DE102019104539B4 - Isolierter DC/DC-Wandler, Steuereinheit für isolierten DC/DC-Wandler und DC/AC-Wandler - Google Patents

Isolierter DC/DC-Wandler, Steuereinheit für isolierten DC/DC-Wandler und DC/AC-Wandler Download PDF

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Abstract

Ein isolierter DC/DC-Wandler, welcher umfasst:einen DC/AC-Wandler (3), der so konfiguriert ist, dass er durch einen Betrieb von Halbleiterschaltvorrichtungen (3a, 3b, 3c, 3d) eine DC/AC-Umwandlung durchführt;einen Isolationstransformator (5), der so konfiguriert ist, dass er eine AC-Ausgangsspannung des DC/AC-Wandlers (3) isoliert, um die AC-Ausgangsspannung in eine vorbestimmte Größe zu transformieren;eine Gleichrichterschaltung (6), die so konfiguriert ist, dass sie die AC-Ausgangsspannung des Isolationstransformators (5) in eine DC-Spannung umwandelt; undeine Steuereinheit (20), die so konfiguriert ist, dass sie die Halbleiterschaltvorrichtungen (3a, 3b, 3c, 3d) treibt,wobei die Steuereinheit (20) umfasst:eine DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine DC-Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers (3) berechnet;eine erste Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Eingangsleistungs-Befehlswert berechnet, sodass ein DC-Ausgangsspannungs-Messwert der Gleichrichterschaltung (6) einem DC-Ausgangsspannungs-Befehlswert folgt;eine Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen oberen Grenzwert des DC-Eingangsleistungsbefehlswerts auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und den DC-Eingangsleistungs-Befehlswert ausgibt;eine zweite Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert der Gleichrichterschaltung (6) berechnet, sodass ein DC-Eingangsleistungs-Berechnungswert der DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit dem DC-Eingangsleistungs-Befehlswert folgt, der durch die Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit begrenzt ist; undeine Treiberpuls-Erzeugungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Treiberpulse für die Halbleiterschaltvorrichtung (3a, 3b, 3c und 3d) basierend auf dem DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert erzeugt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen isolierten DC/DC-Wandler, eine Steuereinheit für den isolierten DC/DC-Wandler und einen DC/AC-Wandler.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • 4 ist ein Schaltdiagramm eines isolierten DC/DC-Wandlers, der in Patentdokument 1 beschrieben ist. In 4 beinhaltet der isolierte DC/DC-Wandler einen Glättungskondensator 51, der zwischen Eingangsklemmen a und b verbunden ist, an die eine Gleichspannung Vin angelegt wird; Halbleiterschaltvorrichtungen 52a, 52b, 52c und 52d, welche einen DC/AC-Wandler 52 bilden; einen Resonanzkondensator 53; eine Resonanzdrossel 54; einen Isolationstransformator 55; einen Schalter 56 zum parallelen Verbinden einer Spule 57 mit einer Primärwicklung des Isolationstransformators 55; eine Spule 58, die eine parallele Resonanzinduktivität bildet; eine Gleichrichterschaltung 59; und einen Glättungskondensator 60. Ausgangsklemmen c und d sind mit beiden Enden des Glättungskondensators 60 verbunden, und es wird eine Gleichspannung Vout ausgegeben. Hierbei bilden der Schalter 56 und die Spule 57 eine Schaltung, welche die parallele Resonanzinduktivität der Spule 58 anpasst. Außerdem werden jeweilige Werte, die durch einen Spannungsdetektor 71 und einen Stromdetektor 72 detektiert werden, in eine Steuereinheit 70 eingegeben. Diese Steuereinheit 70 steuert An/Aus des DC/AC-Wandlers 52 und des Schalters 56.
  • In diesem isolierten DC/DC-Wandler ist der Schalter 56 in einem vorbestimmten Bereich der Eingangs-/Ausgangsspannung, zum Beispiel in einem Bereich von 320 [V] bis 440 [V] einschließlich des Nennwerts der Eingangsspannung, ausgeschaltet, sodass nur die Spule 58 mit der Primärwicklung des Isolationstransformators 55 parallel verbunden ist. Außerdem ist in einem Spannungsbereich außerhalb des oben genannten der Schalter 56 eingeschaltet, und die Spulen 57 und 58 sind parallel verbunden, um die parallele Resonanzinduktivität der Spule 58 wesentlich zu reduzieren. Wenn die Eingangsspannung in dem Bereich von 320 [V] bis 440 [V] liegt, ist daher der parallele Resonanzstrom, der zu der Primärseite des Isolationstransformators 55 fließt, reduziert, um die Leistungsverluste der gesamten Schaltung zu reduzieren.
  • [Dokumente zum Stand der Technik]
  • [Patentdokumente]
  • [Patentdokument 1] Japanische Patentveröffentlichung Nr. JP 2015- 117 595 A (Absätze [0040] bis [0056] und 1 bis 5)
  • 5 stellt den Leistungsverlust-Reduktionseffekt des isolierten DC/DC-Wandlers aus 4 dar. Wie in 5 dargestellt, ist es in diesem isolierten DC/DC-Wandler möglich, die Leistungsverluste insgesamt verglichen mit einem herkömmlichen Design zu verringern, indem der Schalter 56 gesteuert wird, um die parallele Resonanzinduktivität anzupassen.
  • Wie aus 5 ersichtlich, ist jedoch der Leistungsverlust-Reduktionseffekt ausschließlich auf die Halbleiterschaltvorrichtungen 52a, 52b, 52c und 52d des DC/AC-Wandlers 52, die Resonanzdrossel 54 und die Spule 58 zurückzuführen, und die Leistungsverluste in dem Isolationstransformator 55 ändern sich nicht wesentlich.
  • Andererseits ist zum Beispiel in dem Bereich einer an einem Fahrzeug montierten Leistungsversorgungsvorrichtung ein AC-Leistungsversorgungssystem bekannt, welches eine DC-Ausgangsspannung eines isolierten DC/DC-Wandlers durch einen Inverter in eine AC-Spannung umwandelt und die AC-Spannung nach außen liefert. Um bei dieser Art von AC-Leistungsversorgungssystem einen Isolationstransformator herzustellen, der den maximalen AC-Ausgang eines Inverters zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Leistungsversorgung bewältigen kann, ist es unvermeidlich, die Erregerinduktivität klein auszulegen, und infolgedessen nimmt der Erregerstrom zu.
  • Da ein Eingangsstrom, welcher abhängig von einem Laststrom und dem Erregerstrom des Isolationstransformators bestimmt wird, auch zunimmt, steigt daher der Kupferverlust und die Effizienz nimmt ab. Dies verursacht ein Problem, dass die Kühlleistung erhöht werden muss und das Gerät größer und die Kosten höher werden.
  • In dem isolierten DC/DC-Wandler, der in Patentdokument 1 beschrieben wird, kann der Leistungsverlust der gesamten Vorrichtung in einem vorbestimmten Eingangs-/Ausgangsspannungsbereich reduziert werden. Da sich der Leistungsverlust des Isolationstransformators selbst nicht wesentlich ändert, ist jedoch eine weitere Leistungsverlusts-Reduktion notwendig.
  • Ferner ist aus der US 7 031 176 B2 ein Wechselrichter für Solarzellen oder Fotovoltaikzellen bekannt, der so ausgelegt ist, dass die Anlage bei konstanter Leistung und mit einem maximalen Arbeitspunkt betrieben werden kann.
  • Daher ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen isolierten DC/DC-Wandler, eine Steuereinheit für den isolierten DC/DC-Wandler und einen DC/AC-Wandler, welcher den isolierten DC/DC-Wandler und den isolierten DC/DC-Wandler beinhaltet, bereitzustellen, welche die Leistungsverluste eines Isolationstransformators reduzieren können, um die Effizienz zu vergrößern.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Anbetracht des obigen, beinhaltet ein isolierter DC/DC-Wandler gemäß einer Ausführungsform: einen DC/AC-Wandler, der so konfiguriert ist, dass er durch einen Betrieb von Halbleiterschaltvorrichtungen eine DC/AC-Umwandlung durchführt; einen Isolationstransformator, der so konfiguriert ist, dass er eine AC-Ausgangsspannung des DC/AC-Wandlers isoliert, um die AC-Ausgangsspannung in eine vorbestimmte Größe zu transformieren; eine Gleichrichterschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die AC-Ausgangsspannung des Isolationstransformators in eine DC-Spannung umwandelt; und eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Halbleiterschaltvorrichtungen treibt, wobei die Steuereinheit umfasst: eine DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine DC-Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers berechnet; eine erste Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Eingangsleistungs-Befehlswert berechnet, sodass ein DC-Ausgangsspannungs-Messwert der Gleichrichterschaltung einem DC-Ausgangsspannungs-Befehlswert folgt; eine Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen oberen Grenzwert des DC-Eingangsleistungsbefehlswerts auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und den DC-Eingangsleistungs-Befehlswert ausgibt; und eine zweite Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert der Gleichrichterschaltung berechnet, sodass ein DC-Eingangsleistungs-Berechnungswert der DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit dem DC-Eingangsleistungs-Befehlswert folgt, der durch die Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit begrenzt ist; und eine Treiberpuls-Erzeugungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Treiberpulse für die Halbleiterschaltvorrichtung basierend auf dem DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert erzeugt.
  • Da der obere Grenzwert der DC-Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers, welcher den isolierten DC/DC-Wandler bildet, begrenzt ist, ist es gemäß einer Ausführungsform möglich, die Eingangsleistung des Isolationstransformators zu reduzieren und die Erregerinduktivität des Isolationstransformators so auszulegen, dass sie einen großen Wert annimmt. Dadurch ist es möglich, den Erregerstrom und den Eingangsstrom des Isolationstransformators zu reduzieren, um Kupferverluste zu reduzieren. Ferner ist es möglich, den gesamten Leistungsverlust des Isolationstransformators zu reduzieren und die Effizienz des isolierten DC/DC-Wandlers und des DC/AC-Wandlers, welcher den isolierten DC/DC-Wandler beinhaltet, zu erhöhen. Daher ist es unnötig, eine Kühlleistung einer Vorrichtung mehr als nötig zu erhöhen, und es ist möglich zu verhindern, dass die gesamte Vorrichtung größer und teurer wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Schaltplan eines DC/AC-Wandlers, welcher einen isolierten DC/DC-Wandler beinhaltet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 2 ist ein schematisches Wellenformdiagramm, das einen Betrieb von 1 beschreibt;
    • 3 ist ein schematisches Wellenformdiagramm für einen Fall, in dem der Eingangsleistungs-Befehlswert nicht begrenzt ist;
    • 4 ist ein Schaltplan eines isolierten DC/DC-Wandlers, der in Patentdokument 1 beschrieben ist; und
    • 5 ist ein Diagramm, das einen Leistungsverlust-Reduktionseffekt durch einen in Patentdokument 1 beschriebenen isolierten DC/DC-Wandler beschreibt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bevor eine Ausführungsform beschrieben wird, werden im Folgenden Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt beinhaltet ein isolierter DC/DC-Wandler: einen DC/AC-Wandler, der so konfiguriert ist, dass er durch einen Betrieb von Halbleiterschaltvorrichtungen eine DC/AC-Umwandlung durchführt; einen Isolationstransformator, der so konfiguriert ist, dass er eine AC-Ausgangsspannung des DC/AC-Wandlers isoliert, um die AC-Ausgangsspannung in eine vorbestimmte Größe zu transformieren; eine Gleichrichterschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die AC-Ausgangsspannung des Isolationstransformators in eine DC-Spannung umwandelt; und eine Steuereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Halbleiterschaltvorrichtungen treibt, wobei die Steuereinheit beinhaltet: eine DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine DC-Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers berechnet; eine erste Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Eingangsleistungs-Befehlswert berechnet, sodass ein DC-Ausgangsspannungs-Messwert der Gleichrichterschaltung einem DC-Ausgangsspannungs-Befehlswert folgt; eine Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen oberen Grenzwert des DC-Eingangsleistungsbefehlswerts auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und den DC-Eingangsleistungs-Befehlswert ausgibt; und eine zweite Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert der Gleichrichterschaltung berechnet, sodass ein DC-Eingangsleistungs-Berechnungswert der DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit dem DC-Eingangsleistungs-Befehlswert folgt, der durch die Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit begrenzt ist; und eine Treiberpuls-Erzeugungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Treiberpulse für das Halbleiterschaltelement basierend auf dem DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert erzeugt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt ist in dem isolierten DC/DC-Wandler gemäß dem ersten Aspekt der vorgegebene Wert in der Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit basierend auf einem Designwert einer Erregerinduktivität des Isolationstransformators eingestellt.
  • Eine Steuereinheit für einen isolierten DC/DC-Wandler, welcher beinhaltet: einen DC/AC-Wandler, der so konfiguriert ist, dass er durch einen Betrieb von Halbleiterschaltvorrichtungen eine DC/AC-Umwandlung durchführt; einen Isolationstransformator, der so konfiguriert ist, dass er eine AC-Ausgangsspannung des DC/AC-Wandlers isoliert, um die AC-Ausgangsspannung in eine vorbestimmte Größe zu transformieren; und eine Gleichrichterschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die AC-Ausgangsspannung des Isolationstransformators in eine DC-Spannung umwandelt, beinhaltet, um Treiberpulse für die Halbleiterschaltvorrichtungen zu erzeugen, gemäß einem dritten Aspekt: eine DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine DC-Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers berechnet; eine erste Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Eingangsleistungs-Befehlswert berechnet, sodass ein DC-Ausgangsspannungs-Messwert der Gleichrichterschaltung einem DC-Ausgangsspannungs-Befehlswert folgt; eine Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen oberen Grenzwert des DC-Eingangsleistungsbefehlswerts auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und den DC-Eingangsleistungs-Befehlswert ausgibt; eine zweite Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert der Gleichrichterschaltung berechnet, sodass ein DC-Eingangsleistungs-Berechnungswert der DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit dem DC-Eingangsleistungs-Befehlswert folgt, der durch die Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit begrenzt ist; und eine Treiberpuls-Erzeugungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Treiberpulse für die Halbleiterschaltvorrichtung basierend auf dem DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert erzeugt.
  • Gemäß einem vierten Aspekt ist in der Steuereinheit für den isolierten DC/DC-Wandler gemäß dem dritten Aspekt der vorgegebene Wert in der Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit basierend auf einem Designwert einer Erregerinduktivität des Isolationstransformators eingestellt.
  • Gemäß einem fünften Aspekt beinhaltet ein DC/AC-Wandler den isolierten DC/DC-Wandler gemäß dem ersten Aspekt; und einen Inverter, der so konfiguriert ist, dass er eine DC-Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung in eine AC-Spannung umwandelt.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt ist in dem isolierten DC/AC-Wandler gemäß dem fünften Aspekt der vorgegebene Wert in der Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit so eingestellt, dass er approximativ das 1,5-fache einer Nenn-AC-Ausgangsleistung des Inverters beträgt.
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 1 ist ein Schaltdiagramm eines DC/AC-Wandlers, welcher einen isolierten DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet. Zuerst wird eine Hauptschaltkonfiguration beschrieben.
  • In 1 ist ein Glättungskondensator 2 zwischen den positiven und negativen Elektroden einer DC-Leistungsversorgung 1 verbunden, und beide Enden des Glättungskondensators 2 sind mit der DC-Eingangsseite eines DC/AC-Wandlers 3 verbunden, der aus Halbleiterschaltvorrichtungen 3a, 3b, 3c und 3d besteht.
  • Eine Primärwicklung eines Isolationstransformators 5 ist zwischen den AC-Ausgangsklemmen des DC/AC-Wandlers 3 über einen Resonanzkondensator 4 verbunden, und beide Enden der Sekundärwicklung sind mit der AC-Eingangsseite einer Gleichrichterschaltung 6 verbunden, die aus Dioden 6a, 6b, 6c und 6d besteht.
  • Ein Glättungskondensator 7 ist zwischen den DC-Ausgangsklemmen der Gleichrichterschaltung 6 verbunden, und beide Enden des Glättungskondensators 7 sind mit der DC-Eingangsseite eines Einphasen-Inverters 8 verbunden, welcher eine Brückenschaltung von Halbleiterschaltvorrichtungen 8a, 8b, 8c und 8d und ein Ausgangsfilter 8e beinhaltet. Man beachte, dass die AC-Ausgangsklemmen 8f und 8g Klemmen sind, wo die AC-Spannung Vac und der AC-Strom Iac ausgegeben werden.
  • Die Arten der Halbleiterschaltvorrichtungen, welche den DC/AC-Wandler 3 und den Einphasen-Inverter 8 bilden, sind nicht auf das dargestellte Beispiel begrenzt, und gemäß den Nennwerten und Spezifikationen einer Vorrichtung können gewünschte Arten von Elementen wie FETs, IGBTs oder Leistungstransistoren geeignet gewählt werden.
  • Als nächstes wird eine Konfiguration einer Steuereinheit 20 für den DC/AC-Wandler 3 beschrieben. Man beachte, dass, weil eine Steuereinheit für den Inverter 8 nicht ein Hauptteil der vorliegenden Erfindung ist, eine Darstellung und Beschreibung davon der Zweckmäßigkeit halber weggelassen wird.
  • In der oben beschriebenen Hauptschaltung sind ein Spannungsdetektor 9, der eine DC-Eingangsspannung Vin des DC/AC-Wandlers 3 detektiert, ein Stromdetektor 10, der einen DC-Eingangsstrom Iin detektiert, und ein Spannungsdetektor 11, der eine DC-Ausgangsspannung Vo des DC/DC-Wandlers (DC-Zwischenspannung des DC/AC-Wandlers) detektiert, bereitgestellt. Die jeweiligen Werte Vin, Iin und Vo, die durch diese Detektoren 9-11 detektiert werden, werden in die Steuereinheit 20 eingegeben.
  • In der Steuereinheit 20 werden ein Ausgangsspannungs-Befehlswert Vo* und der Ausgangsspannungs-Messwert Vo des DC/DC-Wandlers in einen Subtraktor 21 eingegeben, und ein erster Regler 22, der von einem Regler, wie zum Beispiel einem P (proportional)-Regler und einem PI (proportional integral)-Regler, gebildet wird, arbeitet so, dass der Ausgangsspannungs-Messwert Vo dem Ausgangsspannungs-Befehlswert Vo* folgt, um einen ersten Eingangsleistungs-Befehlswert Pin* zu berechnen. Der erste Eingangsleistungs-Befehlswert Pin* wird in einen Leistungs-Begrenzer 23 eingegeben, und ein zweiter Eingangsleistungs-Befehlswert Pin** mit einem oberen Grenzwert, der durch einen Leistungsgrenzwert Plim begrenzt wird, wird berechnet.
  • Andererseits wird ein Eingangsleistungs-Messwert Pin, der von einem Multiplikator 24 erhalten wird, der den Eingangsspannungs-Messwert Vin mit dem Eingangsstrom-Messwert Iin multipliziert, zusammen mit dem zweiten Eingangsleistungs-Befehlswert Pin** in einen Subtraktor 25 eingegeben. Die Abweichung zwischen dem Eingangsleistungs-Messwert Pin und dem zweiten Eingangsleistungs-Befehlswert Pin** wird in einen zweiten Regler 26 eingegeben, der von einem Regler, wie zum Beispiel einem P-Regler oder einem PI-Regler, gebildet wird.
  • Der zweite Regler 26 berechnet einen Ausgangsleistungs-Befehlswert Po*, sodass die oben beschriebene Abweichung Null wird, und gibt den Leistungs-Befehlswert Po* an einen Treiberpuls-Erzeuger 27 aus.
  • Der Treiberpuls-Erzeuger 27 führt eine PWM (Pulse Width Modulation)-Berechnung oder dergleichen basierend auf dem Ausgangsleistungs-Befehlswert Po* aus, um Treiberpulse zu erzeugen, von denen jeder eine vorbestimmte Frequenz, eine Pulsbreite und eine Phase hat, und liefert die Treiberpulse an die Schaltvorrichtungen 3a, 3b, 3c und 3d des DC/AC-Wandlers 3, um die Schaltvorrichtungen 3a, 3b, 3c und 3d an/aus zu schalten.
  • Weiterhin ist 2 ein schematisches Wellenform-Diagramm, das einen Betrieb der vorliegenden Ausführungsform beschreibt und die AC-Ausgangsspannung Vac und den AC-Ausgangsstrom Iac des Inverters 8 aus 1, den zweiten Eingangsleistungs-Befehlswert Pin**, den Eingangsleistungs-Messwert Pin und die DC-Ausgangsspannung Vo darstellt.
  • In dieser Ausführungsform arbeitet, obwohl der Eingangsleistungs-Messwert Pin versucht, sich gemäß der instantanen Leistung, die von dem Inverter 8 ausgegeben wird, zu ändern, der zweite Regler 26, um den Ausgangsleistungs-Befehlswert Po* zu erzeugen, sodass der Eingangsleistungs-Messwert Pin dem zweiten Eingangsleistungs-Befehlswert Pin** folgt, dessen oberer Grenzwert durch den Leistungsgrenzwert Plim des Eingangsleistungs-Begrenzers 23 begrenzt wird. Basierend auf dem erzeugten Ausgangsleistungs-Befehlswert Po* werden die Schaltvorrichtungen 3a, 3b, 3c und 3d des DC/AC-Wandlers 3 getrieben.
  • Daher folgt die Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers 3 dem zweiten Eingangsleistungs-Befehlswert Pin**, um kleiner als die ursprüngliche Eingangsleistung (erster Eingangsleistungs-Befehlswert Pin*) zu sein, der für die instantane Leistung benötigt wird, die von dem Inverter 8 ausgegeben wird.
  • Daher nimmt innerhalb der Grenzbereiche, die in 2 dargestellt sind, die DC-Ausgangsspannung (die Spannung des Glättungskondensators 7) Vo wie dargestellt ab.
  • Man beachte, dass 3 ein schematisches Wellenform-Diagramm für einen Fall ist, in dem der DC/AC-Wandler 3 wie in der oben beschriebenen Ausführungsform gesteuert wird, ohne die DC-Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers 3 zu begrenzen (im folgenden als die Vergleichsmethode bezeichnet), und die DC-Ausgangsspannung Vo wesentlich konstant gehalten wird.
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, da der DC/AC-Wandler 3 so gesteuert wird, dass der obere Grenzwert des DC-Eingangsleistungs-Befehlswerts begrenzt wird und der Peak-Wert der DC-Eingangsleistung reduziert wird, die Eingangsleistung des Isolationstransformators 5 zu reduzieren und die Erregerinduktivität des Isolationstransformators 5 so auszulegen, dass sie groß ist verglichen mit der Vergleichsmethode, die den DC-Eingangsleistungs-Befehlswert nicht begrenzt. Da dies den Erregerstrom des Isolationstransformators 5 reduziert, nimmt der Eingangsstrom des Isolationstransformators 5, der in Abhängigkeit von dem Laststrom und dem Erregerstrom bestimmt wird, ab, und die Kupferverluste nehmen ab.
  • Daher ist es unnötig, die Kühlleistung mehr als nötig zu erhöhen, und es ist möglich zu verhindern, dass die Vorrichtung aufgrund einer Vergrößerung der Leistungsfähigkeit der Kühlvorrichtung größer und teurer wird.
  • Man beachte, dass wenn die Erregerinduktivität des Isolationstransformators 5 groß designt ist, der Eisenverlust zunimmt, da die magnetische Flussdichte zunimmt. Durch geeignete Wahl der Konstanten des Isolationstransformators 5, wie zum Beispiel der Erregerinduktivität und des Wicklungsverhältnisses, um den Leistungsgrenzwert Plim und den zweiten Eingangsleistungs-Befehlswert Pin** geeignet einzustellen, übersteigt jedoch die Wirkung der Abnahme in dem Kupferverlust diejenige der Zunahme in dem Eisenverlust, und der Leistungsverlust des gesamten Isolationstransformators 5 kann reduziert werden.
  • Wenn der ursprüngliche DC-Eingangsleistungs-Befehlswert (der erste Eingangsleistungs-Befehlswert Pin**) wie in der Ausführungsform begrenzt wird, kann es außerdem einen Fall geben, in dem die DC-Ausgangsspannung Vo deformiert wird und der instantane Wert der AC-Ausgangsspannung Vac des Inverters 8 zu einem bestimmten Grad beeinflusst wird. Jedoch wird für den isolierten DC/AC-Wandler, in dem der isolierte DC/DC-Wandler und der Inverter 8 wie in 1 dargestellt kombiniert sind, eine strikt konstante Spannung als die DC-Ausgangsspannung Vo des DC/DC-Wandlers nicht benötigt, und auch wenn es eine Verformung in der DC-Ausgangsspannung (DC-Zwischenspannung des DC/AC-Wandlers) Vo gibt, wird dies nicht zu einem Problem in Bezug auf die Qualität der AC-Ausgangsspannung Vac.
  • Als nächstes werden die Ergebnisse der experimentellen Verifizierung des Leistungsverlusts-Reduktionseffekts des Isolationstransformators gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Tabelle 1 unten zeigt Design-Bedingungen von Eingang/Ausgang eines DC/AC-Wandlers, welcher einen isolierten DC/DC-Wandler beinhaltet, für eine Vergleichsmethode (in der der DC/AC-Wandler gesteuert wird, ohne die DC-Eingangsleistung zu begrenzen) und die vorliegende Ausführungsform.
    Figure DE102019104539B4_0001
    Figure DE102019104539B4_0002
  • Der minimale Wert und der maximale Wert der DC-Eingangsspannung in Tabelle 1 entsprechen Vin in 1, die DC-Ausgangsspannung entspricht Vo, die AC-Ausgangsleistung entspricht der Nenn-Ausgangsleistung des Inverters 8, und die maximale Peak-Leistung entspricht dem Peak-Wert von Pin.
  • In dieser Ausführungsform wird der zweite Eingangsleistungs-Befehlswert Pin** durch den Eingangsleistungs-Begrenzer 23 begrenzt, sodass die maximale Peak-Leistung 2250 [W] wird. Das heißt, der Leistungsgrenzwert Plim in dem Eingangsleistungs-Begrenzer 23 wird auf 2250 [W] eingestellt, was das 1,5-fache der Nenn-Ausgangsleistung (= 1500 [W]) des Inverters 8 ist. Die Resonanzfrequenz in Tabelle 1 ist außerdem die Resonanzfrequenz einer Resonanzschaltung, welche durch den Resonanzkondensator 4 auf der Primärseite des Isolationstransformators 5 und die Streuinduktivität gebildet wird.
  • Tabelle 2 zeigt ein Design-Beispiel von Konstanten des Resonanzkondensators 4 und des Isolationstransformators 5. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Erregerinduktivität des Isolationstransformators 5 als ein Wert designt, der um approximativ 33% größer als der der Vergleichstechnik ist. Tabelle 2
    VERGLEICHSMETHODE AUSFÜHRUNGSFORM
    RESONANZ-KONDENSATORKAPAZITÄT 0.208 [ µF] 0.156 [ µF]
    ISOLATIONSTRANSFORMATOR-KONSTANTE WICKLUNGSVERHÄLTNIS 0.75: 1 0.75: 1
    REIHENINDUKTIVITÄT 12[µH] 16[µH]
    ERREGERINDUKTIVITÄT 66[µH] 88 [µH]
  • Als nächstes zeigt Tabelle 3 die Berechnungsergebnisse des Leistungsverlusts des Isolationstransformators 5.
  • Durch Vergleich der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Vergleichsmethode zeigt sich, dass, obwohl der Eisenverlust in der Ausführungsform leicht ansteigt, die Kupferverluste der Primärwicklung und der Sekundärwicklung in der Ausführungsform deutlich reduziert sind. Daher zeigt sich, dass der Leistungsverlust des gesamten Isolationstransformators in der Ausführungsform deutlich reduziert ist. Tabelle 3
    TRANSFORMATOR PRIMÄRER STROM [A](rms) TRANS-FORMA TOR SEKUNDÄRER STROM [A](rms) TRANSFORMATOR KUPFERVERLUST (PRIMÄR) [W] TRANSFORMATOR KUPFERVERLUST (SEKUNDÄR) [W] EISENVERLUST [W] TRANSFORMATOR VERLUST (GESAMT) [W]
    VERGLEICHS -METHODE 13.0 7.9 17.2 6.7 3.9 27.8
    AUSFÜH-RUNGS-FORM 9.4 5.7 8.9 3.4 4.8 17.1
    Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als verschiedene DC-Leistungsversorgungsvorrichtungen verwendet werden, die eine DC-Leistungsversorgungsspannung isolieren, um eine DC-Spannung einer vorbestimmten Größe zu erhalten, und kann als eine AC-Leistungsversorgungsvorrichtung verwendet werden, die einen Inverter veranlasst, eine Ausgangsspannung eines isolierten DC/DC-Wandlers in eine AC-Spannung einer vorbestimmten Größe und eine Frequenz zur Ausgabe der AC-Spannung umzuwandeln.

Claims (6)

  1. Ein isolierter DC/DC-Wandler, welcher umfasst: einen DC/AC-Wandler (3), der so konfiguriert ist, dass er durch einen Betrieb von Halbleiterschaltvorrichtungen (3a, 3b, 3c, 3d) eine DC/AC-Umwandlung durchführt; einen Isolationstransformator (5), der so konfiguriert ist, dass er eine AC-Ausgangsspannung des DC/AC-Wandlers (3) isoliert, um die AC-Ausgangsspannung in eine vorbestimmte Größe zu transformieren; eine Gleichrichterschaltung (6), die so konfiguriert ist, dass sie die AC-Ausgangsspannung des Isolationstransformators (5) in eine DC-Spannung umwandelt; und eine Steuereinheit (20), die so konfiguriert ist, dass sie die Halbleiterschaltvorrichtungen (3a, 3b, 3c, 3d) treibt, wobei die Steuereinheit (20) umfasst: eine DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine DC-Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers (3) berechnet; eine erste Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Eingangsleistungs-Befehlswert berechnet, sodass ein DC-Ausgangsspannungs-Messwert der Gleichrichterschaltung (6) einem DC-Ausgangsspannungs-Befehlswert folgt; eine Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen oberen Grenzwert des DC-Eingangsleistungsbefehlswerts auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und den DC-Eingangsleistungs-Befehlswert ausgibt; eine zweite Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert der Gleichrichterschaltung (6) berechnet, sodass ein DC-Eingangsleistungs-Berechnungswert der DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit dem DC-Eingangsleistungs-Befehlswert folgt, der durch die Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit begrenzt ist; und eine Treiberpuls-Erzeugungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Treiberpulse für die Halbleiterschaltvorrichtung (3a, 3b, 3c und 3d) basierend auf dem DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert erzeugt.
  2. Der isolierte DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Wert in der Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit basierend auf einem Designwert einer Erregerinduktivität des Isolationstransformators (5) eingestellt ist.
  3. Eine Steuereinheit (20) für einen isolierten DC/DC-Wandler, welcher beinhaltet: einen DC/AC-Wandler (3), der so konfiguriert ist, dass er durch einen Betrieb von Halbleiterschaltvorrichtungen (3a, 3b, 3c, 3d) eine DC/AC-Umwandlung durchführt; einen Isolationstransformator (5), der so konfiguriert ist, dass er eine AC-Ausgangsspannung des DC/AC-Wandlers (3) isoliert, um die AC-Ausgangsspannung in eine vorbestimmte Größe zu transformieren; und eine Gleichrichterschaltung (6), die so konfiguriert ist, dass sie die AC-Ausgangsspannung des Isolationstransformators (5) in eine DC-Spannung umwandelt, wobei die Steuereinheit (20), um Treiberpulse für die Halbleiterschaltvorrichtungen (3a, 3b, 3c, 3d) zu erzeugen, umfasst: eine DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine DC-Eingangsleistung des DC/AC-Wandlers (3) berechnet; eine erste Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Eingangsleistungs-Befehlswert berechnet, sodass ein DC-Ausgangsspannungs-Messwert der Gleichrichterschaltung (6) einem DC-Ausgangsspannungs-Befehlswert folgt; eine Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen oberen Grenzwert des DC-Eingangsleistungsbefehlswerts auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und den DC-Eingangsleistungs-Befehlswert ausgibt; eine zweite Anpassungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie einen DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert der Gleichrichterschaltung (6) berechnet, sodass ein DC-Eingangsleistungs-Berechnungswert der DC-Eingangsleistungs-Berechnungseinheit dem DC-Eingangsleistungs-Befehlswert folgt, der durch die Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit begrenzt ist; und eine Treiberpuls-Erzeugungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Treiberpulse für die Halbleiterschaltvorrichtung (3a, 3b, 3c, 3d) basierend auf dem DC-Ausgangsleistungs-Befehlswert erzeugt.
  4. Die Steuereinheit (20) für den isolierten DC/DC-Wandler nach Anspruch 3, wobei der vorgegebene Wert in der Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit basierend auf einem Designwert einer Erregerinduktivität des Isolationstransformators (5) eingestellt ist.
  5. Ein DC/AC-Wandler (3), welcher umfasst: den isolierten DC/DC-Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2; und einen Inverter, der so konfiguriert ist, dass er eine DC-Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung (6) in eine AC-Spannung umwandelt.
  6. Der DC/AC-Wandler (3) nach Anspruch 5, wobei der vorgegebene Wert in der Eingangsleistungs-Begrenzungseinheit so eingestellt ist, dass er approximativ das 1,5-fache einer Nenn-AC-Ausgangsleistung des Inverters beträgt.
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