DE102016220358A1 - Gleichspannungswandler und Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers - Google Patents

Gleichspannungswandler und Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers mit hoher Spannungsfestigkeit sowie verringerten Leistungsverlusten. Hierbei wird eine optimierte Ansteuerung eines Potential-trennenden Multilevel-Halbbrückenwandlers gemäß einer Phase-Shifted Full-Bridge Konfiguration mit einem neuartigen Modulationsverfahren vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers.
  • Stand der Technik
  • Elektro- und Hybridfahrzeuge umfassen neben einem Niedervoltnetz (12 Volt Bordnetz) in der Regel auch ein Hochvoltnetz. Dieses Hochvoltnetz kann beispielsweise von einer Hochvolt-Batterie, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie des Elektro- oder Hybridfahrzeuges gespeist werden. In der Regel liegt die Spannung im Hochvoltnetz im Bereich von mehreren 100 Volt. Zur Einspeisung von elektrischer Energie in das Niedervoltnetz kann elektrische Energie von dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz übertragen werden.
  • Die Druckschrift DE 10 2012 204 029 A1 offenbart eine Übertragungsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug mit zwei Spannungsdomänen. Die Vorrichtung umfasst eine Erfassungseinrichtung, die den Ladezustand eines Energiespeichers der zweiten Spannungsdomäne erfasst. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Gleichspannungswandler, welcher elektrische Leistung von der ersten Spannungsdomäne in die zweite Spannungsdomäne in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers in der zweiten Spannungsdomäne überträgt.
  • Aus Sicherheitsgründen erfolgt bei der Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz eine galvanische Trennung der beiden Netze. Dies wird in der Regel durch einen Transformator realisiert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8.
  • Demgemäß ist vorgesehen:
  • Ein Gleichspannungswandler mit einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers kann eine Eingangsspannung angelegt werden. Der Gleichspannungswandler umfasst ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Eingangsanschluss und einem ersten Knotenpunkt angeordnet ist, ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist, ein drittes Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem ersten Eingangsanschluss angeordnet ist und ein viertes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist. Parallel zu dem ersten Schaltelement, dem zweiten Schaltelement, dem dritten Schaltelement und dem vierten Schaltelement kann jeweils eine Freilaufdiode angeordnet sein. Der Gleichspannungswandler umfasst ferner einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite. Ein erster Anschluss der Primärseite des Transformators ist mit dem ersten Knotenpunkt elektrisch gekoppelt, und ein zweiter Anschluss der Primärseite des Transformators ist mit dem zweiten Knotenpunkt elektrisch gekoppelt. Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler eine erste Induktivität, die zwischen einem ersten Anschluss der Sekundärseite des Transformators und einem dritten Knotenpunkt angeordnet ist. Ferner umfasst der Gleichspannungswandler eine Gleichrichterschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung zwischen dem dritten Knotenpunkt und einem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung zwischen einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss bereitzustellen. Weiter umfasst der Gleichspannungswandler eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, zunächst das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement zu öffnen und das erste Schaltelement und das vierte Schaltelement zu schließen. Weiterhin ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, anschließend nach einer vorbestimmten ersten Zeitspanne das vierte Schaltelement zu öffnen, und das erste Schaltelement daraufhin zu öffnen, nachdem ein elektrischer Strom durch das erste Schaltelement und/oder ein elektrischer Strom durch die Sekundärseite des Transformators kleiner ist als ein vorgegebener Schwellwert. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, anschließend nach einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement zu schließen und anschließend nach einer Zeitspanne, die der ersten vorbestimmten Zeitspanne entspricht, das dritte Schaltelement zu öffnen. Weiterhin ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, daraufhin das zweite Schaltelement zu öffnen, nachdem ein elektrischer Strom durch das zweite Schaltelement und/oder ein elektrischer Strom durch die Sekundärseite des Transformators den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
  • Weiterhin ist vorgesehen:
  • Ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Gleichspannungswandler mit einem zuvor beschriebenen Aufbau handeln. Der Gleichspannungswandler umfasst insbesondere einen ersten Eingangsanschluss, einen zweiten Eingangsanschluss, ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Eingangsanschluss und einem ersten Knotenpunkt angeordnet ist, ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist, ein drittes Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist, ein viertes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist. Parallel zu dem ersten bis vierten Schaltelement kann jeweils eine Freilaufdiode angeordnet sein. Der Gleichspannungswandler umfasst ferner einen Transformator, mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei ein erster Anschluss der Primärseite mit dem ersten Knotenpunkt elektrisch gekoppelt ist und ein zweiter Anschluss der Primärseite mit dem zweiten Knotenpunkt elektrisch gekoppelt ist. Der Gleichspannungswandler umfasst weiterhin eine erste Induktivität, die zwischen einem ersten Anschluss der Sekundärseite des Transformators und einem dritten Knotenpunkt angeordnet ist und eine Gleichrichterschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung gleichzurichten, die zwischen dem dritten Knotenpunkt und einem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators anliegt. Ferner umfasst der Gleichspannungswandler einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss, wobei der Gleichspannungswandler die gleichgerichtete Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss bereitstellt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Öffnens des zweiten Schaltelements und des dritten Schaltelements; des Schließens des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements; des Öffnens des vierten Schaltelements, nachdem das vierte Schaltelement eine vorbestimmte erste Zeitspanne geöffnet ist; des Überwachens eines elektrischen Stroms durch das erste Schaltelement und/oder eines elektrischen Stroms durch die Sekundärseite des Transformators; des Öffnens des ersten Schaltelements, nachdem der überwachte elektrische Strom durch das erste Schaltelement und/oder durch die Sekundärseite des Transformators kleiner ist als ein vorgegebener Schwellwert; des Schließens des zweiten Schaltelements und des dritten Schaltelements, nachdem das erste Schaltelement für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne geöffnet ist; des Öffnens des dritten Schaltelements, nachdem das dritte Schaltelement für eine vorbestimmte Zeitspanne geöffnet ist, die der ersten vorbestimmten Zeitspanne entspricht; des Überwachens eines elektrischen Stroms durch das zweite Schaltelement und/oder eines elektrischen Stroms durch die Sekundärseite des Transformators; und des Öffnens des zweiten Schaltelements, nachdem der überwachte elektrische Strom durch das zweite Schaltelement und/oder durch die Sekundärseite des Transformators kleiner ist als der vorgegebene Schwellwert.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Boostbetrieb eines Full-Bridge phase shifted (FBPS) Gleichspannungswandlers bei einem Energiefluss von einer Niedervoltseite in Richtung Hochvoltseite die Schaltelemente auf der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers in der Regel hart geschaltet werden. In Abhängigkeit von der Höhe der Sperrspannung bzw. der Spannung auf der Hochvoltseite kann in den Gleichrichterbauteilen (Dioden) ein sogenannter „Reverse-Recovery-Effekt“ auftreten. Dabei kann die Diode nicht sofort die Sperrspannung aufnehmen, sondern sie wird trotz anliegender Sperrspannung für eine kurze Zeit leitfähig. Dabei entsteht ein kurzer und hoher Stromimpuls durch die Diode. Dieser Stromimpuls verursacht hohe Verluste in dem Bauteil. Konventionelle Body-Dioden, wie sie beispielsweise für MOSFET auf der Hochvoltseite eingesetzt werden, sind in der Regel nicht für einen derartigen Betriebsmodus ausgelegt. Daher können die Bauelemente bei einem längeren Betrieb in diesem Modus beschädigt werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Gleichspannungswandler zu schaffen, der kostengünstig aufzubauen ist und dabei möglichst geringe Schaltverluste aufweist. Insbesondere ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, ein Modulationsverfahren für einen potentialtrennenden Gleichspannungswandler vorzusehen, bei dem die einzelnen Bauteile, insbesondere die Halbleiterschalter, möglichst durch den zuvor beschriebenen Reverse-Recovery Effekt wenig belastet werden.
  • Hierzu schafft die vorliegende Erfindung ein Modulationsverfahren für einen PSFB-Gleichspannungswandler, bei welchem aufgrund einer innovativen Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschalter die Schaltverluste reduziert werden können. Durch die Absenkung der Schaltverluste in den einzelnen Schaltelementen sinkt somit auch die Verlustleistung der Gleichrichterschaltung. Daher muss auch weniger Wärme abgeführt werden. Dies ermöglicht eine effizientere Kühlung bei gleichzeitig geringerem Bauraum bzw. Volumen des Schaltungsaufbaus. Somit kann auch der Gesamtaufwand für die Gleichrichterschaltung reduziert werden. Darüber hinaus sinkt aufgrund des kompakten Aufbaus auch der Aufwand für erforderliche Entstörmaßnahmen in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss eine Eingangsspannung anlegbar. Diese Eingangsspannung ist größer als das Produkt eines Übertragungsverhältnisses des Transformators zwischen der Primärseite und der Sekundärseite und einer Soll-Ausgangsspannung, die zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss der Gleichrichterschaltung des Gleichspannungswandlers bereitgestellt werden soll. In diesem Fall wird der Schaltungsaufbau zwischen den Eingangsanschlüssen und dem Transformator als Tiefsetzsteller betrieben, der in diesem Tiefsetzsteller-Betriebsmodus eine modulierte Spannung bereitstellt, deren Mittelwert kleiner ist als die Gleichspannung zwischen den Eingangsanschlüssen des Gleichspannungswandlers.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die erste vorbestimmte Zeitspanne in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss und/oder einer Soll-Ausgangsspannung anpassbar. Auf diese Weise kann durch Einstellen der Zeitspanne eine Spannungsregelung für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erreicht werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichrichterschaltung des Gleichspannungswandlers eine aktive Synchrongleichrichter-Schaltung. Beispielsweise kann die Gleichrichterschaltung ein fünftes Schaltelement umfassen, das zwischen dem dritten Knotenpunkt und dem ersten Ausgangsanschluss angeordnet ist, ein sechstes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators und dem ersten Ausgangsanschluss angeordnet ist, ein siebtes Schaltelement, das zwischen dem dritten Knotenpunkt und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet ist und ein achtes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine aktive Gleichrichtung der von der Sekundärseite des Transformators bereitgestellten Spannung erreicht werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung der Gleichrichterschaltung dazu ausgelegt, die Schaltelemente der aktiven Gleichrichterschaltung in Abhängigkeit von den Schaltzuständen des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements anzusteuern. Auf diese Weise kann die Synchronisation der Schaltelemente der Gleichrichterschaltung besonders einfach realisiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler einen Stromsensor. Der Stromsensor ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom durch die Sekundärseite des Transformators zu erfassen und/oder einen elektrischen Strom durch das erste Schaltelement sowie durch das zweite Schaltelement zu erfassen. Auf diese Weise können die für die Ansteuerung der Schaltelemente der Gleichspannungswandler erforderlichen Ströme besonders einfach erfasst werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers wird die zweite Zeitspanne in Abhängigkeit von einer Totzeit des ersten Schaltelements und/oder einer Totzeit des zweiten Schaltelements angepasst.
  • Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds für einen Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform;
    • 2: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt;
    • 3: .eine schematische Darstellung der Schaltungsabläufe, wie sie einer Ausführungsform zugrunde liegen.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds für einen Gleichspannungswandler 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungswandler 1 umfasst einen ersten Eingangsanschluss El und einen zweiten Eingangsanschluss E2. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und dem zweiten Eingangsanschluss E2 kann eine Eingangsspannung Uin angelegt werden. Optional kann zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und dem zweiten Eingangsanschluss E2 eine Kapazität C1 vorgesehen sein. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und einem ersten Knotenpunkt K1 ist ein erstes Schaltelement S1 angeordnet. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und einem zweiten Knotenpunkt K2 ist ein zweites Schaltelement S2 angeordnet. Weiterhin ist zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Eingangsanschluss E2 ein drittes Schaltelement S3 angeordnet und zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem zweiten Eingangsanschluss E2 ist ein viertes Schaltelement S4 angeordnet. Parallel zu jedem der vier Schaltelemente S1 bis S4 kann eine Freilaufdiode angeordnet sein. Ferner ist zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und einem Knotenpunkt, an dem das erste Schaltelement S1 und das zweite Schaltelement S2 mit dem ersten Eingangsanschluss El verbunden sind, eine Induktivität L2 angeordnet. Zusätzlich kann ein sogenannter Reverse Operation Circuit R vorgesehen sein, der zur Vermeidung von hohen Spannungstransienten eventuell in der Induktivität L2 gespeicherte elektrische Energie in ein an den Eingangsanschlüssen El, E2 angeschlossenes Netz zurückspeisen kann.
  • Bei den vier Schaltelementen S1 bis S4 kann es sich beispielsweise um beliebige Halbleiterschaltelemente wie Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFET), bipolare Transistoren mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) oder beliebige weitere Halbleiterschaltelemente handeln.
  • Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler 1 einen Transformator T mit einer Primärseite und einer Sekundärseite. Ein erster Anschluss der Primärseite des Transformators T ist mit dem ersten Knotenpunkt K1 elektrisch gekoppelt und ein zweiter Anschluss der Primärseite des Transformators T ist mit dem zweiten Knotenpunkt K2 elektrisch gekoppelt. Auf der Sekundärseite des Transformators T ist zwischen einem ersten Anschluss des Transformators T und einem dritten Knotenpunkt K3 eine Induktivität L1 angeordnet. Der dritten Knotenpunkt K3 sowie ein zweiter Anschluss der Sekundärseite des Transformators T sind mit einer Gleichrichterschaltung 10 elektrisch gekoppelt. Bei dieser Gleichrichterschaltung 10 kann es sich beispielsweise um einen passiven Brückengleichrichter handeln. Alternativ kann es sich bei der Gleichrichterschaltung 10 auch um einen aktiven Synchron-Gleichrichter oder ähnliches handeln. Beispielsweise kann zwischen dem dritten Knotenpunkt K3 und einem ersten Ausgangsanschluss A1 der Gleichrichterschaltung 10, der gleichzeitig auch einen Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers darstellt, ein fünftes Schaltelement S5 angeordnet sein. Zwischen dem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators T und dem ersten Ausgangsanschluss A1 ist ein sechstes Schaltelement S6 angeordnet. Weiterhin ist zwischen dem dritten Knotenpunkt K3 und einem zweiten Ausgangsanschluss A2 der Gleichrichterschaltung 10 ein siebtes Schaltelement S7 angeordnet und zwischen dem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators T und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 ist ein achtes Schaltelement S8 angeordnet. Parallel zu dem fünften bis achten Schaltelement S5-S8 kann dabei ebenfalls jeweils eine Freilaufdiode angeordnet sein. Weiterhin kann zwischen dem ersten Ausgangsanschluss A1 und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 eine Kapazität C2 vorgesehen sein.
  • Durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente S1 bis S4 und gegebenenfalls S5 bis S8 des Gleichspannungswandlers 1 kann auf diese Weise zwischen dem ersten Ausgangsanschluss A1 und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 eine vorgegebene Soll-Ausgangsspannung bereitgestellt werden. Hierzu können die Schaltelemente durch eine Steuereinrichtung 20 entsprechend angesteuert werden.
  • Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Ansteuerung der Schaltelemente beispielhaft beschrieben.
  • Während zunächst das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 geöffnet sind, werden das erste Schaltelement S1 und das vierte Schaltelement S4 zusammen geöffnet. Daraufhin liegt die Eingangsspannung Uin abzüglich des Spannungsabfalls an der Induktivität L2 an der Primärseite des Transformators T an. Durch die magnetische Kopplung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators T wird eine Spannung auf der Sekundärseite des Transformators T induziert. Diese Spannung ruft einen Stromfluss durch die Induktivität L1 hervor. Die Induktivität L1 kann hierbei als separates externes Bauelement oder gegebenenfalls auch als Streuinduktivität des Transformators T realisiert werden. Die Induktivität L1 stellt insbesondere eine Resonanzinduktivität des Gleichspannungswandlers 1 bzw. eine Streuinduktivität des Transformators T dar.
  • In dem zuvor beschriebenen Schaltzustand stellt sich zunächst ein Stromfluss durch die Induktivität L1 ein und die Kapazität C2 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss A1 und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 wird über die geschlossenen Schaltelemente S5 und S8 aufgeladen. Hierbei sind die Schaltelemente S6 und S7 gesperrt.
  • Nach einer vorbestimmten Zeitdauer t1 wird zunächst das vierte Schaltelement S4 geöffnet, während das erste Schaltelement S1 geschlossen bleibt. Dabei kommutiert der elektrische Strom durch die Primärseite des Transformators T von dem vierten Schaltelement S4 in die Freilaufdiode parallel zu dem zweiten Schaltelement S2. Ferner fließt der elektrische Strom weiterhin über das geschlossene erste Schaltelement S1. Auf der Sekundärseite des Transformators fließt der elektrische Strom weiterhin durch das geschlossene fünfte Schaltelement S5 und das geschlossene achte Schaltelement S8.
  • Während dem zuletzt beschriebenen Schaltzustand wird keine weitere elektrische Energie von den Eingangsanschlüssen E1 und E2 in den Gleichspannungswandler 1 eingespeist. Dieser Zustand wird hier im Folgenden als Freilauf bezeichnet. Hierbei wird insbesondere die in der Induktivität L1 gespeicherte elektrische Energie an den Kondensator C2 zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss A1, A2 weitergegeben. Im weiteren Verlauf wird der elektrische Strom auf der Sekundärseite durch die Induktivität L1 von einem Maximalwert bis auf Null absinken. Ist der elektrische Strom durch die Induktivität L1 und somit auch durch die Sekundärseite des Transformators T bis auf Null bzw. annähernd Null Ampere abgeklungen, so ist auch der elektrische Strom auf der Primärseite des Transformators T und somit insbesondere durch das erste Schaltelement S1 ebenfalls annähernd Null Ampere. Daraufhin kann das erste Schaltelement S1 stromlos geöffnet werden. Hierbei sind insbesondere die Schaltverluste beim Öffnen des ersten Schaltelement S1 minimal. Da auch auf der Sekundärseite in diesem Fall kein weiterer elektrischer Strom fließt, können auch das fünfte Schaltelement S5 und das achte Schaltelement S8 stromlos und somit leistungslos geöffnet werden.
  • Nachdem in dem zuletzt beschriebenen Schaltzustand alle Schaltelemente geöffnet sind, kann daraufhin nach einer weiteren Zeitspanne t2 das gleiche Schaltspiel mit umgekehrtem Vorzeichen wiederholt werden, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Hierbei sollte die Zeitspanne t2 zwischen dem Öffnen des ersten Schaltelement S1 (und den Schaltelementen S5 und S8) mindestens einer Totzeit des ersten Schaltelements S1 entsprechen. Aufgrund von parasitären Effekten der Bauelemente, insbesondere der Schaltelemente Sl-S4 kann es zu einer Schaltverzögerung kommen. Durch Berücksichtigen einer Totzeit, die diesen Eigenschaften Rechnung trägt, kann gewährleistet werden, dass kein weiterer elektrischer Strom durch das erste Schaltelement S1 fließen wird, wenn die weiteren Schaltverläufe eingeleitet werden.
  • Für die weitere Energieübertragung werden daraufhin zunächst das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 geschlossen. Hierauf fließt von dem ersten Eingangsanschluss El ein elektrischer Strom durch das zweite Schaltelement S2, die Primärseite des Transformators T und das dritte Schaltelement S3 zu dem zweiten Eingangsanschluss E2. Daraufhin wird ein elektrischer Strom auf der Sekundärseite des Transformators T induziert, und es beginnt ein elektrischer Strom durch die Sekundärseite des Transformators T, die Induktivität L1 sowie die beiden ebenfalls geschlossenen Schaltelemente S6 und S7 (sechstes und siebtes Schaltelement) in die zweite Kapazität C2.
  • Nach einer vorbestimmten Zeitdauer, die vorzugsweise der oben beschriebenen ersten Zeitdauer t1 entspricht, wird daraufhin das dritte Schaltelement S3 geöffnet. Daraufhin kommutiert der elektrische Strom durch die Freilaufdiode parallel zu dem ersten Schaltelement S1.
  • Auf der Sekundärseite hat sich zwischenzeitlich ein elektrischer Strom durch die Induktivität L1 eingestellt, der von nun an von einem Maximalwert bis auf annähernd Null Ampere abklingt. Sobald der elektrische Strom auf der Sekundärseite durch die Induktivität L1 auf annähernd Null Ampere abgeklungen ist, fließt auch kein elektrischer Strom mehr durch das noch geöffnete sechste und siebte Schaltelement S6 und S7. Entsprechend fließt nach dem Abklingen des elektrischen Stroms auch kein elektrischer Strom mehr auf der Primärseite durch das zweite Schaltelement S2. Daraufhin können das zweite Schaltelement S2 sowie das sechste Schaltelement S6 und das siebte Schaltelement S7 stromlos und somit leistungslos geöffnet werden.
  • Anschließend kann nach einer weiteren Zeitspanne, die vorzugsweise der zuvor beschriebenen zweiten Zeitspanne t2 entspricht, das zuvor beschriebene Schaltspiel mit dem Schließen des ersten Schaltelements S1 und dem vierten Schaltelement S4 wiederholt werden.
  • Beim Öffnen des vierten Schaltelements S4 bzw. beim Öffnen des dritten Schaltelements S3 in den zuvor beschriebenen Schaltspielen wird dabei der elektrische Strom durch die Induktivität L2 abrupt unterbrochen. Dabei können gegebenenfalls hohe Spannungstransienten auftreten. Um hierdurch entstehende Beschädigungen zu vermeiden, kann zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und einem Verbindungspunkt des ersten Schaltelements S1 und dem zweiten Schaltelement S2 gegebenenfalls ein sogenannter „Reverse Operation Circuit“ R vorgesehen sein.
  • Optional kann in den zuvor beschriebenen Schaltzuständen, in denen ein elektrischer Strom durch eine Freilaufdiode parallel zu einem Schaltelement fließt, das entsprechende Schaltelement jeweils aktiv angesteuert und geschlossen werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Durchlassverluste noch weiter zu reduzieren, da die elektrischen Halbleiterschaltelemente in der Regel niedrigere Verluste aufweisen als eine parallel dazu angeordnete Freilaufdiode.
  • Die Ansteuerung des ersten Schaltelements S1 bis vierten Schaltelements S4 erfolgt dabei in einem sogenannten „Buck-Betriebs“ (Tiefsetzstellerbetrieb). Die einzustellende Zeitdauer für den Freilauf, das heißt die vorgegebene erste Zeitdauer tl, hängt dabei von der bereitzustellenden Ausgangsspannung, von einem Übersetzungsverhältnis des Transformators T, dem maximalen Sekundärstrom bzw. Primärstrom, der Eingangsspannung Uin, sowie der Induktivität L1 ab. Da sowohl die Induktivität L1 als auch das Übertragungsverhältnis des Transformators T als konstant angesehen werden können, kann bei einer Begrenzung des Eingangsstroms für den Gleichspannungswandler 1 auf einen maximalen Wert angenommen werden, dass die Ausgangsspannung Uout des Gleichspannungswandlers direkt proportional zur ersten Zeitspanne t1 für den Freilauf ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Regelung der Ausgangsspannung Uout.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zum Ansteuern eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei dem Gleichspannungswandler für dieses Verfahren kann es sich insbesondere um einen zuvor beschriebenen Gleichspannungswandler 1 handeln. Zunächst wird in Schritt 110 das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 geöffnet. In Schritt 120 werden das erste Schaltelement S1 und das vierte Schaltelement S4 geschlossen. Nach einer vorbestimmten ersten Zeitspanne t1 wird daraufhin das vierte Schaltelement S4 wieder geöffnet. Dabei wird in Schritt 140 ein elektrischer Strom durch das erste Schaltelement S1 und/oder durch die Sekundärseite des Transformators T überwacht. Wird dabei detektiert, dass der elektrische Strom durch das erste Schaltelement S1 und/oder durch die Sekundärseite des Transformators T kleiner ist als ein vorgegebener Schwellwert, so wird in Schritt 150 das erste Schaltelement S1 geöffnet. Das Öffnen dieses ersten Schaltelements S1 erfolgt somit stromlos. Anschließend kann in Schritt 160 nach einer weiteren, vorbestimmten Zeitspanne t2 das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 geschlossen werden. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, die vorzugsweise der vorbestimmten ersten Zeitspanne t1 entspricht, wird daraufhin in Schritt 170 das dritte Schaltelement S3 geöffnet. Daraufhin wird in Schritt 180 der elektrische Strom durch das zweite Schaltelement S2 und/oder der elektrische Strom durch die Sekundärseite des Transformators T überwacht. Wird dabei detektiert, dass der elektrische Strom durch das zweite Schaltelement S2 und/oder durch die Sekundärseite des Transformators T kleiner ist als ein vorgegebener Schwellwert, so wird in Schritt 190 das zweite Schaltelement stromlos geöffnet. Anschließend können die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt werden.
  • Für die Überwachung des elektrischen Stroms auf der Sekundärseite des Transformators und/oder die Überwachung des elektrischen Stroms durch die Schaltelemente auf der Primärseite des Transformators kann dabei ein geeigneter Stromsensor (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung des Modulationsverfahrens sowie des Sekundärstromverlaufs gemäß einer Ausführungsform. Im oberen Diagramm sind die Ansteuersignale des ersten und zweiten Schaltelements S1, S2 (High-Side-Schaltelemente) dargestellt, im mittleren Diagramm sind die Ansteuersignale des dritten und vierten Schaltelements S3, S4 (Low-Side-Schaltelemente) dargestellt und im unteren Diagramm ist der Verlauf des Sekundärstroms dargestellt.
  • Zuerst werden das erste und das vierte Schaltelemente S1 und S4 zusammen eingeschaltet. Dadurch liegt eine Spannung an der Primärseite der Transformatorwicklung des Transformators T und ruft einen Stromfluss von der Eingangsseite in die Primärwicklung hervor. Durch die magnetische Kopplung beider Induktivitäten im Transformator T wird eine Spannung an der Sekundärwicklung induziert, die einen Stromfluss von der Sekundärwicklung durch die Resonanzinduktivität L1, die Schaltelemente S5 und S8 in den Ausgangskondensator C2 hervorruft. Die Resonanzinduktivität L1 und die Ausgangskapazität C2 werden aufgeladen und die Ausgangsspannung wächst. Als nächstes wird das vierte Schaltelement S4 ausgeschaltet. Das erste Schaltelement S1 bleibt dabei eingeschaltet. Der Primärstrom kommutiert von dem vierten Schaltelement S4 in die Body-Diode des zweiten Schaltelements S2 und fließt nun durch diese Diode, weiter durch das erste Schaltelement S1 und die Primärwicklung. Der Sekundärstrom fließt durch das fünfte Schaltelement S5 und das achte Schaltelement S8 weiter. In diesem Betriebszustand ist die Primärwicklung des Transformators T kurzgeschlossen, und es findet somit keine Energieübertragung von der Eingangsseite El, E2 zum Transformator T und zu dem an der Ausgangseite liegenden Kondensator C2 statt. Dieser Zustand wird als Freilauf bezeichnet. Hierbei fließen sowohl der Primär- als auch der Sekundärstrom weiter, es findet jedoch keine Energieübertragung mehr von dem Primär- in den Sekundärkreis statt. Die in der Induktivität L1 gespeicherte Energie wird im Freilauf an den Kondensator C2 weiter gegeben. Dabei wird der Sekundärstrom vom Maximum auf Null abgebaut. Beim Ausschalten des vierten Schaltelements S4 wird der Strom durch die Induktivität L2 an der Eingangsseite abrupt unterbrochen. Dabei können hohe Spannungstransienten auftauchen, die die Schaltelemente beschädigen können. Um dies zu vermeiden, wird die in L2 gespeicherte Energie durch den Reverse Operation Circuit R in das Netz an der Eingangsseite zwischen E1 und E2 zurückgespeist, sodass keine Spannungstransienten auftreten. Ist der Sekundärstrom Null, so ist auch der Primärstrom Null und das erste Schaltelement S1 wird in diesem Zeitpunkt ausgeschaltet. Sowohl die Schaltelemente S1-S4 auf der Primärseite, als auch die Schaltelemente S5-S8 auf der Sekundärseite schalten stromlos und folglich leistungslos aus. Durch den stromlosen Ausschaltvorgang wird der Reverse-Recovery-Effekt der Gleichrichterdioden auf der Sekundärseite reduziert. Mit dem Ausschalten des ersten Schaltelements S1 ist die erste Halbperiode abgeschlossen. Nach einer Totzeit Δt werden das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 eingeschaltet und der Vorgang startet mit der zweiten Halbbrücke in umgekehrter Richtung erneut.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers mit hoher Spannungsfestigkeit sowie verringerten Leistungsverlusten. Hierbei wird eine optimierte Ansteuerung eines Potentialtrennenden Multilevel-Halbbrückenwandlers gemäß einer Phase-Shifted Full-Bridge Konfiguration mit einem neuartigen Modulationsverfahren vorgeschlagen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012204029 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Gleichspannungswandler (1), mit: einem ersten Eingangsanschluss (El); einem zweiten Eingangsanschluss (E2); einem ersten Schaltelement (S1), das zwischen dem ersten Eingangsanschluss (E1) und einem ersten Knotenpunkt (K1) angeordnet ist; einem zweiten Schaltelement (S2), das zwischen dem ersten Eingangsanschluss (I1) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; einem dritten Schaltelement (S3), das zwischen dem ersten Knotenpunkt (K1) und dem zweiten Eingangsanschluss (E2) angeordnet ist; einem vierten Schaltelement (S4), das zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem zweiten Eingangsanschluss (E2) angeordnet ist, wobei jeweils parallel zu den Schaltelementen (S1-S4) eine Freilaufdiode (D1-D4) angeordnet ist; einem Transformator (T), mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei ein erster Anschluss der Primärseite mit dem ersten Knotenpunkt (K1) elektrisch gekoppelt ist und ein zweiter Anschluss der Primärseite mit dem zweiten Knotenpunkt (K2) elektrisch gekoppelt ist; einer ersten Induktivität (L1), die zwischen einem ersten Anschluss der Sekundärseite des Transformators (T) und einem dritten Knotenpunkt (K3) angeordnet ist; einer Gleichrichterschaltung (10), die dazu ausgelegt ist, eine zwischen dem dritten Knotenpunkt (K3) und einem zweiten Anschuss der Sekundärseite des Transformators anliegende elektrische Spannung gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung zwischen einem ersten Ausgangsanschluss (A1) und einem zweiten Ausgangsanschluss (A2) bereitzustellen; und einer Steuereinrichtung (20), die dazu ausgelegt ist, - das zweite Schaltelement (S2) und das dritte Schaltelement (S3) zu öffnen; - das erste Schaltelement (S1) und das vierte Schaltelement (S4) zu schließen; - anschließend nach einer vorbestimmten ersten Zeitspanne (t1) das vierte Schaltelement (S4) zu öffnen; - daraufhin das erste Schaltelement (S1) zu öffnen, nachdem ein elektrischer Strom durch das erste Schaltelement (S1) und/oder ein elektrischer Strom durch die Sekundärseite des Transformators (T) einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet; - anschließend nach einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne (t2) das zweite Schaltelement (S2) und das dritte Schaltelement (S3) zu schließen; - anschließend nach der vorbestimmten ersten Zeitspanne (t1) das dritte Schaltelement (S3) zu öffnen; - daraufhin das zweite Schaltelement (S2) zu öffnen, nachdem ein elektrischer Strom durch das zweite Schaltelement (S2) und/oder ein elektrischer Strom durch die Sekundärseite des Transformators (T) den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
  2. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, wobei eine Eingangsspannung (Uin) zwischen dem ersten Eingangsanschluss (E1) und dem zweiten Eingangsanschluss (E2) kleiner ist als das Produkt eines Übertragungsverhältnisses zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators (T) und einer zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (A1) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) auszugebenden Soll-Ausgangsspannung (Uout).
  3. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine die vorbestimmte erste Zeitspanne (t1) in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (Uin) und/oder der Soll-Ausgangsspannung (Uout) anpassbar ist.
  4. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gleichrichterschaltung (10) eine aktive Synchrongleichrichter-Schaltung umfasst.
  5. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (20) ferner dazu ausgelegt ist, die Schaltelemente (S5-S8) der Gleichrichterschaltung in Abhängigkeit von den Schaltzuständen des ersten Schaltelements (S1) und des zweiten Schaltelements (S2) anzusteuern.
  6. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Stromsensor, der dazu ausgelegt ist einen elektrischen Strom durch die Sekundärseite des Transformators (T) zu erfassen und/oder einen elektrischen Strom durch das erste Schaltelement (S1) sowie durch das zweite Schaltelement (S2) zu erfassen.
  7. Verfahren (100) zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers (1), mit einem ersten Eingangsanschluss (E1), einem zweiten Eingangsanschluss (E2), einem ersten Schaltelement (S1), das zwischen dem ersten Eingangsanschluss (E1) und einem ersten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist, einem zweiten Schaltelement (S2), das zwischen dem ersten Eingangsanschluss (E1) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist, einem dritten Schaltelement (S3), das zwischen dem ersten Knotenpunkt (K1) und dem zweiten Eingangsanschluss (E2) angeordnet ist, einem vierten Schaltelement (S4), das zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem zweiten Eingangsanschluss (E2) angeordnet ist, wobei jeweils parallel zu den Schaltelementen (S1-S4) eine Freilaufdiode (D1-D4) angeordnet ist, einem Transformator (T), mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei ein erster Anschluss der Primärseite mit dem ersten Knotenpunkt (K1) elektrisch gekoppelt ist und ein zweiter Anschluss der Primärseite mit dem zweiten Knotenpunkt (K2) elektrisch gekoppelt ist, einer ersten Induktivität (L1), die zwischen einem ersten Anschluss in der Sekundärseite des Transformators (T) und einem dritten Knotenpunkt (K3) angeordnet ist, einer Gleichrichterschaltung (10), die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung zwischen dem dritten Knotenpunkt (K3) und einem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators (T) gleichzurichten, und die gleichgerichtete Spannung zwischen einem ersten Ausgangsanschluss (A1) und einem zweiten Ausgangsanschluss (A2) bereitzustellen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Öffnen (110) des zweiten Schaltelements (S2) und des dritten Schaltelements (S3); - Schließen (120) des ersten Schaltelements (S1) und des vierten Schaltelements (S4); - Öffnen (130) des vierten Schaltelement (S4) nachdem das vierte Schaltelement (S4) eine vorbestimmte erste Zeitspanne (t1) geschlossen ist; - Überwachen (140) eines elektrischen Stroms durch das erste Schaltelement (S1) und/oder eines elektrischen Stroms durch die Sekundärseite des Transformators (T); - Öffnen (150) des ersten Schaltelements (S1), nachdem der überwachte elektrische Strom durch das erste Schaltelement (S1) und/oder durch die Sekundärseite des Transformators (T) kleiner ist als ein vorgegebener Schwellwert; - Schließen (160) des zweiten Schaltelements (S2) und des dritten Schaltelement (S3) nachdem das erste Schaltelement (S1) eine vorbestimmte zweite Zeitspanne (t2) geöffnet ist; - Öffnen (170) des dritten Schaltelement (S3), nachdem das dritte Schaltelement (S3) für die vorbestimmte erste Zeitspanne (t1) geschlossen ist; - Überwachen (180) eines elektrischen Stroms durch das zweite Schaltelement (S2) und/oder eines elektrischen Stroms durch die Sekundärseite des Transformators (T); und - Öffnen (190) des zweiten Schaltelement (S2), nachdem der überwachte elektrische Strom durch das zweite Schaltelement (S2) und/oder durch die Sekundärseite des Transformators (T) kleiner ist als der vorgegebene Schwellwert.
  8. Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei die zweite Zeitspanne (t2) in Abhängigkeit von einer Totzeit des ersten Schaltelements (S1) und/oder eine Totzeit des zweiten Schaltelement (S2) anpassbar ist.
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