DE102021132028A1

DE102021132028A1 - DC/DC-Mittelpunkt-Topologie-Verschränkungsregelung

Info

Publication number: DE102021132028A1
Application number: DE102021132028.3A
Authority: DE
Inventors: Rafael Jimenez Pino; Pablo Gaona Rosanes; Hector Sarnago Andia; Oscar Lucia Gil
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-06-23
Also published as: US20220200465A1; CN114649950A

Abstract

Ein Gleichspannungswandler, der eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umwandelt, umfasst ein erstes Schaltnetz, eine erste Transformatorkomponente, einen zweiten Transformator, eine erste sekundärseitige Gleichrichterschaltung und eine zweite sekundärseitige Gleichrichterschaltung. Die erste sekundärseitige Gleichrichterschaltung empfängt die erste sekundärseitige Wechselspannung und gibt während eines ersten Teils eines Arbeitszyklus einen ersten zeitlichen Teil der Ausgangsgleichspannung aus. Die zweite sekundärseitige Gleichrichterschaltung empfängt die zweite sekundärseitige Wechselspannung und gibt einen zweiten zeitlichen Teil der Ausgangsgleichspannung während eines zweiten Teils des Arbeitszyklus aus.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 17. Dezember 2020 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Seriennummer 63/126,601, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Gemäß mindestens einem Aspekt werden ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Gleichspannungswandlung in einem Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug bereitgestellt.
Zusammenfassung
Gemäß mindestens einem Aspekt wird ein Gleichspannungswandler bereitgestellt, der eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umwandelt. Der Gleichspannungswandler umfasst ein primärseitiges Schaltnetz, eine erste Transformatorkomponente, einen zweiten Transformator, ein erstes sekundärseitiges Schaltnetz und ein zweites sekundärseitiges Schaltnetz. Das primärseitige Schaltnetz empfängt die Eingangsgleichspannung und gibt eine primärseitige Wechselspannung aus. Die erste Transformatorenkomponente umfasst eine erste Vielzahl von Primärwicklungen und eine erste Vielzahl von Sekundärwicklungen. Die erste Transformatorenkomponente empfängt die primärseitige Wechselspannung und gibt eine erste sekundärseitige Wechselspannung aus. Die zweite Transformatorenkomponente umfasst eine zweite Vielzahl von Primärwicklungen und eine zweite Vielzahl von Sekundärwicklungen. Die erste Vielzahl von Primärwicklungen ist in Reihe mit der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen angeordnet. Die zweite Transformatorkomponente empfängt die primärseitige Wechselspannung und gibt eine zweite sekundärseitige Wechselspannung aus. Das erste sekundärseitige Schaltnetz empfängt die erste sekundärseitige Wechselspannung, während das zweite sekundärseitige Schaltnetz die zweite sekundärseitige Wechselspannung empfängt. Kennzeichnend ist, dass die Ausgänge der ersten und der zweiten Sekundärwicklung kombiniert werden, um die Ausgangsgleichspannung zu bilden.
Gemäß einem anderen Aspekt gibt es eine erste Phasendifferenz zwischen der ersten Vielzahl von Sekundärwicklungen und der ersten Vielzahl von Primärwicklungen und eine zweite Phasendifferenz zwischen der zweiten Vielzahl von Sekundärwicklungen und der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen im DC/DC-Wandler.
Vorteilhafterweise verbessert der DC/DC-Wandler die Leistung und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Flexibilität. Der Entwurf ermöglicht auch eine Kostenreduzierung und eine schnellere Markteinführung. Der DC/DC-Wandler ist besonders für fehlertolerante Anwendungen geeignet.
Figurenliste
Zum weiteren Verständnis des Wesens, der Ziele und der Vorteile der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung verwiesen, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen zu lesen ist, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und in denen:

1A ein schematisches Diagramm eines Gleichspannungswandlers mit zwei Transformatoren, bei denen die Primärwicklungen in Reihe geschaltet sind zeigt.
1B ein schematisches Diagramm eines Gleichspannungswandlers mit drei Transformatoren, bei denen die Primärwicklungen in Reihe geschaltet sind, zeigt.
1C ein schematisches Diagramm eines Transformators, der in dem System der 1A und 1B verwendet wird, zeigt.
2A einen Ausgangsstrom einer Vollbrückenstufe und den Beitrag jeder einzelnen der drei Sekundärspulen im Standardbetrieb zeigt.
2B einen Ausgangsstrom einer Vollbrückenstufe und den Beitrag jeder der drei Sekundärspulen während eines neuartigen Phasenverschiebungsvorgangs zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden nun im Detail bevorzugte Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben, die die besten, den Erfindern derzeit bekannten Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die hierin offenbarten konkreten Einzelheiten nicht als einschränkend zu verstehen, sondern dienen lediglich als repräsentative Grundlage für jeden Aspekt der Erfindung und/oder als repräsentative Grundlage, um dem Fachmann zu zeigen, wie er die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise anwenden kann.
Es ist auch zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die unten beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, da bestimmte Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Darüber hinaus wird die hier verwendete Terminologie nurzum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet und soll in keiner Weise einschränkend sein.
Es ist auch zu beachten, dass die in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Singularformen „ein“, „eine“ und „der, die, das“ Pluralbezüge umfassen, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Wenn beispielsweise auf eine Komponente im Singular Bezug genommen wird, umfasst dies auch mehrere Komponenten.
Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „aufweisend“, „mit“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind umfassend und nicht abschließend und schließen somit zusätzliche, nicht aufgeführte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
Die Formulierung „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder jeden Bestandteil aus, die nicht im Anspruch angegeben sind. Wenn diese Formulierung in einem Abschnitt des Hauptteils eines Anspruchs und nicht unmittelbar nach der Präambel erscheint, schränkt sie nur das in diesem Abschnitt genannte Element ein; andere Elemente werden insgesamt nicht aus dem Anspruch ausgeschlossen.
Die Formulierung „im Wesentlichen bestehend aus“ beschränkt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte sowie auf solche, die das/die grundlegende(n) und neue(n) Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands nicht wesentlich beeinflussen.
Hinsichtlich der Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ kann, wenn einer dieser drei Begriffe hierin verwendet wird, der vorliegend offenbarte und beanspruchte Gegenstand auch die Verwendung eines der beiden anderen Begriffe umfassen.
Ganzzahlige Bereiche schließen ausdrücklich alle dazwischenliegenden ganzen Zahlen ein. Zum Beispiel schließt der ganzzahlige Bereich 1-10 ausdrücklich 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 ein. In ähnlicher Weise umfasst der Bereich 1 bis 100 die Zahlen 1, 2, 3, 4, ... 97, 98, 99, 100. In ähnlicher Weise können bei der Angabe eines beliebigen Bereichs dazwischenliegende Zahlen, die Inkremente der Differenz zwischen der Obergrenze und der Untergrenze geteilt durch 10 sind, als alternative Ober- oder Untergrenzen verwendet werden. Beträgt der Bereich beispielsweise 1,1 bis 2,1, so können die folgenden Zahlen 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9 und 2,0 als Untergrenze oder Obergrenze gewählt werden.
Der Begriff „verbunden mit“ bedeutet, dass die elektrischen Komponenten, die als verbunden bezeichnet werden, in elektrischer Verbindung stehen. Genauer gesagt bedeutet „verbunden mit“, dass die elektrischen Komponenten, die als verbunden bezeichnet werden, direkt miteinander verdrahtet sind. Noch konkreter bedeutet „verbunden mit“, dass die elektrischen Komponenten drahtlos oder durch eine Kombination aus verdrahteten und drahtlos verbundenen Komponenten miteinander kommunizieren. Noch konkreter bedeutet „verbunden mit“, dass eine oder mehrere zusätzliche elektrische Komponenten zwischen den elektrischen Komponenten, die als verbunden bezeichnet werden, zwischengeschaltet sind, wobei ein elektrisches Signal von einer Ursprungskomponente verarbeitet wird (z. B. gefiltert, verstärkt, moduliert, gleichgerichtet, gedämpft, summiert, subtrahiert usw.), bevor es von der damit verbundenen Komponente empfangen wird.
Der Begriff „elektrische Kommunikation“ bedeutet, dass ein elektrisches Signal entweder direkt oder indirekt von einem elektronischen Ausgangsgerät an ein elektrisches Empfangsgerät gesendet wird. Die indirekte elektrische Kommunikation kann eine Verarbeitung des elektrischen Signals beinhalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Filterung des Signals, Verstärkung des Signals, Gleichrichtung des Signals, Modulation des Signals, Dämpfung des Signals, Addition des Signals mit einem anderen Signal, Subtraktion des Signals von einem anderen Signal, Subtraktion eines anderen Signals von dem Signal und dergleichen. Die elektrische Kommunikation kann mit verdrahteten Komponenten, drahtlos verbundenen Komponenten oder einer Kombination davon erfolgen.
Der Begriff „elektrisches Signal“ bezieht sich auf den elektrischen Ausgang eines elektronischen Geräts oder den elektrischen Eingang eines elektronischen Geräts. Das elektrische Signal ist durch Spannung und/oder Strom gekennzeichnet. Das elektrische Signal kann ein gleichbleibendes Signal sein oder es kann sich im Laufe der Zeit ändern.
Die Begriffe „Gleichstromsignal“ oder „Gleichspannung“ beziehen sich auf elektrische Signale oder elektrische Spannungen mit einem Spannungswert, der stets über 0 Volt liegt.
Die Begriffe „Wechselstromsignal“ oder „Wechselspannung“ beziehen sich auf elektrische Signale oder elektrische Spannungen, die zwischen positiven und negativen Spannungen variieren und 0 Volt überschreiten.
Der Begriff „elektronische Komponente“ bezieht sich auf jede physikalische Einheit in einem elektronischen Gerät oder System, die dazu dient, den Elektronenzustand, den Elektronenfluss oder die mit den Elektronen verbundenen elektrischen Felder zu beeinflussen. Beispiele für elektronische Komponenten sind unter anderem Kondensatoren, Induktivitäten, Widerstände, Thyristoren, Dioden, Transistoren usw. Elektronische Komponenten können passiv oder aktiv sein.
Der Begriff „elektronisches Gerät“ oder „System“ bezieht sich auf eine physische Einheit, die aus einem oder mehreren elektronischen Komponenten besteht, um eine vorbestimmte Funktion auf ein elektrisches Signal hin auszuführen.
Es sollte verstanden werden, dass in allen Figuren von elektronischen Geräten eine Reihe von elektronischen Komponenten, die durch Leitungen (z. B. Drähte) verbunden sind, anzeigt, dass diese elektronischen Komponenten in elektrischer Verbindung miteinander stehen. Wenn Leitungen eine elektronische Komponente mit einer anderen verbinden, können diese elektronischen Komponenten außerdem wie oben definiert miteinander verbunden sein.
Abkürzungen:

„AC“ bedeutet Wechselstrom.
„DAB“ bedeutet eine doppelte aktive Brücke.
„DC“ bedeutet Gleichstrom.
„DCDC“ bedeutet Gleichstrom zu Gleichstrom.
„HV/LV“ bedeutet Hochspannung zu Niederspannung.

Im Allgemeinen ist ein DC/DC-Wandlersystem vorgesehen, das zwei (oder mehr) sekundärseitige Schaltnetze umfasst. Jedes Schaltnetz umfasst typischerweise ein Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnis mit unabhängiger Steuerung, die eine Phasenverschiebung zwischen den H-Brückenschaltungen auf der Primärseite und der Sekundärseite erzwingen kann.
Die 1A, 1B und 1C zeigen schematische Darstellungen eines Gleichspannungswandlers (DC/DC) und eines darin enthaltenen Transformators. In einer Ausführungsform umfasst das DC/DC-Wandlersystem 10 eine Primärstufe 12 und eine Sekundärstufe 14. In diesem Zusammenhang können die Primärstufe 12 und die Sekundärstufe 14 auch als Primärseite 12 und Sekundärseite 14 bezeichnet werden. Die Primärstufe 12 ist so konfiguriert, dass sie eine Gleichspannung VDC1 als Eingang erhält, während die Sekundärstufe so konfiguriert ist, dass sie eine Gleichspannung VDC2 ausgibt. Typischerweise ist die Gleichspannung VDC2 kleiner als die Gleichspannung VDC1. Genauer gesagt liegt die Eingangsgleichspannung VDC1 in einem Bereich von 230 bis 650 Volt, während die Ausgangsspannung VDC2 etwa 10 bis 18 Volt beträgt. Typischerweise beträgt die Gleichspannung VDC1 etwa 400 Volt, während die Spannung VDC2 etwa 12 Volt beträgt. Gemäß einem Aspekt ist das DC/DC-Wandlersystem 10 bidirektional. Daher können in dem Wandlersystem VDC2 und VDC1 vertauscht sein, d. h., die Gleichspannung VDC2 kann der Eingang und die Gleichspannung VDC1 kann der Ausgang sein.
Das DC/DC-Wandlersystem 10 umfasst auch die Transformatorenkomponenten 18 und 18' (und optional 18"). Die erste Transformatorenkomponente 18 umfasst eine Vielzahl von Primärwicklungen 20 und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen 24. Die zweite Transformatorenkomponente 18' umfasst eine Vielzahl von Primärwicklungen 20' und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen 24'. In ähnlicher Weise umfassen alle weiteren Transformatorenkomponenten, wie die dritte Transformatorenkomponente 18", ebenfalls eine Vielzahl von Primärwicklungen 20" und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen 24".
Die primärseitige Wechselspannung VAC1 wird über die Primärwicklungen 20, 20' und 20" empfangen, wobei jede der Transformatorenkomponenten 18, 18' und jede zusätzliche Transformatorenkomponente 18" sekundärseitige Wechselspannungen VAC2, VAC2' bzw. VAC2" ausgibt. Daher wird die Wechselspannung VAC1 auf die Primärwicklungen 20, 20' und 20" aufgeteilt. In einem Beispiel ist die Aufteilung gleich (d. h. ½ für zwei Primärwicklungen und 1/3 für 3 Primärwicklungen). In einigen speziellen Fällen (in denen der Sekundärzustand auf die jeweilige Primärwicklung übertragen wird) kann diese Aufteilung anders sein. In 1B ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Transformator außerdem eine oder mehrere zusätzliche Mehrheiten von Primärwicklungen 20" aufweist, die in Reihe mit der ersten Vielzahl von Primärwicklungen 20 und der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen 20' liegen.
In einer Ausführungsform werden eine erste Phasendifferenz zwischen der ersten Vielzahl von Sekundärwicklungen 24 und der ersten Vielzahl von Primärwicklungen 20 und eine zweite Phasendifferenz zwischen der zweiten Vielzahl von Sekundärwicklungen 24' und der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen 20' angepasst (z. B. optimiert), um den Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern. Gemäß einem Aspekt werden die erste Phasendifferenz und die zweite Phasendifferenz entsprechend einem Eingangs- zu Ausgangsspannungsverhältnis angepasst, so dass der Umwandlungswirkungsgrad im Vergleich zu einem Fall, in dem die erste Phasendifferenz und die zweite Phasendifferenz Null sind, verbessert wird. Daher können die erste Phasendifferenz und die zweite Phasendifferenz zwischen 0 Grad und 180 Grad liegen.
In einer anderen Ausführungsform, wenn der DC/DC-Wandler 10 eine dritte Transformator-Komponente 18" enthält, die eine dritte Vielzahl von Primärwicklungen 20" und eine dritte Vielzahl von Sekundärwicklungen 24" umfasst, empfängt die dritte Transformator-Komponente 18" einen dritten Teil der primärseitigen Wechselspannung und gibt eine dritte sekundärseitige Wechselspannung aus. Kennzeichnend ist, dass die dritte Vielzahl von Primärwicklungen 20" in Reihe mit der ersten Vielzahl von Primärwicklungen 20 und der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen 20' liegt. Darüber hinaus werden die Ausgänge der ersten Vielzahl von Sekundärwicklungen 20, der zweiten Vielzahl von Sekundärwicklungen 20' und der dritten Vielzahl von Sekundärwicklungen 20" kombiniert, um die Ausgangsgleichspannung VDC2 zu bilden. Gemäß einem Aspekt werden die zweite Vielzahl von Sekundärwicklungen 24' und die dritte Vielzahl von Sekundärwicklungen 24" auf die gleiche Phasendifferenz in Bezug auf die erste Vielzahl von Primärwicklungen 20 und die zweite Vielzahl von Primärwicklungen 20' eingestellt. Vorzugsweise werden, wenn das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Gegenphasen in zwei der Sekundärwicklungen festgelegt werden, um eine funktionale Aufhebung zu erreichen. Der vorgegebene Schwellenwert ist ein Wert, der hohe Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnisse von niedrigen Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnissen trennt. Der Schwellenwert kann z. B. etwa 35 betragen.
Wie in den 1A, 1B und 1C dargestellt, sind die Primärwicklungen 20 und 20' (und etwaige zusätzliche Primärwicklungen 20") in Reihe geschaltet. Die Transformatoren 18, 18' und 18" enthalten jeweils auch Kerne 28, 28' und 28", bei denen es sich typischerweise um einen Magnetkern handelt. Jeder Kern 28, 28' und 28" kann die elektrische Trennung der Primärstufe 12 von der Sekundärstufe 14 gewährleisten.
In einer Ausführungsform sind die Primärwicklungen 20, 20' (und 20", falls vorhanden) Teil der Primärstufe, während die Sekundärwicklungen 24, 24' (und 24", falls vorhanden) Teil der Sekundärstufe sind. Die Primärwicklungen 20, 20' (und 20", falls vorhanden) stehen in elektrischer Verbindung mit dem primärseitigen Schaltnetz 16, während die Sekundärwicklungen 24 und 24' (und 24", falls vorhanden) in elektrischer Verbindung mit sekundärseitigen Schaltstufen 30 bzw. 30' (und 30", falls vorhanden) stehen.
Kennzeichnend ist, dass die Umwandlung in die Ausgangsspannung über die sekundärseitigen DC-Schaltstufen 30, 30' und 30" erfolgt. Die sekundärseitigen Schaltnetze 30, 30' und etwaige zusätzliche Schaltnetze 30" erhalten die sekundären Wechselspannungen VAC2, VAC2' und VAC2", während die Ausgangsgleichspannungen VDC2, VDC2' und VDC2 von den sekundären Transformatorwicklungen ausgegeben werden. In einem weiteren Aspekt können die sekundären Transformatorwicklungen einen Kurzschlusseffekt in der jeweiligen Primärspule verursachen. In diesem Fall erhalten die anderen Primärwicklungen (d. h. die Primärwicklungen, die nicht mit den kurzgeschlossenen Sekundärwicklungen verbunden sind) eine erhöhte Wechselspannung, wobei ihre jeweiligen Sekundärwicklungen ebenfalls eine höhere Wechselspannung erhalten.
Wie in den 1A und 1B dargestellt, kann das primärseitige Schaltnetz 16 eine primärseitige H-Brückenschaltung umfassen. Daher umfasst das primärseitige Schaltnetz 16 die Schalter SP1, SP2, SP3 und SP4. Das primärseitige Schaltnetz 16 umfasst einen ersten H-Brückenzweig 36 und einen zweiten H-Brückenzweig 38. Im ersten H-Brückenzweig 36 ist die Source des Transistorschalters SP1 mit einem ersten Eingangsanschluss Tp1 der Primärwicklungen 20 des Transformators 18 verbunden. Der Drain des Transistorschalters SP1 ist mit der positiven Seite des primärseitigen Spannungsbusses VPB1 verbunden, der in elektrischer Verbindung mit der positiven Seite der Eingangsgleichspannung VDC1 steht. Die Source des Transistorschalters SP1 ist auch mit dem Drain des Transistorschalters SP2 verbunden. Daher sind sowohl die Source des Transistorschalters SP1 als auch der Drain des Transistorschalters SP2 mit dem ersten Eingangsanschluss Tp1 der in Reihe geschalteten Kombination aus Primärwicklungen 20, 20', 20" verbunden. Die Source des Transistorschalters SP2 steht in elektrischer Verbindung mit der negativen Seite des primärseitigen Spannungsbusses VPB1 und damit mit der negativen Seite der Eingangsgleichspannung DCV1. In ähnlicher Weise ist im zweiten H-Brückenzweig 38 die Source des Transistorschalters SP3 mit einem zweiten Eingangsanschluss Tp2 der in Reihe geschalteten Kombination aus Primärwicklungen 20, 20', 20" verbunden. Der Drain des Transistorschalters SP3 ist mit der positiven Seite der Eingangsspannung VDC1 verbunden. Die Source des Transistorschalters SP3 ist auch mit dem Drain des Transistorschalters SP4 verbunden. Daher sind die Source des Transistorschalters SP3 und der Drain des Transistorschalters SP4 mit dem zweiten Eingangsanschluss Tp2 der in Reihe geschalteten Primärwicklungen 20, 20', 20" verbunden. Die Source des Transistorschalters SP4 steht in elektrischer Verbindung mit der negativen Seite der Eingangsspannung VDC1. Während des Betriebs, wenn die Primärstufe die Gleichstromeingangsspannung VDC1 empfängt, ermöglicht oder erzeugt das erste Schaltnetz 16 die erste Wechselspannung VAC1, die an den Transformator 18 angelegt wird, indem es positive und negative Spannungen erzeugt, die abwechselnd an den Transformator angelegt werden.
Die vorliegende Ausführungsform ist nicht auf die bestimmte Topologie für die Sekundärstufe beschränkt. Typischerweise sind die zweiten Schaltnetze 30, 30' (und alle zusätzlichen Schaltnetze 30") so konfiguriert, dass sie die Wechselspannungen VAC2, VAC2' (und VAC2", falls erforderlich) der Sekundärstufe in eine Ausgangsgleichspannung VDC2 umwandeln. 1A zeigt ein spezifisches Beispiel einer solchen Topologie, die ein zweites Schaltnetz 46 umfasst, das in der am 18. August 2020 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Seriennummer 63/067,206 offenbart ist. Typischerweise kann jedes sekundärseitige Schaltnetz 30 und 30' jeweils eine H-Brückenschaltung enthalten. Daher umfasst das erste sekundärseitige Schaltnetz 30 den ersten sekundärseitigen H-Brückenzweig 40 und den zweiten sekundärseitigen H-Brückenzweig 42. In ähnlicher Weise umfasst das zweite sekundärseitige Schaltnetz 30' den ersten sekundärseitigen H-Brückenzweig 40' und den zweiten sekundärseitigen H-Brückenzweig 42'. Der erste H-Brückenzweig 40 umfasst einen ersten Transistorschalter SS1 und einen zweiten Transistorschalter SS2, während der zweite H-Brückenzweig 42 einen dritten Transistorschalter SS3 und einen vierten Transistorschalter SS4 umfasst. In ähnlicher Weise umfasst der erste H-Brückenzweig 40' einen ersten Transistorschalter SS1' und einen zweiten Transistorschalter SS2', während der zweite H-Brückenzweig 42' einen dritten Transistorschalter SS3' und einen vierten Transistorschalter SS4' umfasst.
Die vorliegenden Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schaltnetz 30, 30' (und etwaige zusätzliche Schaltnetze) unabhängig gesteuert werden. Gemäß einem Aspekt, wenn es 2 Schaltnetze 30, 30' gibt, kann der Wandler so gesteuert werden, dass es eine unterschiedliche Phasenverschiebung zwischen ihnen geben kann (von 0 oder gleichphasig bis 180° oder gegenphasig).
In dem in 1A dargestellten Beispiel umfasst die Vielzahl der Sekundärwicklungen 24 einen ersten Satz von Sekundärwicklungen L1 und einen zweiten Satz von Sekundärwicklungen L2. In ähnlicher Weise umfasst die Vielzahl von Wicklungen 24' einen ersten Satz von Sekundärwicklungen L1 und einen zweiten Satz von Sekundärwicklungen L2. Das erste Schaltnetz 16 und die zweiten Schaltnetze 30, 30' und, falls vorhanden, 30" werden so betrieben, dass ein erster Strom I(L1) durch den ersten Satz von Sekundärwicklungen L1 vom Kontakt Ts1 zum Kontakt TC fließt, ein zweiter Strom I(L2) durch den ersten Satz von Sekundärwicklungen L2 vom Kontakt Ts2 zum Kontakt TC fließt, und ein dritter Strom Ip durch die Primärwicklungen 20, 20' und, falls vorhanden, 20" fließt. Kennzeichnend ist, dass der erste Strom, der zweite Strom und der dritte Strom zumindest teilweise durch die gegenseitige Induktivität zwischen den Primär- und den Sekundärwicklungen erzeugt werden.
In einer Ausführungsform enthält der Wandler 10 außerdem einen Mikrocontroller 50, der so konfiguriert ist, dass er die Transistorschalter im primärseitigen Schaltnetz 16 und in den zweitseitigen Schaltnetzen 30, 30' steuert. Gemäß einem Aspekt kann der Mikrocontroller 50 Steuersignale an die Gates der Transistorschalter SP1, SP2, SP3 und SP4 senden. In diesem Zusammenhang bilden die Transistorschalter SP1 und SP4 eine erste primärseitige H-Brückenschaltung und werden durch das Steuersignal gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. In ähnlicher Weise bilden die Transistorschalter SP2 und SP3 eine zweite primärseitige H-Brückenschaltung auf der Primärseite und werden gleichzeitig durch die Steuersignale ein- und ausgeschaltet. Die erste primärseitige H-Brückenschaltung 16 und die zweiten primärseitigen H-Brückenschaltungen 30, 30' werden durch die Steuersignale abwechselnd betätigt. Daher ist das Steuersignal für die erste primärseitige H-Brückenschaltung gegenüber der zweiten primärseitigen H-Brückenschaltung phasenverschoben (typischerweise um 180°). Dies führt dazu, dass die Ausgangsspannung der ersten primärseitigen H-Brückenschaltung außer Phase mit der Ausgangsspannung der zweiten primärseitigen H-Brückenschaltung ist.
Der Mikrocontroller 50 kann auch Steuersignale an die Gates der Transistorschalter SS1, SS2, SS3, SS4, SS1', SS2', SS3', SS4', SS1", SS2", SS3" und SS4" senden. In diesem Zusammenhang bilden die Transistorschalter SS1 und SS4 (oder SS1' und SS4' oder SS1" und SS4") eine erste primärseitige H-Brückenschaltung und werden durch das Steuersignal gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Analog dazu bilden die Transistorschalter SS2 und SS3 (oder SS2' und SS3' oder SS2" und SS3") eine zweite primärseitige H-Brückenschaltung auf der Sekundärseite und werden durch die Steuersignale gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Die erste sekundärseitige H-Brückenschaltung und die zweite sekundärseitige H-Brückenschaltung werden durch die Steuersignale abwechselnd angesteuert. Daher ist das Steuersignal für die erste sekundärseitige H-Brückenschaltung gegenüber der zweiten sekundärseitigen H-Brückenschaltung phasenverschoben (typischerweise um 180°). Dies führt dazu, dass die Ausgangsspannung der ersten sekundärseitigen H-Brückenschaltung außer Phase mit der Ausgangsspannung der zweiten sekundärseitigen H-Brückenschaltung ist. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht durch Art und Frequenz des Steuersignals begrenzt ist, können Frequenzen von etwa 20 bis 120 kHZ verwendet werden. Die Steuersignale können Rechteckwellen oder jede andere geeignete Wellenform sein.
In der oben beschriebenen DC/DC-Wandler-Systemkonfiguration kann die Leistung des Wandlers verbessert werden, indem die Modulation jeder sekundären Schaltzelle entsprechend dem Betriebsspannungsbereich so angepasst oder deaktiviert wird, dass die Primär- und Sekundärspannungen in oberen oder unteren Spannungswerten liegen, so dass der Wandler außerhalb der gewünschten Nennauslegungsbedingungen liegt. Dies ermöglicht die Anpassung der Primärspannung an die Betriebsbedingungen für einen effizienten Betrieb (der Wandler arbeitet im Wesentlichen als Mehrstufenwandler, bei dem die Ausgangsspannung, d. h. die Primärspannung in dieser Erfindung, durch die Anzahl der aktiven Stufen, d. h. der sekundären Schaltzellen in dieser Erfindung, und deren Modulation gesteuert wird).
Die 2A und 2B zeigen den Ausgangsstrom einer Vollbrückenstufe und den Beitrag jeder einzelnen der drei Sekundärspulen. 2A veranschaulicht den Standardbetrieb, bei dem die Sekundärwicklungen in Phase arbeiten. Dieser Betrieb ist bei extremen Spannungen wie der in der Simulation gezeigten (250 V untere Grenze) eine Herausforderung, da die Differenz zwischen Primär- und Sekundärspannung den Primärstrom erhöht. Wie in 2B dargestellt, ermöglicht es die vorgeschlagene Topologie, die Phasenverschiebung in den Sekundärwicklungen zu nutzen, um die Spannung zu kompensieren, so dass die in der Primärwicklung reflektierte Spannung näher an der Spannung im Primärbus liegt und der Primärstrom bei gleicher verarbeiteter Leistung sinkt. In diesem Beispiel wird ein Reduktionsfaktor von 1,7 für den Primärstrom bei gleicher Leistung erreicht. Dieses Schema kann für jede Kombination von Eingangs-/Ausgangsspannungen verwendet werden.
Die folgende Formel 1 bietet einen Regelungsansatz durch Einstellung des Gleichstroms der Hochspannung: $I \underline{_{d c} (H V) = 2 F I (1 - 2 F I) (\frac{V_{l v}}{n ƒ_{s w} L})}$
wobei:

I_dc(HV): Zielwert für den DC-Hochspannungsstrom. Idc(HV) wird aus dem Leistungsbedarf auf der Sekundärseite (Vlv*Ilv) und der Eingangsspannung Vhv (VDC1) berechnet, wobei Vlv die Niederspannung (VDC2) und Ilv der Strom am Ausgang IDC2 ist;
F/_n: Verschiebung der Primärspannung auf eine der jeweiligen aktiven Sekundärspannungen (Bereich 0 bis 0,25 für aktive Sekundärspannungen (Entwurfsbeschränkung)). FI ist die Verschiebung der Schaltfolge für die sekundären Vollbrücken gegenüber der primären Vollbrücken-Schaltfolge. FI wird nach der vorstehenden Formel 1 berechnet, wenn Idc(HV), Vlv, fsw und L bekannt sind. In einem System wie in 1B ist Flin=FI
L: Äquivalenztransformator Streuinduktivität
f_sw: variable Frequenz [z.B. 50 ... 250kHz], als Funktion der Ausgangsleistung (I_dc · V_lv).
V_lv: Niederspannung;
n: Äquivalentes Primär-/Sekundärtransformatorverhältnis (Funktion der aktiven Sekundärspannungen). Das effektive Übersetzungsverhältnis des Transformators, das eine Funktion des Verhältnisses Vhv/Vlv ist).

Regelungsbeispiel für ein DC/DC-System mit 3 aktiven Sekundärseiten (siehe Figur 2A):
Für die 3 Sekundärspannungen, wenn V_hv/V_lv ↑ ↑ (d. h. das Verhältnis ist hoch wie bei 450V/8V): Fl₁= Fl₂ =Fl₃=Fl, dann n=3-n_p /n_s, wobei n_p die Windungen der Transformatorwicklung auf der Primärseite und n_s die Windungen der Transformatorwicklung auf der Sekundärseite sind. Die 3 in dieser Formel steht für die Anzahl der aktiven Sekundärspannungen (alle haben den gleichen FI, so dass sie alle zur Leistungsübertragung beitragen) in der Anwendung. In diesem Fall (Vhv/Vlv hoch) haben alle Sekundärspannungen den gleichen FU, wie in Formel 1 berechnet. Wie in 2A zu sehen ist, sind alle drei Sekundärspannungen in Phase mit einer Verzögerung „Fl“ gegenüber der Primärspannung.
Regelungsbeispiel für ein DCDC-System mit 1 aktiven Sekundärspannungen (siehe Figur 2B):
Für 1 Sekundärspannung, wenn V_hv/V_lv↓↓(d. h., das Verhältnis ist gering wie bei 250V/16V): FI₁=FI, FI₂=0, FI₃=0,5, dann ist n=1-n_p/n_s, wobei n_p die Windungen der Transformatorwicklung an der Primärseite und n_s die Windungen der Transformatorwicklung an der Sekundärseite sind und die 1 in der Formel die Anzahl der aktiven Sekundärspannungen ist. In diesem Fall (Vhv/Vlv niedrig) haben zwei Sekundärspannungen (von den 3 in 2B) einen festen FI. Die zweite Sekundärspannung 24' hat einen festen FI-Wert von 0 (in Phase mit dem Primärkreis) und die dritte Sekundärspannung 24" hat einen festen FI-Wert von 0,5 (in Gegenphase mit der Primärspannung), so dass nur die erste Sekundärspannung 24 mit dem berechneten Fl-Wert arbeitet. Da die Sekundärspannungen 2, 24' und 3, 24" gegenphasig sind, wird die Leistungsübertragung der Primärspannungen aufgehoben und nur die erste Sekundärspannung arbeitet effektiv, geregelt durch den mit dem erklärten n-Wert berechneten FU. In diesem Fall (V_hv/V_lv niedrig) hat nur eine Sekundärseite einen FI gemäß Formel 1. Für die anderen wird der FI auf 0 bzw. 0,5 festgelegt.
Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Wörter eher beschreibend als einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/067206 [0034]

Claims

DC/DC-Wandler, der eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umwandelt, wobei der DC/DC-Wandler umfasst: ein primärseitiges Schaltnetz, das die Eingangsgleichspannung empfängt und eine primärseitige Wechselspannung ausgibt; eine erste Transformatorenkomponente mit einer ersten Vielzahl von Primärwicklungen und einer ersten Vielzahl von Sekundärwicklungen, wobei die erste Transformatorenkomponente einen ersten Teil der primärseitigen Wechselspannung empfängt und eine erste sekundärseitige Wechselspannung ausgibt; eine zweite Transformatorenkomponente mit einer zweiten Vielzahl von Primärwicklungen und einer zweiten Vielzahl von Sekundärwicklungen, wobei die zweite Transformatorenkomponente einen zweiten Teil der primärseitigen Wechselspannung empfängt und eine zweite sekundärseitige Wechselspannung ausgibt, wobei die erste Vielzahl von Primärwicklungen in Reihe mit der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen geschaltet ist; ein erstes sekundärseitiges Schaltnetz, das die erste sekundärseitige Wechselspannung empfängt; und ein zweites sekundärseitiges Schaltnetz, das die zweite sekundärseitige Wechselspannung empfängt, wobei die Ausgänge der ersten Vielzahl von Sekundärwicklungen und der zweiten Vielzahl von Sekundärwicklungen kombiniert werden, um die Ausgangsgleichspannung zu bilden.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, wobei eine erste Phasendifferenz zwischen einer ersten Vielzahl von Sekundärwicklungen und der ersten Vielzahl von Primärwicklungen und eine zweite Phasendifferenz zwischen der zweiten Vielzahl von Sekundärwicklungen und der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen eingestellt wird, um den Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 2, wobei die erste Phasendifferenz und die zweite Phasendifferenz entsprechend einem Verhältnis von Eingangsspannung-zu-Ausgangsspannung so angepasst werden, dass der Umwandlungswirkungsgrad im Vergleich zu einem Fall, in dem die erste Phasendifferenz und die zweite Phasendifferenz Null sind, verbessert wird.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 2, wobei die erste Phasendifferenz und die zweite Phasendifferenz zwischen 0 Grad und 180 Grad liegen.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, der ferner eine dritte Transformatorkomponente mit einer dritten Vielzahl von Primärwicklungen und einer dritten Vielzahl von Sekundärwicklungen umfasst, wobei die dritte Transformatorkomponente einen dritten Teil der primärseitigen Wechselspannung empfängt und eine dritte sekundärseitige Wechselspannung ausgibt, wobei die dritte Vielzahl von Primärwicklungen in Reihe mit der ersten Vielzahl von Primärwicklungen und der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen geschaltet ist.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 5, wobei die erste Vielzahl von Sekundärwicklungen, die zweite Vielzahl von Sekundärwicklungen und die dritte Vielzahl von Sekundärwicklungen auf die gleiche Phasendifferenz in Bezug auf die erste Vielzahl von Primärwicklungen, die zweite Primärwicklung von Sekundärwicklungen bzw. die dritte Vielzahl von Primärwicklungen eingestellt sind, um eine Umwandlung in einem vorbestimmten hohen nominalen Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnisbereich zu erzeugen.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 5, wobei, wenn das Verhältnis von Eingangsspannung-zu-Ausgangsspannung unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, die Gegenphasen in zwei der Sekundärleitungen festgelegt werden, um eine funktionale Aufhebung zu erzeugen.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, wobei die Eingangsgleichspannung etwa 230 bis 650 Volt beträgt.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, wobei eine Primärseite das primärseitige Schaltnetz und die erste Vielzahl von Primärwicklungen und die zweite Vielzahl von Primärwicklungen umfasst.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 9, wobei eine Sekundärseite eine erste Vielzahl von Sekundärwicklungen und eine zweite Vielzahl von Sekundärwicklungen, das erste sekundärseitige Schaltnetz und das zweite sekundärseitige Schaltnetz umfasst.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, wobei das primärseitige Schaltnetz eine primärseitige H-Brückenschaltung umfasst.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 11, wobei das erste sekundärseitige Schaltnetz eine erste sekundärseitige H-Brückenschaltung umfasst.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 12, wobei das zweite sekundärseitige Schaltnetz eine zweite sekundärseitige H-Brückenschaltung umfasst.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, der ferner einen Mikrocontroller umfasst, der so konfiguriert ist, dass er das primärseitige Schaltnetz steuert.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 14, wobei der Mikrocontroller ferner so konfiguriert ist, dass er das erste sekundärseitige Schaltnetz und das zweite sekundärseitige Schaltnetz steuert.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsgleichspannung kleiner ist als die Eingangsgleichspannung.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, der ferner eine dritte Transformatorkomponente mit einer dritten Vielzahl von Primärwicklungen und einer dritten Vielzahl von Sekundärwicklungen umfasst.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, der so konfiguriert ist, dass er bidirektional ist.
DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, wobei eine erste Phasendifferenz zwischen der ersten Vielzahl von Sekundärwicklungen und der ersten Vielzahl von Primärwicklungen und eine zweite Phasendifferenz zwischen der zweiten Vielzahl von Sekundärwicklungen und der zweiten Vielzahl von Primärwicklungen entsprechend einem Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnis so angepasst sind, dass ein Umwandlungswirkungsgrad des DC/DC-Wandlers im Vergleich zu einem Fall, in dem die erste Phasendifferenz und die zweite Phasendifferenz null sind, verbessert wird.