EP3529886A1 - Gleichspannungswandler und verfahren zur ansteuerung eines gleichspannungswandlers - Google Patents

Gleichspannungswandler und verfahren zur ansteuerung eines gleichspannungswandlers

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EP3529886A1
EP3529886A1 EP17777200.1A EP17777200A EP3529886A1 EP 3529886 A1 EP3529886 A1 EP 3529886A1 EP 17777200 A EP17777200 A EP 17777200A EP 3529886 A1 EP3529886 A1 EP 3529886A1
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EP
European Patent Office
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switching element
transformer
node
terminal
secondary side
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Application number
EP17777200.1A
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French (fr)
Inventor
Emiliano GUDINO CARRIZALES
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a DC-DC converter and a method for driving a DC-DC converter.
  • Electric and hybrid vehicles in addition to a low-voltage network (12 volt electrical system) usually also a high-voltage network.
  • This high-voltage network for example, from a high-voltage battery, such as a
  • the voltage in the high-voltage network is in the range of several 100 volts.
  • Infeed of electrical energy into the low-voltage network electrical energy can be transmitted from the high-voltage network to the low-voltage network.
  • Document DE 10 2012 204 029 A1 discloses a transmission device for an electric vehicle with two voltage domains.
  • the device comprises a detection device which detects the state of charge of an energy store of the second voltage domain.
  • the device comprises a DC-DC converter, which electrical power from the first
  • Voltage domain in the second voltage domain in response to the state of charge of the energy storage in the second voltage domain transmits.
  • the present invention provides a DC-DC converter with the features of independent claim 1 and a method for
  • a DC-DC converter with a first input terminal and a second input terminal. Between the first input terminal and the second input terminal of the DC-DC converter, a
  • the DC-DC converter includes a first switching element disposed between the first input terminal and a first node, a second switching element disposed between the first input terminal and the second node, a third switching element disposed between the first node and the first input terminal and a fourth switching element disposed between the second node and the second input terminal.
  • the DC-DC converter further comprises a
  • Terminal of the primary side of the transformer is electrically coupled to the first node, and a second terminal of the primary side of
  • the DC-DC converter comprises a first inductance, which is arranged between a first terminal of the secondary side of the transformer and a third node. Furthermore, the DC-DC converter comprises a
  • Rectifier circuit which is adapted to an electrical voltage between the third node and a second terminal of
  • the control device is designed to first open the second switching element and the third switching element and to close the first switching element and the fourth switching element. Furthermore, the control device is designed to subsequently open the fourth switching element after a predetermined first period of time, and then to open the first switching element after an electric current through the first switching element and / or an electric current through the secondary side of the transformer is smaller than one predetermined threshold. Furthermore, the control device is designed to subsequently close the second switching element and the third switching element after a predetermined second period of time, and then after a period of time corresponding to the first
  • predetermined period of time corresponds to open the third switching element.
  • control device is designed, then the second
  • a method for driving a DC-DC converter may be, for example, a DC-DC converter with a structure described above.
  • the DC-DC converter in particular comprises a first input terminal, a second
  • a third switching element which is arranged between the first node and the second input terminal, a fourth switching element which is arranged between the second node and a first node, a second switching element which is arranged between the first input terminal and a second node
  • the second input terminal is arranged. Parallel to the first to fourth
  • Switching element can be arranged in each case a freewheeling diode.
  • DC-DC converter further comprises a transformer, with a
  • the DC-DC converter further comprises a first inductor disposed between a first terminal of the secondary side of the transformer and a third node, and a rectifier circuit configured to rectify an electrical voltage between the third
  • the DC-DC converter comprises a first output terminal and a second output terminal, wherein the DC-DC converter provides the rectified voltage between the first output terminal and the second output terminal.
  • the method comprises the steps of opening the second switching element and the third switching element; the closing of the first switching element and the fourth switching element; opening the fourth switching element after the fourth switching element is opened a predetermined first period of time; monitoring an electrical current through the first switching element and / or an electrical current through the secondary side of the transformer; the opening of the first switching element after the monitored electrical current through the first switching element and / or through the secondary side of
  • Transformer is smaller than a predetermined threshold value; closing the second switching element and the third switching element after the first switching element is opened for a predetermined second time period; opening the third switching element after the third switching element is opened for a predetermined period of time corresponding to the first predetermined period of time; monitoring an electrical current through the second switching element and / or an electrical current through the secondary side of the transformer; and opening the second switching element after the monitored electric current through the second switching element and / or through the secondary side of the transformer is smaller than the predetermined one
  • the present invention is based on the finding that during a boost operation of a full-bridge phase shifted (FBPS) DC-DC converter in the case of an energy flow from a low-voltage side in the direction of the high-voltage side, the switching elements on the input side of the DC-DC converter in the Usually be hard-switched.
  • FBPS phase shifted
  • the present invention is therefore based on the idea to take this finding into account and to create a DC-DC converter, which is inexpensive to build and thereby has the lowest possible switching losses.
  • the present invention provides a modulation method for a PSFB DC-DC converter, in which due to an innovative control of the individual semiconductor switches, the switching losses can be reduced. By lowering the switching losses in the individual
  • Switching elements thus also reduces the power loss of the rectifier circuit. Therefore, less heat must be dissipated. This allows more efficient cooling while reducing the space or volume of the circuit structure. Thus, the total effort for the
  • Rectifier circuit can be reduced.
  • due to the compact design also reduces the cost of required suppression measures in terms of electromagnetic compatibility.
  • an input voltage can be applied between the first input terminal and the second input terminal.
  • This input voltage is greater than the product of a transmission ratio of the transformer between the primary side and the secondary side and a target output voltage that is between the first output terminal and the second output terminal of the rectifier circuit of
  • the circuitry between the input terminals and the transformer is operated as a buck converter, which in this buck converter operating mode provides a modulated voltage whose average value is smaller than that
  • the first predetermined period of time is dependent on an input voltage between the first predetermined period of time
  • the rectifier circuit may include a fifth switching element that is between the third node and the first
  • Output terminal, a sixth switching element disposed between the second terminal of the secondary side of the transformer and the first output terminal, a seventh switching element disposed between the third node and the second output terminal, and an eighth switching element connected between the second terminal of Secondary side of the transformer and the second output terminal is arranged. In this way, an active rectification of the voltage provided by the secondary side of the transformer can be achieved.
  • control device is the
  • Rectifier circuit adapted to the switching elements of the active
  • the DC-DC converter comprises a current sensor.
  • the current sensor is configured to detect an electric current through the secondary side of the transformer and / or to detect an electric current through the first switching element and through the second switching element. In this way, the currents required for driving the switching elements of the DC-DC converter can be detected particularly easily.
  • DC converter is the second period of time as a function of a dead time of the first switching element and / or a dead time of the second
  • Figure 1 a schematic representation of a circuit diagram for a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a flowchart, such as a method for controlling a DC converter according to one embodiment is based;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the circuit sequences on which an embodiment is based.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a circuit diagram for a
  • DC-DC converter 1 according to one embodiment.
  • DC-DC converter 1 comprises a first input terminal El and a second input terminal E2. Between the first input terminal El and the second input terminal E2, an input voltage Uin can be applied. Optionally, a capacitance Cl may be provided between the first input terminal El and the second input terminal E2. Between the first input terminal El and a first node Kl, a first switching element Sl is arranged. Between the first
  • a second switching element S2 is arranged. Furthermore, a third switching element S3 is arranged between the first node Kl and the second input terminal E2, and a fourth switching element S4 is arranged between the second node K2 and the second input terminal E2. Parallel to each of the four switching elements Sl to S4 may be arranged a freewheeling diode. Further, between the first input terminal El and a
  • the four switching elements S1 to S4 may be, for example, any semiconductor switching elements such as metal oxide field-effect transistors
  • the DC-DC converter 1 comprises a transformer T having a primary side and a secondary side. A first terminal of the primary side of the transformer T is electrically coupled to the first node Kl and a second terminal of the primary side of the transformer T is electrically coupled to the second node K2. On the secondary side of the transformer T, an inductance LI is arranged between a first terminal of the transformer T and a third node K3. The third node K3 and a second terminal of the secondary side of
  • Transformers T are electrically coupled to a rectifier circuit 10.
  • This rectifier circuit 10 may be, for example, a passive bridge rectifier. Alternatively, it may be at the
  • Rectifier circuit 10 also act to an active synchronous rectifier or the like.
  • a fifth switching element S5 may be arranged between the third node K3 and a first output terminal AI of the rectifier circuit 10, which simultaneously also represents an output terminal of the DC-DC converter.
  • Output terminal AI is arranged a sixth switching element S6. Furthermore, a seventh switching element S7 is arranged between the third node K3 and a second output terminal A2 of the rectifier circuit 10, and an eighth switching element S8 is connected between the second terminal of the secondary side of the transformer T and the second output terminal A2
  • Parallel to the fifth to eighth switching element S5-S8 can also be arranged in each case a freewheeling diode. Furthermore, a capacitance C2 can be provided between the first output terminal AI and the second output terminal A2.
  • switching elements Sl to S4 and possibly S5 to S8 of the DC-DC converter 1 can be provided in this way between the first output terminal AI and the second output terminal A2, a predetermined target output voltage.
  • the switching elements can be controlled by a control device 20 accordingly.
  • the inventive control of the switching elements is described by way of example below.
  • the inductance LI can be realized as a separate external component or optionally also as a leakage inductance of the transformer T.
  • the inductance LI provides in particular a
  • Resonant inductance of the DC-DC converter 1 and a leakage inductance of the transformer T is.
  • Output terminal AI and the second output terminal A2 is charged via the closed switching elements S5 and S8.
  • the closed switching elements S5 and S8 are the closed switching elements.
  • the fourth switching element S 4 is initially opened, while the first switching element S 1 remains closed.
  • the electric current commutates through the primary side of the transformer T of the fourth switching element S4 in the freewheeling diode parallel to the second switching element S2. Further, the electric current continues to flow through the closed first switching element Sl.
  • the time interval t2 between the opening of the first switching element Sl (and the switching elements S5 and S8) should correspond to at least one dead time of the first switching element Sl. Due to parasitic effects of the components, in particular the switching elements Sl-S4, there may be a switching delay. By taking into account a dead time, which takes these properties into account, it can be ensured that no further electrical current will flow through the first switching element S1 when the further switching characteristics are initiated.
  • the second switching element S2 and the third switching element S3 are then closed initially. Then, from the first input terminal El, an electric current flows through the second switching element S2, the primary side of the transformer T, and the third
  • Switching element S3 to the second input terminal E2. Subsequently, an electric current is induced on the secondary side of the transformer T, and an electric current through the secondary side of the transformer T, the inductance LI and the two also closed switching elements S6 and S7 (sixth and seventh switching element) into the second capacitance C2. After a predetermined period of time, which preferably corresponds to the first time period t1 described above, the third switching element S3 is then opened. Then the electric current commutates through the freewheeling diode in parallel to the first switching element Sl.
  • the corresponding switching element can be actively activated and closed in each case. In this way, it is possible the passage losses still continue to reduce, since the semiconductor electrical switching elements generally have lower losses than a parallel arranged freewheeling diode.
  • the activation of the first switching element S1 to fourth switching element S4 takes place in a so-called "buck operation.”
  • the time duration to be set for the freewheel that is to say the predetermined first time duration t1 depends on the output voltage to be provided, on a transmission ratio of Transformers T, the maximum
  • Transmission ratio of the transformer T can be regarded as constant, with a limitation of the input current for the
  • DC converter 1 to a maximum value are assumed that the output voltage Uout of the DC-DC converter is directly proportional to the first time interval tl for the freewheel. This allows a particularly simple control of the output voltage Uout.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a flowchart on which a method 100 for driving a DC-DC converter according to one embodiment is based.
  • the DC-DC converter for this method may in particular be a DC-DC converter 1 described above.
  • step 110 the second switching element S2 and the third switching element S3 are opened.
  • step 120 the first switching element Sl and the fourth switching element S4
  • step 140 an electrical current is monitored by the first switching element S1 and / or by the secondary side of the transformer T. It is detected that the electric current through the first switching element Sl and / or through the
  • Secondary side of the transformer T is smaller than a predetermined one
  • step 150 the first switching element Sl is opened.
  • the opening of this first switching element Sl thus takes place without current.
  • step 160 after a further, predetermined period t2, the second switching element S2 and the third switching element S3 are closed.
  • a predetermined period of time preferably the predetermined first time interval t1
  • step 180 the electrical current through the second switching element S2 and / or the electrical current through the secondary side of the transformer T is monitored. Is thereby detected that the electric current through the second switching element S2 and / or through the secondary side of the transformer T is smaller than a predetermined
  • step 190 the second switching element is opened normally. Subsequently, the method steps described above can be repeated.
  • a suitable current sensor (not shown) may be provided.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the modulation method and of the secondary current profile according to an embodiment.
  • the drive signals of the first and second switching element Sl, S2 (high-side switching elements) are shown in the middle diagram are the
  • the first and fourth switching elements Sl and S4 are turned on together. As a result, there is a voltage on the primary side of
  • Transformer winding of the transformer T and causes a current flow from the input side to the primary winding. Due to the magnetic coupling of the two inductances in the transformer T is a voltage at the
  • the present invention relates to a

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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

Beschreibung
Titel
Gleichspannungswandler und Verfahren zur Ansteuerung eines
Gleichspa nnungswan dlers
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 AI 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 Boost- betrieb 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds für einen
Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt;
Figur 3: .eine schematische Darstellung der Schaltungsabläufe, wie sie einer Ausführungsform zugrunde liegen.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 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 Cl vorgesehen sein. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und einem ersten Knotenpunkt Kl ist ein erstes Schaltelement Sl angeordnet. Zwischen dem ersten
Eingangsanschluss El und einem zweiten Knotenpunkt K2 ist ein zweites Schaltelement S2 angeordnet. Weiterhin ist zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl 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 Sl bis S4 kann eine Freilaufdiode angeordnet sein. Ferner ist zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und einem
Knotenpunkt, an dem das erste Schaltelement Sl 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 Sl 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 Kl 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 LI 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 AI 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 AI 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 AI und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 eine Kapazität C2 vorgesehen sein.
Durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente Sl bis S4 und gegebenenfalls S5 bis S8 des Gleichspannungswandlers 1 kann auf diese Weise zwischen dem ersten Ausgangsanschluss AI 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 Sl 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 LI hervor. Die Induktivität LI kann hierbei als separates externes Bauelement oder gegebenenfalls auch als Streuinduktivität des Transformators T realisiert werden. Die Induktivität LI 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 LI ein und die Kapazität C2 zwischen dem ersten
Ausgangsanschluss AI 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 tl wird zunächst das vierte Schaltelement S4 geöffnet, während das erste Schaltelement Sl 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 Sl. 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 El und E2 in den
Gleichspannungswandler 1 eingespeist. Dieser Zustand wird hier im Folgenden als Freilauf bezeichnet. Hierbei wird insbesondere die in der Induktivität LI gespeicherte elektrische Energie an den Kondensator C2 zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss AI, A2 weitergegeben. Im weiteren Verlauf wird der elektrische Strom auf der Sekundärseite durch die Induktivität LI von einem Maximalwert bis auf Null absinken. Ist der elektrische Strom durch die Induktivität LI 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 Sl ebenfalls annähernd Null Ampere. Daraufhin kann das erste Schaltelement Sl stromlos geöffnet werden. Hierbei sind insbesondere die Schaltverluste beim Öffnen des ersten Schaltelement Sl 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 Sl (und den Schaltelementen S5 und S8) mindestens einer Totzeit des ersten Schaltelements Sl 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 Sl 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 LI 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 tl entspricht, wird daraufhin das dritte Schaltelement S3 geöffnet. Daraufhin kommutiert der elektrische Strom durch die Freilaufdiode parallel zu dem ersten Schaltelement Sl.
Auf der Sekundärseite hat sich zwischenzeitlich ein elektrischer Strom durch die Induktivität LI eingestellt, der von nun an von einem Maximalwert bis auf annähernd Null Ampere abklingt. Sobald der elektrische Strom auf der
Sekundärseite durch die Induktivität LI 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 Sl 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 Sl 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 Sl 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 LI ab. Da sowohl die Induktivität LI 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 tl für den Freilauf ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Regelung der Ausgangsspannung Uout.
Figur 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 Sl und das vierte Schaltelement S4
geschlossen. Nach einer vorbestimmten ersten Zeitspanne tl wird daraufhin das vierte Schaltelement S4 wieder geöffnet. Dabei wird in Schritt 140 ein elektrischer Strom durch das erste Schaltelement Sl und/oder durch die Sekundärseite des Transformators T überwacht. Wird dabei detektiert, dass der elektrische Strom durch das erste Schaltelement Sl und/oder durch die
Sekundärseite des Transformators T kleiner ist als ein vorgegebener
Schwellwert, so wird in Schritt 150 das erste Schaltelement Sl geöffnet. Das Öffnen dieses ersten Schaltelements Sl 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 tl 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.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Modulationsverfahrens sowie des Sekundärstromverlaufs gemäß einer Ausführungsform. Im oberen Diagramm sind die Ansteuersignale des ersten und zweiten Schaltelements Sl, 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 Sl 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 LI, die Schaltelemente S5 und S8 in den Ausgangskondensator C2 hervorruft. Die Resonanzinduktivität LI und die Ausgangskapazität C2 werden aufgeladen und die Ausgangsspannung wächst. Als nächstes wird das vierte Schaltelement S4 ausgeschaltet. Das erste Schaltelement Sl 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 Sl 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 LI 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 El und E2 zurückgespeist, sodass keine
Spannungstransienten auftreten. Ist der Sekundärstrom Null, so ist auch der Primärstrom Null und das erste Schaltelement Sl 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 Sl ist die erste Halbperiode abgeschlossen. Nach einer Totzeit Ät 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.

Claims

Ansprüche
1. Gleichspannungswandler (1), mit: einem ersten Eingangsanschluss (El); einem zweiten Eingangsanschluss (E2); einem ersten Schaltelement (Sl), das zwischen dem ersten
Eingangsanschluss (El) und einem ersten Knotenpunkt (Kl) angeordnet ist; einem zweiten Schaltelement (S2), das zwischen dem ersten
Eingangsanschluss (II) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; einem dritten Schaltelement (S3), das zwischen dem ersten
Knotenpunkt (Kl) 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 (Kl) elektrisch gekoppelt ist und ein zweiter Anschluss der Primärseite mit dem zweiten Knotenpunkt (K2) elektrisch gekoppelt ist; einer ersten Induktivität (LI), 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 (AI) 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 (Sl) und das vierte Schaltelement (S4) zu schließen;
anschließend nach einer vorbestimmten ersten Zeitspanne (tl) das vierte Schaltelement (S4) zu öffnen;
daraufhin das erste Schaltelement (Sl) zu öffnen, nachdem ein elektrischer Strom durch das erste Schaltelement (Sl) 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 (tl) 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.
Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, wobei eine
Eingangsspannung (Uin) zwischen dem ersten Eingangsanschluss (El) 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 (AI) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) auszugebenden Soll-Ausgangsspannung (Uout).
Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine die vorbestimmte erste Zeitspanne (tl) in Abhängigkeit von der
Eingangsspannung (Uin) und/oder der Soll-Ausgangsspannung (Uout) anpassbar ist.
Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gleichrichterschaltung (10) eine aktive Synchrongleichrichter- Schaltung umfasst.
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 (Sl) und des zweiten Schaltelements (S2) anzusteuern.
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 (Sl) sowie durch das zweite Schaltelement (S2) zu erfassen.
Verfahren (100) zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers (1), mit einem ersten Eingangsanschluss (El), einem zweiten Eingangsanschluss (E2), einem ersten Schaltelement (Sl), das zwischen dem ersten
Eingangsanschluss (El) und einem ersten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist, einem zweiten Schaltelement (S2), das zwischen dem ersten
Eingangsanschluss (El) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist, einem dritten Schaltelement (S3), das zwischen dem ersten
Knotenpunkt (Kl) 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 (Kl) elektrisch gekoppelt ist und ein zweiter Anschluss der Primärseite mit dem zweiten Knotenpunkt (K2) elektrisch gekoppelt ist, einer ersten Induktivität (LI), 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 (AI) 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 (Sl) und des vierten Schaltelements (S4);
Öffnen (130) des vierten Schaltelement (S4) nachdem das vierte Schaltelement (S4) eine vorbestimmte erste Zeitspanne (tl) geschlossen ist;
Überwachen (140) eines elektrischen Stroms durch das erste Schaltelement (Sl) und/oder eines elektrischen Stroms durch die Sekundärseite des Transformators (T);
Öffnen (150) des ersten Schaltelements (Sl), nachdem der überwachte elektrische Strom durch das erste Schaltelement (Sl) 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 (Sl) eine vorbestimmte zweite Zeitspanne (t2) geöffnet ist;
Öffnen (170) des dritten Schaltelement (S3), nachdem das dritte Schaltelement (S3) für die vorbestimmte erste Zeitspanne (tl) 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 (Sl) und/oder eine Totzeit des zweiten Schaltelement (S2) anpassbar ist.
EP17777200.1A 2016-10-18 2017-09-20 Gleichspannungswandler und verfahren zur ansteuerung eines gleichspannungswandlers Ceased EP3529886A1 (de)

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