EP4022759A1 - Drive method for a dc-dc voltage converter, and dc-dc voltage converter - Google Patents

Drive method for a dc-dc voltage converter, and dc-dc voltage converter

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EP4022759A1
EP4022759A1 EP20754242.4A EP20754242A EP4022759A1 EP 4022759 A1 EP4022759 A1 EP 4022759A1 EP 20754242 A EP20754242 A EP 20754242A EP 4022759 A1 EP4022759 A1 EP 4022759A1
Authority
EP
European Patent Office
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primary
switching
full bridge
transformer
connection
Prior art date
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Pending
Application number
EP20754242.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Winter
Jan Riedel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
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    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a DC voltage converter.
  • the present invention also relates to a DC voltage converter, in particular a phase-shifted full bridge DC voltage converter.
  • DC voltage converters are known for converting a first DC voltage into a second DC voltage with a different voltage level.
  • the group of DC voltage converters also includes so-called phase-shifted full bridge DC voltage converters.
  • these DC voltage converters can also implement a power transfer from the secondary side to the primary side, provided that active switching elements are also used on the secondary side.
  • DC voltage converters can be used to couple a high-voltage network of an electric vehicle to the low-voltage network of the vehicle and to transmit electrical energy between the two on-board networks of such an electric vehicle.
  • the document DE 102016 200 662 A1 discloses a bidirectional DC voltage converter for transferring energy between a high-voltage network and a low-voltage network of an electric vehicle.
  • the converter comprises at least one transformer for galvanic separation of the two vehicle electrical systems, electronic switches for reversing the polarity of the windings Transformer and a control device for controlling the switch.
  • the DC voltage converter should enable an intermediate circuit capacitor to be charged on the high-voltage side.
  • the present invention discloses a method for controlling a DC voltage converter and a DC voltage converter with the features of the independent claims. Further embodiments are the subject of the dependent claims.
  • a method for controlling a DC / DC converter comprises a primary-side full bridge and a transformer.
  • the transformer is arranged between the full bridge on the primary side and a secondary side of the DC / DC converter.
  • the method for controlling the DC / DC converter alternately controls a first diagonal branch and a second diagonal branch of the primary-side full bridge.
  • the first diagonal branch is complementary to the second diagonal branch of the primary-side full bridge.
  • the switching elements of the full bridge can be activated alternately according to a first switching sequence and a second switching sequence. In the first switching sequence, between driving the first diagonal branch and driving the second diagonal branch of the primary-side full bridge, a primary side of the transformer is short-circuited by means of the upper switching elements of the primary-side full bridge.
  • the primary side of the transformer is short-circuited between the activation of the first diagonal branch and the activation of the second diagonal branch of the primary-side full bridge by means of the lower switching elements of the primary-side full bridge.
  • the primary side of the transformer can also be short-circuited by means of the upper switching elements or the lower switching elements between the activation of the second diagonal branch and the activation of the first diagonal branch. It is also provided:
  • a DC voltage converter in particular a phase-shifted full bridge DC voltage converter, with a primary-side full bridge and a transformer.
  • the transformer can be arranged between the primary-side full bridge and a secondary side of the DC voltage converter.
  • the primary-side full bridge can be arranged between a primary-side DC voltage connection of the DC voltage converter and a primary side of the transformer.
  • the DC voltage converter comprises a control device.
  • the control device can be designed to control the switching elements of the primary-side full bridge according to the method according to the invention.
  • the present invention is based on the knowledge that with a conventional control of a DC voltage converter, such as a phase-shifted full bridge DC voltage converter, the switching elements in the primary-side full bridge are controlled according to a fixed, predetermined switching sequence.
  • a DC voltage converter such as a phase-shifted full bridge DC voltage converter
  • the switching elements of a half bridge of the full bridge have to be switched hard, that is, there is a significant voltage drop across the switching element during the switch-on process.
  • the switching elements of the other half bridge can optionally be switched softly, that is, there is no significant voltage drop across the switching element during the switch-on process.
  • the switching sequence for controlling the switching elements in the primary-side full bridge is modified.
  • the modified switching sequence makes it possible that the same switching elements are not always operated with hard switching or soft switching.
  • the power loss is evenly distributed over the individual switching elements, it is also possible, if necessary, to use switching elements with higher switch-on losses. Furthermore, the design of the cooling is less critical.
  • connection of the connection elements on the primary side of the transformer takes place by means of the lower switching elements of the primary-side full bridge.
  • the connection elements on the primary side of the transformer are electrically connected by means of the upper switching elements of the primary-side full bridge. This takes place between each activation of a diagonal branch in the full bridge on the primary side each electrically connect the connection elements on the primary side of the transformer.
  • a primary-side short circuit of the transformer takes place via the upper or the lower switching elements of the primary-side full bridge.
  • the change between the first switching sequence and the second switching sequence takes place after a predetermined number of switching cycles.
  • the actuation of a diagonal branch for example, can be viewed as a switching cycle.
  • the actuation of a first diagonal branch first and then the second diagonal branch can also be considered as a switching cycle.
  • the change between the switching sequence and the second switching sequence can also take place after predetermined time intervals or any other criteria.
  • a temperature at one or more switching elements of the first full bridge can also be monitored and a change between the first and the second switching sequence can take place when a predetermined limit temperature is reached.
  • the change from the second switching sequence back to the first switching sequence can also take place according to the same or corresponding criteria.
  • the DC voltage converter in the method for controlling the DC voltage converter, is controlled in a discontinuous operating mode (DCM).
  • DCM discontinuous operating mode
  • electrical energy is fed into the transformer for a predetermined period of time via a diagonal branch of the primary-side DC voltage converter, so that an increasing electrical current is established in the transformer.
  • the primary side of the transformer is then short-circuited and the electrical current in the transformer drops to 0 amperes.
  • This process is then repeated by controlling the complementary diagonal branch in the primary-side full bridge with the opposite sign.
  • the primary-side full bridge can comprise a first half bridge and a second half bridge.
  • the first half bridge can comprise a first upper switching element and a first lower switching element.
  • the second half bridge can comprise a second upper switching element and a second lower switching element.
  • the first upper switching element can be arranged between a first connection element of the primary-side direct voltage connection and a first node.
  • the first lower switching element can be arranged between the first node and a second connection of the primary-side direct voltage connection.
  • the second upper switching element can be arranged between the first connection element of the primary-side direct voltage connection and a second node.
  • the second lower switching element can be arranged between the second node and the second connection element of the primary-side direct voltage connection.
  • the first node can be connected to a first connection element on the primary side of the transformer and the second node can be connected to a second connection element on the primary side of the transformer. In this way, the first upper switching element and the second lower switching element form a first diagonal branch. Similarly, the second upper switching element and the first lower switching element form a second diagonal branch which is complementary to the first diagonal branch.
  • Figure 1 a schematic representation of a basic circuit diagram, as it is a
  • DC-DC converter according to one embodiment is based
  • FIG. 2-5 each show basic circuit diagrams of different switching states during the activation of a DC voltage converter according to an embodiment
  • FIG. 6 a schematic representation of a flow chart as it is a
  • This is based on a method for controlling a DC voltage converter according to one embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram on the basis of a DC voltage converter 1 according to an embodiment.
  • the DC voltage converter 1 can be, for example, a phase-shifted full bridge DC voltage converter.
  • the DC / DC converter comprises a primary-side full bridge 10 and a secondary-side full bridge 20.
  • a transformer 30 is arranged between the primary-side full bridge 10 and the secondary-side full bridge 20.
  • the switching elements M1 to M4 of the full bridge 10 on the primary side and, if applicable, the switching elements M5 to M8 of the full bridge 20 on the secondary side can be activated, for example, by means of the control device 50.
  • the full bridge 10 comprises two half bridges, each with two switching elements.
  • a first switching element Ml can be arranged between a first input connection on the primary side of the DC / DC converter and a first node 11.
  • a second switching element M2 can be between the first node 11 and a second input connection on the primary side of the DC / DC converter 1 be arranged.
  • a third switching element M3 can be provided in the second half bridge between the first connection element on the primary side of the DC voltage converter 1 and a second node 12.
  • a fourth switching element M4 can be arranged between the second node 12 and the second input connection on the primary side of the DC / DC converter.
  • the first node 11 can be connected to a first connection on the primary side of the transformer 30.
  • the second node 12 can be connected to a second connection on the primary side of the transformer 30.
  • the DC voltage converter 1 also has a full bridge 20 on the secondary side, this can be constructed analogously to the primary side full bridge 10 between the secondary side of the transformer 30 and the secondary side connection of the DC voltage converter 1.
  • a capacitor can be provided in each case between the two connection elements of the connection on the primary side and / or between the two connection elements of the connection on the secondary side of the DC voltage converter 1.
  • a series inductance L can be provided between the secondary-side full bridge 20 and a connection element on the secondary side of the DC-DC converter 1.
  • the first switching element Ml of the first half bridge thus forms a first upper switching element.
  • the second switching element M2 of the first half bridge thus forms a first lower switching element.
  • the third switching element M3 of the second half bridge forms a second upper switching element, and the fourth switching element M4 of the second half bridge forms a second lower switching element.
  • the first upper switching element Ml and the second lower switching element M4 thus form a first diagonal branch.
  • the second upper switching element M3 and the first lower switching element M2 form a second diagonal branch which is complementary to the first diagonal branch.
  • FIGS. 2 to 5 different switching states are described how they can be set by means of the full bridge 10 on the primary side.
  • Figure 2 shows a schematic representation of the primary-side full bridge 10, in which the switching elements Ml and M4 of a first diagonal branch are activated.
  • an electric current can flow from the first connection element of the primary-side connection via the first switching element Ml and the primary side of the transformer 30 and the second lower switching element M4 to the second connection element of the primary-side connection of the DC-DC converter 1. This will result in an increasing electrical current in the transformer 30.
  • FIG. 3 shows a switching state of the full bridge 10 on the primary side, in which the two upper switching elements M1 and M3 are closed and the two lower switching elements M2 and M4 are open.
  • the two connection elements on the primary side of the transformer 30 are electrically connected to one another via the two upper switching elements Ml and M3 and thus the primary side of the transformer 30 is short-circuited.
  • an electrical current set in the transformer 30 can continuously decay down to 0 amperes.
  • FIG. 4 shows the switching state of the full bridge 10 on the primary side, in which the second diagonal branch comprising the first lower switching element M2 and the second upper switching element M3 is closed.
  • the second diagonal branch which is complementary to the diagonal branch according to FIG. 2, is activated accordingly.
  • an electrical current can build up in the transformer 30, the direction of flow of which is opposite to the direction of flow of the electrical current according to FIG.
  • FIG. 5 shows a switching state in which the two lower switching elements M2 and M4 are closed and the two upper switching elements M1 and M3 are open.
  • the primary side of the transformer 30 is correspondingly short-circuited via the two lower switching elements M2 and M4.
  • An electrical current can thus flow via the two lower switching elements M2 and M4 until the electrical current in the transformer 30 has decayed to 0 amperes.
  • the switching state according to FIG. 2 is referred to as switching state 1, the switching state according to FIG. 3 as switching state 2, the switching state according to FIG. 4 as switching state 3 and the switching state according to FIG. 5 as switching state 4.
  • the DC / DC converter 1 is controlled with an alternative switching sequence 1-4-3-2-1-4-3-2 ..., the switching elements M3 and M4 of the second half-bridge are switched hard in this switching sequence, while the switching elements Ml, M2 of the first half bridge can be switched soft. In this case, a higher power loss occurs at the switching elements M3 and M4 of the second half bridge than at the switching elements Ml and M2 of the first half bridge.
  • the two switching sequences described above For example, regularly after a predetermined number of switching operations between the first switching sequence (1- 2-3-4) and the second switching sequence (1-4-3-2) can be changed.
  • any other specifications for a regular change between the two switching sequences are also possible.
  • the temperature at the switching elements can also be monitored.
  • temperature sensors or temperature models can be used to calculate the temperatures. If the temperatures of the switching elements on a half-bridge exceed a predetermined threshold value, it is then possible, for example, to switch to the alternative switching sequence in order to relieve the corresponding switching elements.
  • any other schemes for changing between the switching sequences are also possible.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a flowchart on the basis of a method for controlling a DC voltage converter according to an embodiment. All statements made above in connection with the DC voltage converter 1 apply to this method. In addition, the DC voltage converter 1 described above can also be designed accordingly in order to carry out all of the steps described below in connection with the method.
  • the DC / DC converter can be activated in a first step S1 with a first switching sequence.
  • the first diagonal branch and the second diagonal branch are activated alternately.
  • a first diagonal branch for example from the first upper switching element Ml and the second lower switching element M2, can be actuated.
  • the two upper switching elements M1 and M3 can then be activated in switching state 2.
  • the second diagonal branch can consist of the second upper switching element M3 and the first lower switching element M2 are controlled.
  • the two lower switching elements M2 and M4 are activated.
  • the first diagonal branch can then be activated again in accordance with the first switching state 1.
  • the DC voltage converter can be operated in intermittent operation (DCM).
  • DCM intermittent operation
  • the present invention relates to the control of a DC voltage converter, such as, for example, a phase-shifted full bridge DC voltage converter, it being possible to switch between two predetermined switching sequences.
  • a DC voltage converter such as, for example, a phase-shifted full bridge DC voltage converter
  • uniform loading of the switching elements of a primary-side full bridge of the DC / DC converter can be achieved.
  • the switching elements of a first half-bridge of the primary-side full bridge can be switched hard
  • the switching elements of a second half-bridge of the primary-side full bridge are switched hard.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The present invention relates to the driving of a DC-DC voltage converter (1), such as for example a phase-shifted full-bridge DC-DC voltage converter, it being possible to switch between two predefined switching sequences. It is thereby possible to achieve even loading of the switching elements (M1-M4) of a primary-side full bridge (10) of the DC-DC voltage converter (1). Thus, by way of example, in the first switching sequence (S1), the switching elements (M1, M3) of a first half bridge of the primary-side full bridge (10) may be hard-switched, whereas, in the second switching sequence (S2), the switching elements (M2, M4) of a second half bridge of the primary-side full bridge (10) may be hard-switched.

Description

Beschreibung description
Titel title
Ansteuerverfahren für einen Gleichspannungswandler undControl method for a DC voltage converter and
Gleichspannungswandler DC-DC converter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen Phase-Shifted-Full-Bridge- Gleichspannungswandler. The present invention relates to a method for controlling a DC voltage converter. The present invention also relates to a DC voltage converter, in particular a phase-shifted full bridge DC voltage converter.
Stand der Technik State of the art
Zur Konvertierung einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung mit anderer Spannungshöhe sind Gleichspannungswandler bekannt. Insbesondere umfasst die Gruppe der Gleichspannungswandler auch sogenannte Phase-Shifted-Full-Bridge-Gleichspannungswandler. Diese Gleichspannungswandler können unter bestimmten Rahmenbedingungen auch einen Leistungstransfer von der Sekundärseite auf die Primärseite realisieren, sofern auf der Sekundärseite auch aktive Schaltelemente eingesetzt werden. Beispielsweise können Gleichspannungswandler eingesetzt werden, um ein Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs mit dem Niedervoltnetz des Fahrzeugs zu koppeln und elektrische Energie zwischen den beiden Bordnetzen eines solchen Elektrofahrzeugs zu übertragen. DC voltage converters are known for converting a first DC voltage into a second DC voltage with a different voltage level. In particular, the group of DC voltage converters also includes so-called phase-shifted full bridge DC voltage converters. Under certain framework conditions, these DC voltage converters can also implement a power transfer from the secondary side to the primary side, provided that active switching elements are also used on the secondary side. For example, DC voltage converters can be used to couple a high-voltage network of an electric vehicle to the low-voltage network of the vehicle and to transmit electrical energy between the two on-board networks of such an electric vehicle.
Die Druckschrift DE 102016 200 662 Al offenbart einen bidirektionalen Gleichspannungswandler zur Energieübertragung zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs. Der Wandler umfasst mindestens einen Transformator zur galvanischen Trennung der beiden Bordnetze, elektronische Schalter zum Umpolen der Wicklungen des Transformators sowie eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schalter. Insbesondere soll der Gleichspannungswandler ein Aufladen eines Zwischenkreiskondensators auf der Hochvoltseite ermöglichen. The document DE 102016 200 662 A1 discloses a bidirectional DC voltage converter for transferring energy between a high-voltage network and a low-voltage network of an electric vehicle. The converter comprises at least one transformer for galvanic separation of the two vehicle electrical systems, electronic switches for reversing the polarity of the windings Transformer and a control device for controlling the switch. In particular, the DC voltage converter should enable an intermediate circuit capacitor to be charged on the high-voltage side.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers sowie einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. The present invention discloses a method for controlling a DC voltage converter and a DC voltage converter with the features of the independent claims. Further embodiments are the subject of the dependent claims.
Demgemäß ist vorgesehen: Accordingly, it is provided:
Ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers. Der Gleichspannungswandler umfasst eine primärseitige Vollbrücke und einen Transformator. Der Transformator ist zwischen der primärseitigen Vollbrücke und einer Sekundärseite des Gleichspannungswandlers angeordnet. Das Verfahren zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers steuert abwechselnd einen ersten Diagonalzweig und einen zweiten Diagonalzweig der primärseitigen Vollbrücke an. Der erste Diagonalzweig ist dabei komplementär zu dem zweiten Diagonalzweig der primärseitigen Vollbrücke. Hierbei können die Schaltelemente der Vollbrücke abwechselnd gemäß einer ersten Schaltfolge und einer zweiten Schaltfolge angesteuert werden. In der ersten Schaltfolge wird zwischen dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs der primärseitigen Vollbrücke eine Primärseite des Transformators mittels den oberen Schaltelementen der primärseitigen Vollbrücke kurzgeschlossen. In der zweiten Schaltfolge erfolgt ein Kurzschließen der Primärseite des Transformators zwischen dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs der primärseitigen Vollbrücke mittels der unteren Schaltelemente der primärseitigen Vollbrücke. Darüber hinaus kann auch zwischen dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs die Primärseite des Transformators mittels der oberen Schaltelemente oder der unteren Schaltelemente kurzgeschlossen werden. Weiterhin ist vorgesehen: A method for controlling a DC / DC converter. The DC / DC converter comprises a primary-side full bridge and a transformer. The transformer is arranged between the full bridge on the primary side and a secondary side of the DC / DC converter. The method for controlling the DC / DC converter alternately controls a first diagonal branch and a second diagonal branch of the primary-side full bridge. The first diagonal branch is complementary to the second diagonal branch of the primary-side full bridge. Here, the switching elements of the full bridge can be activated alternately according to a first switching sequence and a second switching sequence. In the first switching sequence, between driving the first diagonal branch and driving the second diagonal branch of the primary-side full bridge, a primary side of the transformer is short-circuited by means of the upper switching elements of the primary-side full bridge. In the second switching sequence, the primary side of the transformer is short-circuited between the activation of the first diagonal branch and the activation of the second diagonal branch of the primary-side full bridge by means of the lower switching elements of the primary-side full bridge. In addition, the primary side of the transformer can also be short-circuited by means of the upper switching elements or the lower switching elements between the activation of the second diagonal branch and the activation of the first diagonal branch. It is also provided:
Ein Gleichspannungswandler, insbesondere ein Phase-Shifted-Full-Bridge- Gleichspannungswandler, mit einer primärseitigen Vollbrücke und einem Transformator. Der Transformator kann zwischen der primärseitigen Vollbrücke und einer Sekundärseite des Gleichspannungswandlers angeordnet sein. Die primärseitige Vollbrücke kann zwischen einem primärseitigen Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers und einer Primärseite des Transformators angeordnet sein. Darüber hinaus umfasst der Gleichspannungswandler eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, die Schaltelemente der primärseitigen Vollbrücke gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anzusteuern. A DC voltage converter, in particular a phase-shifted full bridge DC voltage converter, with a primary-side full bridge and a transformer. The transformer can be arranged between the primary-side full bridge and a secondary side of the DC voltage converter. The primary-side full bridge can be arranged between a primary-side DC voltage connection of the DC voltage converter and a primary side of the transformer. In addition, the DC voltage converter comprises a control device. The control device can be designed to control the switching elements of the primary-side full bridge according to the method according to the invention.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer konventionellen Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers, wie zum Beispiel einem Phase-Shifted-Full-Bridge-Gleichspannungswandler, die Schaltelemente in der primärseitigen Vollbrücke gemäß einer fest vorgegebenen Schaltfolge angesteuert werden. Hierbei müssen in der Regel die Schaltelemente einer Halbbrücke der Vollbrücke hart geschaltet werden, das heißt es liegt während dem Einschaltvorgang ein signifikanter Spannungsabfall über dem Schaltelement an. Die Schaltelemente der anderen Halbbrücke können dagegen gegebenenfalls weich geschaltet werden, das heißt es liegt kein signifikanter Spannungsabfall über dem Schaltelement während dem Einschaltvorgang an.The present invention is based on the knowledge that with a conventional control of a DC voltage converter, such as a phase-shifted full bridge DC voltage converter, the switching elements in the primary-side full bridge are controlled according to a fixed, predetermined switching sequence. As a rule, the switching elements of a half bridge of the full bridge have to be switched hard, that is, there is a significant voltage drop across the switching element during the switch-on process. The switching elements of the other half bridge, on the other hand, can optionally be switched softly, that is, there is no significant voltage drop across the switching element during the switch-on process.
Da es bei einem harten Schaltvorgang in der Regel zu höheren Verlusten kommt, werden die Schaltelemente, welche hart geschaltet werden müssen, stärker belastet und somit erwärmen sich diese Schaltelemente stärker als die Schaltelemente, welche lediglich weich geschaltet werden. Dies führt einerseits zu einer ungleichmäßigen Beanspruchung der beteiligten Schaltelemente. Darüber hinaus wird die maximale Leistungsgrenze des Gleichspannungswandlers durch die am stärksten beanspruchten Bauteile begrenzt. Infolgedessen kann es in dem oben beschriebenen Verfahren zu einer Leistungsbegrenzung auf Grundlage der Verluste an den hart schaltenden Schaltelementen kommen. Since a hard switching process usually results in higher losses, the switching elements that have to be switched hard are more heavily loaded and thus these switching elements heat up more than the switching elements that are only switched softly. On the one hand, this leads to uneven loading of the switching elements involved. In addition, the maximum power limit of the DC / DC converter is limited by the most heavily stressed components. As a result, in the method described above, there may be a Power limitation come on the basis of the losses at the hard-switching switching elements.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Gleichspannungswandler sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers vorzusehen, welche eine gleichmäßigere Beanspruchung der Bauteile, insbesondere der Schaltelemente in der primärseitigen Vollbrücke ermöglichen kann. Hierzu ist es vorgesehen, die Schaltfolge für das Ansteuern der Schaltelemente in der primärseitigen Vollbrücke zu modifizieren. Insbesondere ist es durch die modifizierte Schaltfolge möglich, dass nicht stets dieselben Schaltelemente hart schaltend bzw. weich schaltend betrieben werden. Durch einen Wechsel zwischen harten Schaltvorgängen und weichen Schaltvorgängen für die einzelnen Schaltelemente kann auf diese Weise die Beanspruchung und die dabei entstehende Verlustleistung gleichmäßig über alle beteiligten Schaltelemente verteilt werden. Auf diese Weise entsteht eine gleichmäßigere Beanspruchung und Erwärmung aller Schaltelemente in der primärseitigen Vollbrücke des Gleichspannungswandlers. It is therefore an idea of the present invention to take this knowledge into account and to provide a DC voltage converter and a method for operating a DC voltage converter, which can enable more uniform loading of the components, in particular the switching elements in the primary-side full bridge. For this purpose, it is provided that the switching sequence for controlling the switching elements in the primary-side full bridge is modified. In particular, the modified switching sequence makes it possible that the same switching elements are not always operated with hard switching or soft switching. By changing between hard switching operations and soft switching operations for the individual switching elements, the stress and the resulting power loss can be distributed evenly over all switching elements involved. This results in a more even load and heating of all switching elements in the primary-side full bridge of the DC / DC converter.
Durch die gleichmäßige Verteilung der Verlustleistung auf die einzelnen Schaltelemente ist es möglich, gegebenenfalls auch Schaltelemente mit höheren Einschaltverlusten einzusetzen. Ferner ist auch die Auslegung der Kühlung weniger kritisch. Because the power loss is evenly distributed over the individual switching elements, it is also possible, if necessary, to use switching elements with higher switch-on losses. Furthermore, the design of the cooling is less critical.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt in der ersten Schaltfolge zwischen dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs in der primärseitigen Vollbrücke ein elektrisches Verbinden der Anschlusselemente der Primärseite des Transformators mittels der unteren Schaltelemente der primärseitigen Vollbrücke. Analog erfolgt in der zweiten Schaltfolge zwischen dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs in der primärseitigen Vollbrücke ein elektrisches Verbinden der Anschlusselemente auf der Primärseite des Transformators mittels der oberen Schaltelemente der primärseitigen Vollbrücke. Auf diese Weise erfolgt zwischen jedem Ansteuern eines Diagonalzweigs in der primärseitigen Vollbrücke jeweils ein elektrisches Verbinden der Anschlusselemente der Primärseite des Transformators. Mit anderen Worten, zwischen zwei Ansteuervorgängen von Diagonalzweigen in der primärseitigen Vollbrücke erfolgt jeweils ein primärseitiger Kurzschluss des Transformators über die oberen oder die unteren Schaltelemente der primärseitigen Vollbrücke. According to one embodiment, in the first switching sequence between driving the second diagonal branch and driving the first diagonal branch in the primary-side full bridge, electrical connection of the connection elements on the primary side of the transformer takes place by means of the lower switching elements of the primary-side full bridge. Similarly, in the second switching sequence between driving the second diagonal branch and driving the first diagonal branch in the primary-side full bridge, the connection elements on the primary side of the transformer are electrically connected by means of the upper switching elements of the primary-side full bridge. This takes place between each activation of a diagonal branch in the full bridge on the primary side each electrically connect the connection elements on the primary side of the transformer. In other words, between two control processes of diagonal branches in the primary-side full bridge, a primary-side short circuit of the transformer takes place via the upper or the lower switching elements of the primary-side full bridge.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt der Wechsel zwischen der ersten Schaltfolge und der zweiten Schaltfolge nach einer vorbestimmten Anzahl von Schaltzyklen. Als Schaltzyklus kann beispielsweise jeweils das Ansteuern eines Diagonalzweiges betrachtet werden. Alternativ kann als Schaltzyklus auch jeweils das Ansteuern zunächst eines ersten Diagonalzweigs und daraufhin des zweiten Diagonalzweigs betrachtet werden. Alternativ kann der Wechsel zwischen der Schaltfolge und der zweiten Schaltfolge auch nach vorbestimmten Zeitintervallen oder beliebigen anderen Kriterien erfolgen. Beispielsweise kann auch eine Temperatur an einem oder mehreren Schaltelementen der ersten Vollbrücke überwacht werden und beim Erreichen einer vorbestimmten Grenztemperatur ein Wechsel zwischen der ersten und der zweiten Schaltfolge erfolgen. Selbstverständlich kann auch der Wechsel von der zweiten Schaltfolge zurück zur ersten Schaltfolge gemäß den gleichen oder korrespondierenden Kriterien erfolgen. According to one embodiment, the change between the first switching sequence and the second switching sequence takes place after a predetermined number of switching cycles. The actuation of a diagonal branch, for example, can be viewed as a switching cycle. Alternatively, the actuation of a first diagonal branch first and then the second diagonal branch can also be considered as a switching cycle. Alternatively, the change between the switching sequence and the second switching sequence can also take place after predetermined time intervals or any other criteria. For example, a temperature at one or more switching elements of the first full bridge can also be monitored and a change between the first and the second switching sequence can take place when a predetermined limit temperature is reached. Of course, the change from the second switching sequence back to the first switching sequence can also take place according to the same or corresponding criteria.
Gemäß einer Ausführungsform wird in dem Verfahren zum Ansteuern des Gleichspannungswandlers der Gleichspannungswandler in einem lückenden Betriebsmodus (Englisch: Discontinuous Conduction Mode, DCM) angesteuert werden. In diesem Betriebsmodus wird während einer vorbestimmten Zeitdauer über einen Diagonalzweig des primärseitigen Gleichspannungswandlers elektrische Energie in den Transformator eingespeist, so dass sich in dem Transformator ein ansteigender elektrischer Strom einstellt. Daraufhin wird die Primärseite des Transformators kurzgeschlossen und der elektrische Strom in dem Transformator sinkt bis auf 0 Ampere ab. Im weiteren Verlauf wird dieser Vorgang durch Ansteuern des komplementären Diagonalzweigs in der primärseitigen Vollbrücke mit umgekehrtem Vorzeichen wiederholt. Die primärseitige Vollbrücke kann eine erste Halbbrücke und eine zweite Halbbrücke umfassen. Hierbei kann die erste Halbbrücke ein erstes oberes Schaltelement und ein erstes unteres Schaltelement umfassen. Analog kann die zweite Halbbrücke ein zweites oberes Schaltelement und ein zweites unteres Schaltelement umfassen. Das erste obere Schaltelement kann zwischen einem ersten Anschlusselement des primärseitigen Gleichspannungsanschluss und einem ersten Knotenpunkt angeordnet sein. Das erste untere Schaltelement kann zwischen dem ersten Knotenpunkt und einem zweiten Anschluss des primärseitigen Gleichspannungsanschluss angeordnet sein. Analog kann das zweite obere Schaltelement zwischen dem ersten Anschlusselement des primärseitigen Gleichspannungsanschluss und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet sein. Das zweite untere Schaltelement kann zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem zweiten Anschlusselement des primärseitigen Gleichspannungsanschluss angeordnet sein. Weiterhin kann der erste Knotenpunkt mit einem ersten Anschlusselement der Primärseite des Transformators verbunden sein und der zweite Knotenpunkt kann mit einem zweiten Anschlusselement der Primärseite des Transformators verbunden sein. Auf diese Weise bilden das erste obere Schaltelement sowie das zweite untere Schaltelement einen ersten Diagonalzweig. Analog bilden das zweite obere Schaltelement sowie das erste untere Schaltelement einen zweiten Diagonalzweig, der komplementär zu dem ersten Diagonalzweig ist. According to one embodiment, in the method for controlling the DC voltage converter, the DC voltage converter is controlled in a discontinuous operating mode (DCM). In this operating mode, electrical energy is fed into the transformer for a predetermined period of time via a diagonal branch of the primary-side DC voltage converter, so that an increasing electrical current is established in the transformer. The primary side of the transformer is then short-circuited and the electrical current in the transformer drops to 0 amperes. This process is then repeated by controlling the complementary diagonal branch in the primary-side full bridge with the opposite sign. The primary-side full bridge can comprise a first half bridge and a second half bridge. Here, the first half bridge can comprise a first upper switching element and a first lower switching element. Analogously, the second half bridge can comprise a second upper switching element and a second lower switching element. The first upper switching element can be arranged between a first connection element of the primary-side direct voltage connection and a first node. The first lower switching element can be arranged between the first node and a second connection of the primary-side direct voltage connection. Analogously, the second upper switching element can be arranged between the first connection element of the primary-side direct voltage connection and a second node. The second lower switching element can be arranged between the second node and the second connection element of the primary-side direct voltage connection. Furthermore, the first node can be connected to a first connection element on the primary side of the transformer and the second node can be connected to a second connection element on the primary side of the transformer. In this way, the first upper switching element and the second lower switching element form a first diagonal branch. Similarly, the second upper switching element and the first lower switching element form a second diagonal branch which is complementary to the first diagonal branch.
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. The above configurations and developments can be combined with one another as required, as far as this makes sense. Further refinements, developments and implementations of the invention also include combinations, which are not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen: Figur 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds, wie es einemFurther features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures. Show: Figure 1: a schematic representation of a basic circuit diagram, as it is a
Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt; DC-DC converter according to one embodiment is based;
Figur 2-5: zeigen jeweils Prinzipschaltbilder verschiedener Schaltzustände während des Ansteuerns eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform; und FIG. 2-5: each show basic circuit diagrams of different switching states during the activation of a DC voltage converter according to an embodiment; and
Figur 6: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einemFIG. 6: a schematic representation of a flow chart as it is a
Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. This is based on a method for controlling a DC voltage converter according to one embodiment.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds, wie es einem Gleichspannungswandler 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei dem Gleichspannungswandler 1 kann es sich beispielsweise um einen Phase-Shifted-Full-Bridge-Gleichspannungswandler handeln. Der Gleichspannungswandler umfasst eine primärseitige Vollbrücke 10 sowie eine sekundärseitige Vollbrücke 20. Zwischen der primärseitigen Vollbrücke 10 und der sekundärseitigen Vollbrücke 20 ist ein Transformator 30 angeordnet. Grundsätzlich ist es auch möglich, anstelle der sekundärseitigen Vollbrücke 20 einen passiven Gleichrichter, beispielsweise mittels vier Dioden vorzusehen. Die Schaltelemente Ml bis M4 der primärseitigen Vollbrücke 10 sowie gegebenenfalls die Schaltelemente M5 bis M8 der sekundärseitigen Vollbrücke 20 können beispielsweise mittels der Steuereinrichtung 50 angesteuert werden. FIG. 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram on the basis of a DC voltage converter 1 according to an embodiment. The DC voltage converter 1 can be, for example, a phase-shifted full bridge DC voltage converter. The DC / DC converter comprises a primary-side full bridge 10 and a secondary-side full bridge 20. A transformer 30 is arranged between the primary-side full bridge 10 and the secondary-side full bridge 20. In principle, it is also possible to provide a passive rectifier, for example by means of four diodes, instead of the full bridge 20 on the secondary side. The switching elements M1 to M4 of the full bridge 10 on the primary side and, if applicable, the switching elements M5 to M8 of the full bridge 20 on the secondary side can be activated, for example, by means of the control device 50.
Die Vollbrücke 10 umfasst zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen.The full bridge 10 comprises two half bridges, each with two switching elements.
In einer ersten Halbbrücke kann ein erstes Schaltelement Ml zwischen einem ersten Eingangsanschluss auf der Primärseite des Gleichspannungswandlers und einem ersten Knotenpunkt 11 angeordnet sein. Ein zweites Schaltelement M2 kann zwischen dem ersten Knotenpunkt 11 und einem zweiten Eingangsanschluss auf der Primärseite des Gleichspannungswandlers 1 angeordnet sein. Analog kann in der zweiten Halbbrücke ein drittes Schaltelement M3 zwischen dem ersten Anschlusselement auf der Primärseite des Gleichspannungswandlers 1 und einem zweiten Knotenpunkt 12 vorgesehen sein. Ein viertes Schaltelement M4 kann zwischen dem zweiten Knotenpunkt 12 und dem zweiten Eingangsanschluss auf der Primärseite des Gleichspannungswandlers angeordnet sein. Der erste Knotenpunkt 11 kann mit einem ersten Anschluss der Primärseite des Transformators 30 verbunden sein. Analog kann der zweite Knotenpunkt 12 mit einem zweiten Anschluss auf der Primärseite des Transformators 30 verbunden sein. Sofern der Gleichspannungswandler 1 auch sekundärseitig eine Vollbrücke 20 aufweist, kann diese analog zu der primärseitigen Vollbrücke 10 zwischen der Sekundärseite des Transformators 30 und dem sekundärseitigen Anschluss des Gleichspannungswandlers 1 aufgebaut sein. Zwischen den beiden Anschlusselementen des primärseitigen Anschlusses und/oder zwischen den beiden Anschlusselementen des sekundärseitigen Anschlusses des Gleichspannungswandlers 1 kann jeweils ein Kondensator vorgesehen sein. Darüber hinaus kann zwischen der sekundärseitigen Vollbrücke 20 und einem Anschlusselement auf der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers 1 eine Serieninduktivität L vorgesehen sein. In a first half bridge, a first switching element Ml can be arranged between a first input connection on the primary side of the DC / DC converter and a first node 11. A second switching element M2 can be between the first node 11 and a second input connection on the primary side of the DC / DC converter 1 be arranged. Similarly, a third switching element M3 can be provided in the second half bridge between the first connection element on the primary side of the DC voltage converter 1 and a second node 12. A fourth switching element M4 can be arranged between the second node 12 and the second input connection on the primary side of the DC / DC converter. The first node 11 can be connected to a first connection on the primary side of the transformer 30. Similarly, the second node 12 can be connected to a second connection on the primary side of the transformer 30. If the DC voltage converter 1 also has a full bridge 20 on the secondary side, this can be constructed analogously to the primary side full bridge 10 between the secondary side of the transformer 30 and the secondary side connection of the DC voltage converter 1. A capacitor can be provided in each case between the two connection elements of the connection on the primary side and / or between the two connection elements of the connection on the secondary side of the DC voltage converter 1. In addition, a series inductance L can be provided between the secondary-side full bridge 20 and a connection element on the secondary side of the DC-DC converter 1.
Das erste Schaltelement Ml der ersten Halbbrücke bildet somit ein erstes oberes Schaltelement. Das zweite Schaltelement M2 der ersten Halbbrücke bildet somit ein erstes unteres Schaltelement. Das dritte Schaltelement M3 der zweiten Halbbrücke bildet ein zweites oberes Schaltelement, und das vierte Schaltelement M4 der zweiten Halbbrücke bildet ein zweites unteres Schaltelement. Somit bilden das erste obere Schaltelement Ml und das zweite untere Schaltelement M4 einen ersten Diagonalzweig. Analog bilden das zweite obere Schaltelement M3 und das erste untere Schaltelement M2 einen zweiten Diagonalzweig, der komplementär zu dem ersten Diagonalzweig ist. The first switching element Ml of the first half bridge thus forms a first upper switching element. The second switching element M2 of the first half bridge thus forms a first lower switching element. The third switching element M3 of the second half bridge forms a second upper switching element, and the fourth switching element M4 of the second half bridge forms a second lower switching element. The first upper switching element Ml and the second lower switching element M4 thus form a first diagonal branch. Similarly, the second upper switching element M3 and the first lower switching element M2 form a second diagonal branch which is complementary to the first diagonal branch.
In den nachfolgenden Figuren 2 bis 5 werden unterschiedliche Schaltzustände beschrieben, wie sie mittels der primärseitigen Vollbrücke 10 eingestellt werden können. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der primärseitigen Vollbrücke 10, bei der die Schaltelemente Ml und M4 eines ersten Diagonalzweigs angesteuert sind. Entsprechend kann ein elektrischer Strom von dem ersten Anschlusselement des primärseitigen Anschlusses über das erste Schaltelemente Ml und die Primärseite des Transformators 30, sowie das zweite untere Schaltelement M4 zum zweiten Anschlusselement des primärseitigen Anschlusses des Gleichspannungswandlers 1 fließen. Hierdurch wird sich ein ansteigender elektrischer Strom in dem Transformator 30 einstellen. In the following FIGS. 2 to 5, different switching states are described how they can be set by means of the full bridge 10 on the primary side. Figure 2 shows a schematic representation of the primary-side full bridge 10, in which the switching elements Ml and M4 of a first diagonal branch are activated. Correspondingly, an electric current can flow from the first connection element of the primary-side connection via the first switching element Ml and the primary side of the transformer 30 and the second lower switching element M4 to the second connection element of the primary-side connection of the DC-DC converter 1. This will result in an increasing electrical current in the transformer 30.
Figur 3 zeigt einen Schaltzustand der primärseitigen Vollbrücke 10, bei welcher die beiden oberen Schaltelemente Ml und M3 geschlossen sind, und die beiden unteren Schaltelemente M2 und M4 geöffnet sind. In diesem Schaltzustand sind die beiden Anschlusselemente der Primärseite des Transformators 30 über die beiden oberen Schaltelemente Ml und M3 elektrisch miteinander verbunden und somit die Primärseite des Transformators 30 kurzgeschlossen. In diesem Schaltzustand kann ein sich in dem Transformator 30 eingestellter elektrischer Strom kontinuierlich bis auf 0 Ampere abklingen. FIG. 3 shows a switching state of the full bridge 10 on the primary side, in which the two upper switching elements M1 and M3 are closed and the two lower switching elements M2 and M4 are open. In this switching state, the two connection elements on the primary side of the transformer 30 are electrically connected to one another via the two upper switching elements Ml and M3 and thus the primary side of the transformer 30 is short-circuited. In this switching state, an electrical current set in the transformer 30 can continuously decay down to 0 amperes.
Figur 4 zeigt den Schaltzustand der primärseitigen Vollbrücke 10, bei welchem der zweite Diagonalzweig aus dem ersten unteren Schaltelement M2 und dem zweiten oberen Schaltelement M3 geschlossen ist. Entsprechend ist in diesem Schaltzustand der zweite Diagonalzweig, der komplementär zu dem Diagonalzweig gemäß Figur 2 ist, angesteuert. Somit kann sich in dem Transformator 30 ein elektrischer Strom aufbauen, dessen Flussrichtung entgegengesetzt zu der Flussrichtung des elektrischen Stroms gemäß Figur 2 ist. FIG. 4 shows the switching state of the full bridge 10 on the primary side, in which the second diagonal branch comprising the first lower switching element M2 and the second upper switching element M3 is closed. In this switching state, the second diagonal branch, which is complementary to the diagonal branch according to FIG. 2, is activated accordingly. Thus, an electrical current can build up in the transformer 30, the direction of flow of which is opposite to the direction of flow of the electrical current according to FIG.
In Figur 5 schließlich ist ein Schaltzustand dargestellt, bei dem die beiden unteren Schaltelemente M2 und M4 geschlossen sind, und die beiden oberen Schaltelemente Ml und M3 geöffnet sind. Entsprechend ist die Primärseite des Transformators 30 über die beiden unteren Schaltelemente M2 und M4 kurzgeschlossen. Somit kann ein elektrischer Strom über die beiden unteren Schaltelemente M2 und M4 fließen, bis der elektrische Strom in dem Transformator 30 zu 0 Ampere abgeklungen ist. Für die nachfolgende Erläuterung wird der Schaltzustand gemäß Figur 2 als Schaltzustand 1 bezeichnet, der Schaltzustand gemäß Figur 3 als Schaltzustand 2, der Schaltzustand gemäß Figur 4 als Schaltzustand 3 und der Schaltzustand gemäß Figur 5 als Schaltzustand 4. Finally, FIG. 5 shows a switching state in which the two lower switching elements M2 and M4 are closed and the two upper switching elements M1 and M3 are open. The primary side of the transformer 30 is correspondingly short-circuited via the two lower switching elements M2 and M4. An electrical current can thus flow via the two lower switching elements M2 and M4 until the electrical current in the transformer 30 has decayed to 0 amperes. For the following explanation, the switching state according to FIG. 2 is referred to as switching state 1, the switching state according to FIG. 3 as switching state 2, the switching state according to FIG. 4 as switching state 3 and the switching state according to FIG. 5 as switching state 4.
Für eine Übertragung elektrischer Energie von der Primärseite zur Sekundärseite des Gleichspannungswandlers 1 kann beispielsweise durch eine Abfolge der Schaltzustände 1-2-3-4-1-2-3-4... periodisch ein elektrischer Strom mit abwechselnd positiver und negativer Flussrichtung in den Transformator 30 eingeprägt werden. Dabei liegt beim Einschalten des ersten oberen Schaltelements Ml für den Schaltzustand 1 sowie beim Schließen des ersten unteren Schaltelements M2 für den dritten Schaltzustand 3 jeweils die volle primärseitige Eingangsspannung U_prim über dem jeweiligen Schaltelement Ml, M2 an. Somit müssen die Schaltelemente Ml, M2 der ersten Halbbrücke hart geschaltet werden. Dagegen liegt beim Schließen der Schaltelemente M3 und M4 der zweiten Halbbrücke jeweils eine deutlich geringere elektrische Spannung über den Schaltelementen M3, M4 an, so dass diese Schaltelemente jeweils weich geschaltet werden können. Würde der Gleichspannungswandler 1 daher konstant stets mit der oben beschriebenen Schaltfolge 1-2-3-4 angesteuert werden, so wären die Verluste an den Schaltelementen Ml, M2 der ersten Halbbrücke höher als die Verluste über den beiden Schaltelementen M3, M4 der zweiten Halbbrücke. For a transmission of electrical energy from the primary side to the secondary side of the DC / DC converter 1, for example, by means of a sequence of the switching states 1-2-3-4-1-2-3-4 ... periodically, an electrical current with alternating positive and negative flow direction in the Transformer 30 are impressed. When the first upper switching element Ml is switched on for switching state 1 and when the first lower switching element M2 is closed for the third switching state 3, the full primary-side input voltage U_prim is applied across the respective switching element Ml, M2. Thus, the switching elements Ml, M2 of the first half bridge must be switched hard. In contrast, when the switching elements M3 and M4 of the second half bridge are closed, a significantly lower electrical voltage is present across the switching elements M3, M4, so that these switching elements can each be switched softly. If the DC / DC converter 1 were therefore constantly driven with the switching sequence 1-2-3-4 described above, the losses at the switching elements Ml, M2 of the first half-bridge would be higher than the losses across the two switching elements M3, M4 of the second half-bridge.
Wird der Gleichspannungswandler 1 dagegen mit einer alternativen Schaltfolge 1-4-3-2-1-4-3-2... angesteuert, so werden in dieser Schaltfolge die Schaltelemente M3 und M4 der zweiten Halbbrücke hart geschaltet, während die Schaltelemente Ml, M2 der ersten Halbbrücke weich geschaltet werden. In diesem Fall entsteht an den Schaltelementen M3 und M4 der zweiten Halbbrücke eine höhere Verlustleistungen als an den Schaltelementen Ml und M2 der ersten Halbbrücke. If, on the other hand, the DC / DC converter 1 is controlled with an alternative switching sequence 1-4-3-2-1-4-3-2 ..., the switching elements M3 and M4 of the second half-bridge are switched hard in this switching sequence, while the switching elements Ml, M2 of the first half bridge can be switched soft. In this case, a higher power loss occurs at the switching elements M3 and M4 of the second half bridge than at the switching elements Ml and M2 of the first half bridge.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Verluste in der ersten Vollbrücke 10 zu erzielen, kann daher zwischen den beiden oben beschriebenen Schaltfolgen gewechselt werden. Beispielsweise kann regelmäßig nach einer vorbestimmten Anzahl von Schaltvorgängen zwischen der ersten Schaltfolge (1- 2-3-4) und der zweiten Schaltfolge (1-4-3-2) gewechselt werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Vorgaben für einen regelmäßigen Wechsel zwischen den beiden Schaltfolgen möglich. So kann beispielsweise jeweils nach vorbestimmten Zeitintervallen zwischen den beiden Schaltfolgen gewechselt werden. Alternativ kann beispielsweise auch die Temperatur an den Schaltelementen überwacht werden. Hierzu können beispielsweise Temperatursensoren oder Temperaturmodelle zur Berechnung der Temperaturen herangezogen werden. Überschreiten die Temperaturen der Schaltelemente an einer Halbbrücke einen vorgegebenen Schwellwert, so kann daraufhin beispielsweise zu der alternativen Schaltfolge gewechselt werden, um die entsprechenden Schaltelemente zu entlasten. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Schemata für den Wechsel zwischen den Schaltfolgen möglich. In order to achieve the most uniform possible distribution of the losses in the first full bridge 10, it is therefore possible to switch between the two switching sequences described above. For example, regularly after a predetermined number of switching operations between the first switching sequence (1- 2-3-4) and the second switching sequence (1-4-3-2) can be changed. Of course, any other specifications for a regular change between the two switching sequences are also possible. For example, it is possible to switch between the two switching sequences after predetermined time intervals. Alternatively, for example, the temperature at the switching elements can also be monitored. For this purpose, for example, temperature sensors or temperature models can be used to calculate the temperatures. If the temperatures of the switching elements on a half-bridge exceed a predetermined threshold value, it is then possible, for example, to switch to the alternative switching sequence in order to relieve the corresponding switching elements. Of course, any other schemes for changing between the switching sequences are also possible.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Für dieses Verfahren gelten alle zuvor im Zusammenhang mit dem Gleichspannungswandler 1 gemachte Ausführungen. Darüber hinaus kann der zuvor beschriebene Gleichspannungswandler 1 auch entsprechend ausgelegt sein, um alle ihm nachfolgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Schritte auszuführen. FIG. 6 shows a schematic representation of a flowchart on the basis of a method for controlling a DC voltage converter according to an embodiment. All statements made above in connection with the DC voltage converter 1 apply to this method. In addition, the DC voltage converter 1 described above can also be designed accordingly in order to carry out all of the steps described below in connection with the method.
Der Gleichspannungswandler kann in einem ersten Schritt S1 mit einer ersten Schaltfolge angesteuert werden. Bei dieser ersten Schaltfolge werden abwechselnd der erste Diagonalzweig und der zweite Diagonalzweig angesteuert. Dazwischen erfolgt jeweils ein elektrisches Verbinden der beiden Anschlüsse der Primärseite des Transformators entweder über die oberen Schaltelemente Ml, M3 oder die unteren Schaltelemente M2, M4. In der ersten Schaltfolge kann, wie beispielsweise zuvor durch die Schaltfolge 1-2-3-4 beschrieben, zunächst ein erster Diagonalzweig, beispielsweise aus dem ersten oberen Schaltelement Ml und dem zweiten unteren Schaltelement M2 angesteuert werden. Daraufhin können im Schaltzustand 2 die beiden oberen Schaltelemente Ml und M3 angesteuert werden. Im Weiteren kann der zweite Diagonalzweig aus dem zweiten oberen Schaltelement M3 und dem ersten unteren Schaltelement M2 angesteuert werden. Schließlich werden die beiden unteren Schaltelemente M2 und M4 angesteuert. Daraufhin kann erneut gemäß dem ersten Schaltzustand 1 der erste Diagonalzweig angesteuert werden. The DC / DC converter can be activated in a first step S1 with a first switching sequence. In this first switching sequence, the first diagonal branch and the second diagonal branch are activated alternately. In between there is an electrical connection of the two connections of the primary side of the transformer either via the upper switching elements Ml, M3 or the lower switching elements M2, M4. In the first switching sequence, as previously described by the switching sequence 1-2-3-4, for example, a first diagonal branch, for example from the first upper switching element Ml and the second lower switching element M2, can be actuated. The two upper switching elements M1 and M3 can then be activated in switching state 2. Furthermore, the second diagonal branch can consist of the second upper switching element M3 and the first lower switching element M2 are controlled. Finally, the two lower switching elements M2 and M4 are activated. The first diagonal branch can then be activated again in accordance with the first switching state 1.
In einer zweiten Schaltfolge S2 erfolgt der Wechsel zwischen dem ersten Diagonalzweig und dem zweiten Diagonalzweig durch das Ansteuern der beiden unteren Schaltelemente M2 und M4. Entsprechend erfolgt der Wechsel zwischen dem zweiten Diagonalzweig zu dem ersten Diagonalzweig durch Ansteuern der beiden oberen Schaltelemente Ml und M3. In a second switching sequence S2, the change between the first diagonal branch and the second diagonal branch takes place by activating the two lower switching elements M2 and M4. Correspondingly, the change between the second diagonal branch and the first diagonal branch takes place by activating the two upper switching elements M1 and M3.
Zwischen der ersten Schaltfolge in Schritt S1 und der zweiten Schaltfolge in Schritt S2 kann dabei regelmäßig, beispielsweise periodisch, gewechselt werden. Wie zuvor bereits beschrieben, sind hierzu beliebige Schemata, beispielsweise ein Wechsel auf einer vorbestimmten Anzahl von Schaltvorgängen, nach einer vorbestimmten Zeitspanne oder ähnlichem möglich. It is possible to switch regularly, for example periodically, between the first switching sequence in step S1 and the second switching sequence in step S2. As already described above, any schemes, for example a change to a predetermined number of switching operations, after a predetermined period of time or the like, are possible for this purpose.
Insbesondere kann der Gleichspannungswandler in einem lückenden Betrieb (DCM) betrieben werden. In particular, the DC voltage converter can be operated in intermittent operation (DCM).
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers, wie zum Beispiel eines Phase-Shifted-Full-Bridge- Gleichspannungswandlers, wobei zwischen zwei vorgegebenen Schaltfolgen gewechselt werden kann. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Beanspruchung der Schaltelemente einer primärseitigen Vollbrücke des Gleichspannungswandlers erreicht werden. So können beispielsweise bei der ersten Schaltfolge die Schaltelemente einer ersten Halbbrücke der primärseitigen Vollbrücke hart geschaltet werden, während bei der zweiten Schaltfolge die Schaltelemente einer zweiten Halbbrücke der primärseitigen Vollbrücke hart geschaltet werden. In summary, the present invention relates to the control of a DC voltage converter, such as, for example, a phase-shifted full bridge DC voltage converter, it being possible to switch between two predetermined switching sequences. In this way, uniform loading of the switching elements of a primary-side full bridge of the DC / DC converter can be achieved. For example, in the first switching sequence, the switching elements of a first half-bridge of the primary-side full bridge can be switched hard, while in the second switching sequence the switching elements of a second half-bridge of the primary-side full bridge are switched hard.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Ansteuern eines Gleichspannungswandlers (1) mit einer primärseitigen Vollbrücke (10) und einem Transformator (30), der zwischen der primärseitigen Vollbrücke (10) und einer Sekundärseite des Gleichspannungswandlers (1) angeordnet ist, wobei abwechselnd ein erster Diagonalzweig und ein zweiter Diagonalzweig ansteuert werden, und der erste Diagonalzweig komplementär zu dem zweiten Diagonalzweig ist; wobei in einer ersten Schaltfolge (Sl) zwischen dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs die Anschlusselemente einer Primärseite des Transformators (30) mittels der oberen Schaltelemente (Ml, M3) der primärseitigen Vollbrücke (10) elektrisch miteinander verbunden werden, und in einer zweiten Schaltfolge (S2) zwischen dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs die Anschlusselemente der Primärseite des Transformators (30) mittels der unteren Schaltelemente (M2, M4) der primärseitigen Vollbrücke (10) elektrisch miteinander verbunden werden, und wobei die primärseitige Vollbrücke (10) abwechselnd gemäß der ersten Schaltfolge (Sl) und der zweiten Schaltfolge (S2) angesteuert wird. 1. A method for controlling a DC-DC converter (1) with a primary-side full bridge (10) and a transformer (30) which is arranged between the primary-side full bridge (10) and a secondary side of the DC-DC converter (1), with a first diagonal branch and a second diagonal branch are controlled, and the first diagonal branch is complementary to the second diagonal branch; wherein in a first switching sequence (Sl) between the control of the first diagonal branch and the control of the second diagonal branch, the connection elements of a primary side of the transformer (30) are electrically connected to one another by means of the upper switching elements (Ml, M3) of the primary-side full bridge (10), and in a second switching sequence (S2) between driving the first diagonal branch and driving the second diagonal branch, the connection elements of the primary side of the transformer (30) are electrically connected to one another by means of the lower switching elements (M2, M4) of the primary-side full bridge (10), and wherein the primary-side full bridge (10) is activated alternately according to the first switching sequence (S1) and the second switching sequence (S2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der ersten Schaltfolge (Sl) zwischen dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs die Anschlusselemente der Primärseite des Transformators (30) mittels der unteren Schaltelemente (M2, M4) der primärseitigen Vollbrücke (10) elektrisch miteinander verbunden werden, und in der zweiten Schaltfolge (S2) zwischen dem Ansteuern des zweiten Diagonalzweigs und dem Ansteuern des ersten Diagonalzweigs die Anschlusselemente der Primärseite des Transformators (30) mittels der oberen Schaltelemente (Ml, M3) der primärseitigen Vollbrücke (10) elektrisch miteinander verbunden werden. 2. The method according to claim 1, wherein in the first switching sequence (Sl) between the control of the second diagonal branch and the control of the first diagonal branch, the connection elements of the primary side of the transformer (30) by means of the lower switching elements (M2, M4) of the primary-side full bridge (10 ) are electrically connected to one another, and in the second switching sequence (S2) between the control of the second diagonal branch and the control of the first diagonal branch, the connection elements of the primary side of the transformer (30) by means of the upper switching elements (Ml, M3) of the primary-side full bridge (10) are electrically connected to one another.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wechsel zwischen der ersten Schaltfolge (Sl) und der zweiten Schaltfolgen (S2) nach einer vorbestimmten Anzahl von Schaltzyklen erfolgt. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the change between the first switching sequence (S1) and the second switching sequence (S2) takes place after a predetermined number of switching cycles.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gleichspannungswandler (1) in einem lückenden Betriebsmodus angesteuert wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the DC voltage converter (1) is controlled in an intermittent operating mode.
5. Gleichspannungswandler (1), mit: einer primärseiteigen Vollbrücke (10), und einem Transformator (30), der zwischen der primärseitigen Vollbrücke (10) und einer Sekundärseite des Gleichspannungswandlers (1) angeordnet ist, wobei die primärseitige Vollbrücke (10) zwischen einem primärseitigen Gleichspannungsanschluss und einer Primärseite des Transformators (30) angeordnet ist, und wobei der Gleichspannungswandler (1) eine Steuereinrichtung (50) umfasst, die dazu ausgelegt ist, die Schaltelemente (Ml - M4) der primärseitigen Vollbrücke (10) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 anzusteuern. 5. DC voltage converter (1), with: a primary-side full bridge (10), and a transformer (30) which is arranged between the primary-side full bridge (10) and a secondary side of the DC voltage converter (1), the primary-side full bridge (10) between a primary-side DC voltage connection and a primary side of the transformer (30) is arranged, and wherein the DC-DC converter (1) comprises a control device (50) which is designed to switch the switching elements (Ml-M4) of the primary-side full bridge (10) according to the method according to to control one of claims 1 to 4.
6. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 5, wobei die primärseitige Vollbrücke (10) eine erste Halbbrücke und einen zweite Halbbrücke umfasst, wobei die erste Halbbrücke ein erstes oberes Schaltelement (Ml) und ein erstes unteres Schaltelement (M2) umfasst, und die zweite Halbbrücke ein zweites oberes Schaltelement (M3) und ein zweites unteres Schaltelement (M4) umfasst, wobei das erste obere Schaltelement (Ml) zwischen einem ersten Anschlusselement des primärseitigen Gleichspannungsanschluss und einem ersten Knotenpunkt (11) angeordnet ist, und das erste untere Schaltelement (M2) zwischen dem ersten Knotenpunkt (11) und einem zweiten Anschlusselement des primärseitigen Gleichspannungsanschluss angeordnet ist, wobei das zweite obere Schaltelement (M3) zwischen dem ersten Anschlusselement des primärseitigen Gleichspannungsanschluss und einem zweiten Knotenpunkt (12) angeordnet ist, und das zweite untere Schaltelement (M4) zwischen dem zweiten Knotenpunkt (12) und dem zweiten Anschlusselement des primärseitigen Gleichspannungsanschluss angeordnet ist, und wobei der erste Knotenpunkt (11) mit einem ersten Anschlusselement der Primärseite des Transformators (30) verbunden ist, und der zweite Knotenpunkt (12) mit einem zweiten Anschlusselement der Primärseite des Transformators (30) verbunden ist. 6. DC voltage converter (1) according to claim 5, wherein the primary-side full bridge (10) comprises a first half bridge and a second half bridge, wherein the first half-bridge comprises a first upper switching element (Ml) and a first lower switching element (M2), and the second half-bridge comprises a second upper switching element (M3) and a second lower switching element (M4), the first upper switching element (Ml) is arranged between a first connection element of the primary-side DC voltage connection and a first node (11), and the first lower switching element (M2) is arranged between the first node (11) and a second connection element of the primary-side DC voltage connection, the second upper switching element (M3) is arranged between the first connection element of the primary-side DC voltage connection and a second node (12), and the second lower switching element (M4) is arranged between the second node (12) and the second connection element of the primary-side DC voltage connection, and wherein the first node (11) with a first connection element of the Pr imärseite of the transformer (30) is connected, and the second node (12) is connected to a second connection element of the primary side of the transformer (30).
7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5 oder 6, mit einer sekundärseitigen Vollbrücke (20), die zwischen einer Sekundärseite des Transformators (30) und einem sekundärseitigen7. DC voltage converter according to claim 5 or 6, with a secondary-side full bridge (20) between a secondary side of the transformer (30) and a secondary-side
Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers (1) angeordnet ist. DC voltage connection of the DC voltage converter (1) is arranged.
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