch weist der existierende LLC-Resonanzwandler 10 einen Nachteil dahingehend auf, dass der Ausgangsstromrippel und die Kapazität des Ausgangskondensators erhöht werden aufgrund des Entfernens der Ausgangsspule. In anderen Worten wird der Strom auf einer Seite konzentriert aufgrund einer Differenz zwischen Impedanzen von zwei Sekundärseiten, und deshalb ist die Effizienz bei einer geringen Last reduziert.
-
Der Inhalt, der als bezogene Technik beschrieben worden ist, wurde lediglich erläutert, um ein besseres Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung zu erleichtern und sollte nicht verstanden werden als ein dem Fachmann in diesem verwandten Gebiet bekannter Stand der Technik.
-
ÜBERBLICK
-
Die vorliegende Erfindung stellt ein Resonanzwandlersystem bereit, das in der Lage ist, die Größe eines On-Board-Ladegeräts zu reduzieren, Materialkosten zu reduzieren, und einen Ausgangsstromrippel zu reduzieren.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Resonanzwandlersystem auf eine Sekundärseite eines Transformators, angeordnet innerhalb eines LLC-Resonanzwandlers, die gebildet sein kann aus einer einzigen Spule und einem Gleichrichter einer Sekundärseite des LLC-Resonanzwandlers, wobei der Gleichrichter von einer einzigen Diode gebildet sein kann. Das Resonanzwandlersystem kann ferner aufweisen: eine Spule mit einer ersten Seite, die an den Gleichrichter der Sekundärseite des Wandlers angeschlossen ist, und mit einer zweiten Seite, die an einen Ausgangsanschluss des Wandlers angeschlossen sein kann. Zusätzlich kann ein Kondensator vorgesehen sein mit einer ersten Seite, die an die Sekundärseite des Transformators angeschlossen ist und mit einer zweiten Seite, die an den Gleichrichter der Sekundärseite des Wandlers angeschlossen ist. Die Spule und der Kondensator können auf der Sekundärseite des Transformators vorgesehen sein.
-
In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Katode der Diode des Gleichrichters an eine zweite Seite des Kondensators angeschlossen sein und eine Anode der Diode kann an die Sekundärseite des Transformators angeschlossen sein. Das Resonanzwandler System kann ferner aufweisen: einen Ausgangskondensator, der mit dem Ausgangsanschluss des Wandlers parallel geschaltet ist.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
Die obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich durch die folgende detaillierte Beschreibung, gemeinsam mit den beigefügten Figuren, in denen:
-
1 ein beispielhaftes Konfigurationsdiagramm eines LLC-Resonanzwandlersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der bezogenen Technik ist;
-
2 ein beispielhaftes Konfigurationsdiagramm eines LLC-Resonanzwandlersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
-
3 ein beispielhaftes Spannungsdiagramm und Stromdiagramm des LLC-Resonanzwandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und
-
4 ein beispielhaftes AC-Äquivalenz-Schaltkreisdiagramm gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Während die Erfindung beschrieben wird in Verbindung mit Ausführungsbeispielen ist zu verstehen, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu bestimmt ist, die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele einzuschränken. Im Gegenteil, die Erfindung soll nicht nur die Ausführungsbeispiele abdecken, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, die in dem Wesen und Schutzbereich der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, eingeschlossen sind.
-
Es ist anzumerken, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder andere ähnliche Begriffe, die hierin verwendet werden Motor-Fahrzeuge im allgemeinen einschließen wie beispielsweise Passagier-Automobile enthaltend Sports Utility Vehicles (Geländelimousinen (SUV)), Busse, Lastwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge enthaltend eine Vielfalt an Booten und Schiffen, Flugzeuge, und dergleichen und enthaltend hybride Fahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Verbrennungsmotor-Fahrzeuge, plug-in Hybrid-Elektrofahrzeuge, Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge und andere Alternative-Brennstoff-Fahrzeuge (beispielsweise Brennstoffe, die von anderen Ressourcen abgeleitet worden sind als von Petroleum).
-
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hierin verwendet sollen die Singular-Formen „ein“, „einer“, „eine“, „eines“, „der“, „die“, „das“, auch die Plural-Formen einschließen, wenn nicht der Kontext klar etwas anderes anzeigt. Es ist ferner zu verstehen, dass die Begriffe „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Existenz von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Präsenz oder Hinzufügung eines oder anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten, und/oder Gruppen derselben, ausschließen. Wie hierin verwendet schließt der Ausdruck „und/oder“ jede beliebige und alle Kombinationen von einer oder mehr der zugehörig aufgelisteten Punkte ein. Um beispielsweise die Beschreibung der vorliegenden Erfindung verständlich zu machen sind Teile, die nicht mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung stehen, nicht gezeigt, und die Dicken von Schichten und Bereichen sind aus Gründen der Klarheit übertrieben. Weiterhin kann, wenn angegeben ist, dass eine Schicht „auf“ einer anderen Schicht oder einem Substrat ist, die Schicht direkt auf einer anderen Schicht oder einem Substrat sein oder eine dritte Schicht kann zwischen diesen angeordnet sein.
-
Wie in 2 gezeigt, kann in einem Resonanzwandlersystem 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Sekundärseite eines Transformators 24, angeordnet innerhalb des LLC-Resonanzwandlers, eine einzige (in anderen Worten genau eine) Spule aufweisen und ein Gleichrichter einer Sekundärseite des Wandlers kann eine einzige (in anderen Worten genau eine) Diode 25 aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen kann jedoch eine Primärseite 22 des Wandlers 20 die gleiche Form beibehalten wie der existierende LLC-Resonanzwandler 10.
-
Wie durch einen Vergleich von 1 mit 2 gezeigt, kann im Gegensatz zu dem existierenden LLC-Resonanzwandler 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel die Sekundärseite des Transformators mit der einzigen Spule eingerichtet sein. Deshalb muss der Gleichrichter nicht einen Halbbrücken-Schaltkreis benötigen, der wie in 1 dargestellt, zwei Dioden verwendet, und deshalb kann gemäß dem Ausführungsbeispiel der Gleichrichter eine einzige Diode 25 aufweisen bzw. aus einer einzigen Diode gebildet werden. Wie oben beschrieben worden ist, kann im Gegensatz zu dem existierenden LLC Resonanzwandler 10, in dem die Sekundärseite keine Spule aufweist, gemäß dem Ausführungsbeispiel der LLC-Resonanzwandler 20 eine Spule 27 aufweisen mit einer ersten Seite, die an den Gleichrichter der Sekundärseite des Wandlers 20 angeschlossen ist, und mit einer zweiten Seite, die an einen Ausgangsanschluss des Wandlers angeschlossen ist, sowie einen Kondensator 26, der eine erste Seite aufweist, die an die Sekundärseite des Transformators 24 angeschlossen ist, sowie eine zweite Seite, die an den Gleichrichter 25 der Sekundärseite des Wandlers 20 angeschlossen ist, um eine gleichmäßigere Reduktion in einem Rippel eines Ausgangsstroms zu ermöglichen.
-
Wie in 2 dargestellt kann die einzige Diode 25, die dem Gleichrichter der Sekundärseite entspricht, eine Katode aufweisen, die mit der zweiten Seite des Kondensators 26 gekoppelt ist, sowie eine Anode, die mit der Sekundärseite des Transformators 24 gekoppelt ist. Insbesondere kann die Genauigkeit einer Null-Strom-Schalten(Zero Current Switching, ZCS)-Steuerung einer gleichrichtenden Diode der Sekundärseite verbessert werden. Ferner kann, ähnlich dem existierenden LLC-Resonanzwandler, der LLC-Resonanzwandler gemäß dem Ausführungsbeispiel einen Ausgangskondensator 28 aufweisen, der dem Ausgangsanschluss des Wandlers parallel geschaltet ist, zum Kompensieren des Rippels, der in dem Ausgangsstrom auftritt. Der Ausgangskondensator 28 gemäß dem Ausführungsbeispiel kann jedoch eine Kapazität aufweisen, die geringer ist als diejenige des Ausgangskondensators 18 des existierenden LLC-Resonanzwandlers 10. Der Resonanzwandler 10 kann ferner die Spule 27 aufweisen, welche den Rippel des Ausgangsstroms reduziert. Daher kann die Größe des Kondensators reduziert werden durch Reduzieren der Kapazität des Ausgangskondensators, der in dem Resonanzwandler einen großen Raum einnimmt. Entsprechend kann die Größe des Resonanzwandlers ebenfalls reduziert werden. Demgemäß kann der teure Kondensator mit hoher Kapazität eliminiert werden und damit können Kosten des Wandlers erheblich reduziert werden.
-
In dem Resonanzwandlersystem 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel kann die Sekundärseite des Transformators eine einzige Spule aufweisen. In anderen Worten, im Gegensatz zu dem existierenden LLC-Resonanzwandler 10, in dem zwei Spulen auf der Sekundärseite vorgesehen sind, kann die Stromkonzentration des Gleichrichters und die Rippel-Abweichung des Ausgangsstroms, der aufgrund der Induktivität-Abweichung der Sekundärseite des Transformators auftritt, reduziert werden. Ferner kann, wie in 2 dargestellt, die Sekundärseite die einzige (genau eine) Spule aufweisen bzw. daraus gebildet sein, und der Gleichrichter der Sekundärseite kann die einzige (genau eine) Diode 25 aufweisen bzw. daraus gebildet sein. Insbesondere kann die Anzahl von Dioden im Vergleich zu der Anzahl von Dioden der existierenden Struktur reduziert werden, so dass Größe, Kosten, und Energieverlust reduziert werden können.
-
Beispielsweise erläutert 3 die oben beschriebene beispielhafte Anordnung. In dem Graph von 3 sind eine erste Spannung (VQ1), eine zweite Spannung (VQ2), ein erster Strom (IQ1), und ein zweiter Strom (IQ2), dargestellt. VQ1 und VQ2 können alternierend (wechselweise) relativ zueinander an und ausgeschaltet werden. Beispielsweise kann IQ1 ausgeschaltet werden und IQ2 kann angeschaltet werden in dem Moment, in dem VQ1 angeschaltet wird und VQ2 ausgeschaltet wird. Ferner kann IQ1 angeschaltet werden in dem Moment, in dem VQ1 ausgeschaltet wird und VQ2 angeschaltet wird. Hierfür ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Controller (beispielsweise implementiert als ein Mikroprozessor oder als festverdrahtete Logik) vorgesehen, der die entsprechenden Spannungen (d.h. die erste Spannung VQ1 und die zweite Spannung VQ2) bereitstellt, damit der erste Strom IQ1 und der zweite Strom IQ2 in alternierender Weise (wie beispielsweise in 3 dargestellt) erzeugt werden. Der Controller kann auf der Primärseite des LLC-Resonanzwandlers 20 angeordnet sein.
-
Deshalb kann gemäß dem Ausführungsbeispiel das Null-Spannung-Schalten(ZVS)-Ausschalten-Steuern auf der Primärseite durchgeführt werden. In anderen Worten zeigen VQ1 und IQ1 eine Spannung und einen Strom an, der an einem Hohe-Seite-Schalter (auch bezeichnet als High Side Schalter) der Primärseite des Wandlers anliegt bzw. durch den Hohe-Seite-Schalter der Primärseite des Wandlers fließt, und VQ2 und IQ2 zeigen eine Spannung und einen Strom an, der an einem Niedrige-Seite-Schalter (auch bezeichnet als Low Side Schalter) der Primärseite des Wandlers anliegt bzw. durch den Niedrige-Seite-Schalter der Primärseite des Wandlers fließt. Es ist anzumerken, dass die beiden Schalter als Leistungsschalter ausgestaltet sein können, beispielsweise als Leistungsfeldeffekttransistoren, beispielsweise als Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren. Für den in 3 dargestellten Fall können die beiden Schalter als selbstleitende Feldeffekttransistoren ausgestaltet sein (beispielsweise als selbstleitende PMOS-Feldeffekttransistoren oder als selbstleitende NMOS Feldeffekttransistoren). Die beiden Schalter können jedoch auch als selbstsperrende Feldeffekttransistoren ausgestaltet sein (beispielsweise als selbstsperrende PMOS-Feldeffekttransistoren oder als selbstsperrende NMOS Feldeffekttransistoren). In diesem Fall wäre die Ansteuerung mittels des Controllers entsprechend anzupassen.
-
Ferner, wie gezeigt, weist das Ausführungsbeispiel eines in 3 dargestellten IDO-Graphen einen Strom auf, der in der einzigen Diode 25 der Sekundärseite des Resonanzwandlers 20 fließt. Beispielsweise kann der Strom ausgeschaltet werden in dem Moment, in dem der Niedrige-Seite-Schalter der Primärseite ausgeschaltet werden kann und deshalb kann bestätigt werden, dass das Null-Strom-Schalten(ZCS)-Ausschalten-Steuern der einzigen Diode 25 der Sekundärseite durchgeführt werden kann. Deshalb stellt das Ausführungsbeispiel einen ähnlichen Vorteil bereit wie der existierende LLC Resonanzwandler 10, der in der Lage ist zum Durchführen der ZCS- und ZVS-Steuerung. Zusätzlich sind in dem Resonanzwandler System 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Kondensator 26 und die Spule 27 Impedanz-Komponenten und diese können derart eingerichtet sein, dass sie auf der Sekundärseite des Transformators 24 enthalten sind, der eingerichtet sein kann zum Konvertieren des Sekundärseite-Schaltkreises von 2 in den Wechselstrom(AC)-Äquivalenz-Schaltkreis und zum Durchführen einer AC-Analyse darauf.
-
4 erläutert den AC-Äquivalenz-Schaltkreis für die AC-Analyse, der im Detail ausgedrückt wird durch
-
Deshalb kann die nach Herleiten der Eingangsimpedanz basierend auf der obigen Gleichung die Eingangsimpedanz repräsentiert werden durch:
-
Ferner kann die Ausgangsimpedanz repräsentiert werden durch:
-
Deshalb wird die Spannung-Wandlungsrate zu:
wobei C
r: eine Kapazität von Kondensator (C
r), C
p: eine Kapazität von Kondensator (C
p), L
r: eine Induktivität von Spule (L
r), L
m: eine Induktivität von Spule (L
m), I
1: ein Eingangsstrom, I
2: ein Ausgangsstrom, V
1: eine Eingangsspannung, V
2: eine Ausgangsspannung, bezeichnet.
-
Wenn der Kondensator 26 und die Spule mittels dieses Prozesses integriert werden, dann kann der Rippel des Ausgangsstroms des Wandlers reduziert werden. Insbesondere kann die Spule der Sekundärseite des Transformators gesteuert werden ohne Hinzufügen einer separaten Komponente. Entsprechend können die Größe, Kosten, und Effizienz des Wandlers verbessert werden.
-
Wie oben beschrieben worden ist kann das Ausführungsbeispiel die folgenden Effekte bereitstellen:
Erstens kann die Diodenstrom-Konzentration und die Rippel-Abweichung des Ausgangsstroms aufgrund der Induktivität-Abweichung der Sekundärseite des Transformators, die problematisch sein kann an dem Mittenanschluss der existierenden Gleichrichterstruktur, entfernt werden durch die Vereinheitlichung der Sekundärseite.
-
Zweitens können die Größe und die Materialkosten reduziert werden durch Reduzieren der Anzahl von Dioden und der Kapazität des Ausgangskondensators, verglichen mit der existierenden Struktur.
-
Drittens kann der Rippel des Ausgangsstroms reduziert werden, ohne die Anzahl von Komponenten zu erhöhen, durch Integrieren der Ausgangsspule in den Transformator.
-
Anschaulich kann in einigen Ausführungsbeispielen die Sekundärseite des Wandlers gebildet werden von (beispielsweise ausschließlich) folgenden Komponenten: dem Gleichrichter 25 (beispielsweise bestehend aus genau einer Diode 25), der genau einen Spule 27, und einem zwischen die Sekundärseite des Transformators 24 und einem ersten Anschluss der Spule 27 geschalteten Kondensator 25, der anschaulich mit der Spule 27 in Serie geschaltet ist. Weiterhin kann optional der Ausgangskondensator 28 vorgesehen sein.
-
Die vorangegangenen Ausführungsbeispiele sind lediglich Beispiele, wie es einem Fachmann ermöglichen, die vorliegende Erfindung in einfacher Weise durchführen zu können. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann erkennbar, dass die vorliegende Erfindung in verschiedener Weise modifiziert und verändert werden kann, ohne das Wesen und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert sind.
