WO2015185249A1 - Unterdrückung einer dc-komponenten in einem transformator eines spannungswandlers - Google Patents

Unterdrückung einer dc-komponenten in einem transformator eines spannungswandlers Download PDF

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Rene Schenk
Stephan Binhack
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter

Definitions

  • the present invention relates to a voltage converter and a method of controlling a voltage converter.
  • DC converters also referred to as DC / DC converters
  • DC / DC converters can be used in electric vehicles in order to convert an electrical voltage of a vehicle battery into one for the respective consumer, e.g. a drive motor to convert suitable voltage.
  • Voltage transformers can have different topologies. The possible converter topologies are divided in particular according to the required converter power. For powers up to about 100 watts, e.g. so-called forward converters or flyback converters are used. For powers over 100 watts, e.g. Half-bridge voltage transformers can be used and for outputs of about 200 watts to over 1000 watts so-called "zero voltage switching" full-bridge voltage transformers can be used.
  • US 2013 314 949 A1 shows such a full-bridge voltage converter.
  • Such full-bridge voltage transformers can be controlled by means of different switching strategies.
  • One possibility is to control the full-bridge voltage converter by means of PWM signals in which the phases are shifted from one another.
  • the converter transformer If the converter transformer is driven with asymmetrical currents, it can saturate. In saturation, however, the inductance of the
  • Transformer transformer or the upstream electrical components lead.
  • Transformer transformer flow usually a current sense transformer is attached to the positive supply line of the full bridge of the voltage converter.
  • this current transformer is always traversed by a current in the same direction, this current-measuring transformer saturates and can no longer be used to measure the current. For this reason, in each case a reset phase is introduced in the control of the full bridge, which switches the supply line of the full bridge de-energized, whereby a saturation of the current sense transformer is avoided.
  • FIG. 1 A block diagram of a voltage converter corresponding to this principle is shown in FIG.
  • the voltage converter has a full bridge with four switches S1 - S4, in whose shunt branch a transformer T1 is arranged.
  • a measuring transformer T2 is arranged in a supply line of the full bridge.
  • the disadvantage is that due to the reset phase in which no current is allowed to flow, the control or regulation range for the PWM signals is limited.
  • the control or regulation range for the PWM signals is limited.
  • the present invention discloses a voltage converter with the features of claim 1 and a method with the features of claim 7. Accordingly, it is provided:
  • a voltage converter having a primary side which has a full bridge device, which is adapted to receive a first DC voltage from a voltage source having a first amplitude and forward to a arranged in the primary primary coil, with a control device, which is adapted to the full bridge device with To control PWM signals with mutually shifted phases, wherein the control device is designed to detect an asymmetry in the current supplied to the primary coil based on a current waveform in the primary coil, wherein the control device is designed to compensate for a detected asymmetry by adjusting the PWM signals , For example, the compensation can be done by deviating from the symmetrical 50% duty cycle activation in one half-bridge, but the other half-bridge is still driven with a 50% duty cycle.
  • a method of controlling a voltage converter having a primary coil supplied with a full voltage by a full-bridge device comprising the steps of driving the full-bridge device with PWM signals with mutually shifted phases, detecting an asymmetry in the current supplied to the primary coil. based on a current waveform in the primary coil, and compensating a detected asymmetry by adjusting the PWM signals.
  • the finding underlying the present invention is that it is possible to measure the current flowing in the primary coil between the full bridge device and the primary coil with a measuring device that can not measure DC current, and still provide information about the DC component to capture in the stream.
  • the present invention provides to detect the course of the current in the primary coil and to close based on the course of the current to the DC component in the current.
  • the course of the current can thus be used as an indicator for whether an asymmetrical current flows in the primary coil of the voltage converter.
  • detection of the asymmetry based on the current profile means that an arbitrary quantity is detected which allows a statement about the current course within one PWM cycle or several PWM cycles. This can be both a single reading and a series of readings.
  • a so-called peak current regulation is used for the described voltage transformer type. This requires a current measurement that can measure the DC component.
  • the primary coil is connected to the voltage source in each PWM cycle until a preset current value (peak current) is reached. Then, the freewheel mode is switched. This control automatically ensures a symmetrical current through the primary coil.
  • no microcontrollers with their integrated PWM generation units support this control method. For this reason is for a control with
  • the voltage converter includes a sense transformer disposed in a diagonal branch of the full bridge device and coupled to the controller for providing the controller with a value of current in the primary coil.
  • a measuring transformer With the aid of a measuring transformer, it becomes possible to carry out a galvanically decoupled measurement and to send the control device e.g. operate on the low voltage side at 12 volts.
  • control device is designed to detect the current profile in the primary coil by detecting in each case at least one current value in a section of the PWM signals, in which the primary coil is coupled to the voltage source via the full-bridge device.
  • control device is configured to detect the at least one current value within the last 30 percent, in particular the last 20 percent or the last 10 percent, of the respective section of the PWM signals or in the middle of the respective section of the PWM signals , If current values are detected at the end of a section in which the primary coil is coupled to the voltage source via the full-bridge device, the course of the current in the coil can be easily detected. This is e.g. explained in more detail in connection with FIG.
  • the appropriate sampling time can also be selected differently depending on the set pulse duty factor.
  • the control device is designed to detect the current profile in the primary coil by detecting at least one current value in a portion of the PWM signals in which the primary coil is not coupled to the voltage source via the full-bridge device. If the current is detected in the so-called freewheeling phase of the primary coil, it is also easy to draw conclusions about the current in the primary coil are pulled. The freewheeling phase designates the temporal section in which the primary coil is not coupled to the voltage source via the full bridge device.
  • the control device is designed to detect the current profile in the primary coil by detecting a multiplicity of current values. A large number of current values permits an approximate reconstruction of the current profile and thus also the detection of an asymmetrical current in the primary coil.
  • control device is designed to detect two current values and to detect the slope of the current profile in the primary coil by differentiating the two current values.
  • the slope of the current characteristic allows a conclusion to be drawn on a changing coil inductance of the primary coil and thus on an asymmetrical current in the primary coil.
  • control device is designed to detect a current value in two successive cycles of the PWM signals and to detect the current profile in the primary coil based on a difference of the current values. Since, for two consecutive cycles, one of the cycles is always a positive cycle and the other cycle is a negative cycle, an asymmetric current can also be detected by comparing the currents in the two cycles.
  • the control device has a switched-capacitor circuit which is designed to detect the difference in the current values in two successive cycles of the PWM signals, wherein the control device is designed based on the detected difference in the current characteristic in the primary coil capture. This allows a very simple detection of the current difference in two consecutive cycles.
  • FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a voltage converter according to the invention.
  • FIG. 2 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention
  • Fig. 3 is a block diagram of another embodiment of an inventive
  • FIG. 4 shows a diagram of a current measurement in an embodiment of a voltage converter according to the invention
  • Fig. 5 is a block diagram of an embodiment of a circuit with switched
  • Fig. 6 is a block diagram of a conventional voltage converter.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of a voltage converter 1 according to the invention.
  • the secondary side 25 may have, for example, a secondary coil 13 and further necessary electrical components.
  • the primary side 2 has a full bridge device 3, which is coupled to a primary coil 5. Further, a control device 6 is coupled to the primary coil 5, which is designed to detect the current flow in the primary coil 5.
  • the current 8 is provided to the primary coil 5 to the full bridge device 3, which can be coupled to a DC voltage source 4 (see FIG. 3).
  • the control device 6 controls the full-bridge device 3 with the aid of one or more PWM signals 7.
  • the control device 6 activates the full-bridge device 3 with the aid of PWM signals 7, which have a duty cycle of 50%.
  • the control device 6 can shift the phases of the PWM signals 7 relative to one another. As a result, the control device 6 can control the time in which the primary coil 5 lies in the positive direction or in the negative direction at the input voltage 4 or is short-circuited via the full-bridge device 3.
  • the control device 6 can detect the current profile in the primary coil 5 in different ways.
  • the detection of the current profile is to be understood as meaning any measurement which permits a conclusion as to the current course of the current 8 in the primary coil 5.
  • control device 6 can detect the current profile in each case by detecting at least one current value in a section of the PWM signals 7, in which the primary coil 5 is coupled to the voltage source 4 via the full-bridge device 3, ie with electrical energy from the voltage source 4 is supplied.
  • the current characteristic of the primary coil 5 changes when the primary coil 5 is saturated relative to the end of the section of the PWM signals 7 in which the primary coil 5 is traversed by a current 8. This change takes place so shortly before entering the freewheeling phase, in which the primary coil 5 is short-circuited instead. For this reason, the control device 6 can detect the current value or the current values within the last 30 percent, in particular the last 20 percent or the last 10 percent, of the respective section of the PWM signals 7. In the case of an asymmetrical current 8 in the primary coil 5, the entire current profile in one PWM cycle is shifted either upwards or downwards relative to the current profile of the previous or subsequent PWM cycle.
  • control device 6 can also detect the current value or the current values in the middle of the respective section of the PWM signals 7.
  • the center of a portion of a PWM signal in which the primary coil 5 is traversed by a current 8 may lie, for example, in the middle of a period of the PWM signals 7.
  • the center may but also in the middle of the section of the PWM signals 7, in which the primary coil 5 is traversed by a current 8.
  • the term center can also mean a deviation of up to 30% from the actual center of the relevant cycle or section.
  • the control device 6 can detect the current profile of the current 8 in one embodiment also in the freewheeling phase of the primary coil 5. So in a phase in which the primary coil 5 is short-circuited. In the freewheeling phase, the current in the primary coil 5 decays slowly. The absolute values of the decaying current are u.a. of an asymmetry in the control of the primary coil 5 dependent. The control device 6 can therefore also infer from the current in the freewheeling phase to an asymmetry in the control of the primary coil 5.
  • the control device 6 can also be used in both sections, ie in the section of the PWM signals 7, in which the primary coil 5 is coupled to the voltage source 4 via the full-bridge device 3, and in the section in which the primary coil 5 is not connected to the voltage source 4 is coupled, each detect one or more measured values to detect the current waveform in the primary coil 5.
  • control device 6 can in each case detect a current value in two successive cycles of the PWM signals 7 and detect the current profile in the primary coil 5 based on a difference of the current values.
  • the control device 6 can also detect a single measured value in order to detect the current profile in the primary coil 5. Since, as already explained above, the absolute current values are influenced by an asymmetry in the control of the primary coil 5, a single measured value is sufficient to detect the current profile. Alternatively or additionally, the control device 6 can detect a plurality of measured values which allow the control device 6 to reconstruct the current profile in detail. For this purpose, the control device 6 in one embodiment has analog / digital converters which offer a sufficiently high sample rate.
  • the controller 6 may only have a few, e.g. Capture 2 to 10 measured values, and reconstruct from the difference of each successive measured values at least the gradient of the current waveform.
  • Capture 2 to 10 measured values e.g. Capture 2 to 10 measured values
  • control device 6 can adapt the PWM signals 7 accordingly to compensate for this asymmetry. For example, the control device 6 can adjust the timing of the PWM signals 7 for the individual switching elements of the full-bridge device 3.
  • 2 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention.
  • a voltage transformer 1 can be driven with a primary coil 5 supplied with an electrical voltage by a full-bridge device 3.
  • a first step S1 the method has the activation of the full-bridge device 3 with PWM signals 7.
  • the PWM signals 7 in particular have mutually shifted phases in order to control the power which the voltage transformer 1 transmits.
  • asymmetry in the current supplied to the primary coil 5 8 is detected based on a current waveform in the primary coil 5.
  • a detected asymmetry is compensated by an adaptation of the PWM signals 7.
  • the current profile in the primary coil 5 is detected in a section of the PWM signals 7, in which the primary coil 5 is coupled to the voltage source 4 via the full-bridge device 3.
  • the at least one current value can be detected in a section of the PWM signals 7 in which the primary coil 5 is not coupled to the voltage source 4 via the full-bridge device 3.
  • the current value may be detected within the last 30 percent, in particular the last 20 percent or the last 10 percent, or in the middle of the respective section of the PWM signals 7.
  • a multiplicity of current values for reconstructing the current profile or at least two current values can be detected and the slope of the current profile in the primary coil 5 can be detected by differentiating the at least two current values.
  • a current value can be detected in each case in two successive cycles of the PWM signals 7 and the current profile in the primary coil 5 can be detected based on a difference of the current values.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a further embodiment of a voltage converter 1 according to the invention.
  • the voltage converter 1 of FIG. 3 has a full bridge device 3, the four
  • Switching elements 12-1 - 12-4 has.
  • the two switching elements 12-1 and 12-2 are coupled to a voltage source 4 via a positive supply line.
  • the two switching elements 12-3 and 12-4 are coupled to the voltage source 4 via a negative supply line.
  • the two switching elements 12-1 and 12-3 are coupled via a common node to a first pole of the primary coil 5.
  • the two switching elements 12-2 and 12-4 are also coupled via a common node to the second pole of the primary coil 5.
  • the primary coil 5 is thus located in the diagonal branch 10 of the full bridge device 3.
  • the primary coil 5 is arranged opposite the secondary coil 13 of the converter transformer of the voltage converter 1.
  • a measuring transformer 9 is arranged at one of the connections between the full bridge device 3 and the primary coil 5.
  • the measuring transformer 9 is energized in a cyclic energization of the primary coil 5 in the positive and negative directions in each case in different directions. This prevents the measuring transformer from saturating itself.
  • the measuring transformer 9 makes only alternating currents measurable, no direct measurement of the DC component in the primary coil 5 can be performed.
  • the switching elements 12-1 - 12-4 may be e.g. as transistors, e.g. be designed as FETs, MOS-FETs, IGBTs or the like.
  • the control device 6 is not shown in Fig. 3.
  • the control device 6 may e.g. a program-controlled device 6 with at least one processor, microcontroller or the like.
  • the control device 6 can be arranged both on the primary side 2 as on the secondary side 25.
  • FIG. 4 shows a diagram of a current measurement in an embodiment of a voltage converter 1 according to the invention.
  • Curve 26 shows a current measurement with current clamps that can measure both positive and negative currents as well as the DC component.
  • the curve 27 shows a voltage measurement via a current sense transformer whose signal has been rectified and therefore only detects positive voltages.
  • the horizontal axis of the diagram shows 2 s per section and the vertical axis of the diagram shows 2A per section for the curve 26 or 500mV per section for the curve 27.
  • FIG. 4 shows three complete periods P 1 -P 3 of the current 8 as caused by the PWM signals 7.
  • the phases of the PWM signals 7 are shifted relative to one another in such a way that the freewheeling phase at the end of each period P1-P3 amounts to approximately 20% of the respective period P1-P3.
  • the period is approximately 5 ⁇ , which corresponds to a frequency of 200kHz. It can be seen in Fig. 4 that the current waveform is approximately triangular.
  • the current in the first phase, the drive phase, of the respective period P1-P3 increases and decreases again in the freewheeling phase of the respective period P1-P3.
  • Another possibility is to detect a single current value approximately in the middle of the drive phase of a first period P1-P3 and to detect a further current value again in the following period P1-P3 at the same point of the drive phase.
  • the difference between the two detected current values also allows a statement about an asymmetrical activation of the primary coil 5 with a current 8.
  • a threshold value can be preset for the difference between the two current values, the control device 6 exceeding this value for the PWM signals 7 adapts accordingly.
  • curve 27 it can also be seen that in the case of an asymmetry in the current 8, the current values also deviate from one another in the freewheeling phase.
  • a difference of one in the Freewheeling phase of a first period P1 - P3 and a current value detected in the freewheeling phase of a second period P1 - P3 can consequently also be used to determine an asymmetry in the current 8.
  • 5 shows a block diagram of an embodiment of a circuit with switched capacitors 11.
  • the circuit 11 has a terminal for the detected current signal, which in one embodiment is e.g. is transmitted from the measuring transformer 30 via a rectifier 31 to a shunt resistor 32, which is coupled to a first capacitor 15 which is connected to a resistor 16.
  • the resistor 16 is coupled to a parallel circuit of two switches 17-1 and 17-2.
  • the switch 17-1 is further coupled to a reference voltage 19.
  • the switch 17-2 is coupled to a measuring voltage 20, the z. B. can be detected by the analog / digital converter of a processor. Further, between the switch 17-2 and the measuring voltage 20, a capacitor 18 is connected to ground.
  • the switching inputs of the switches 17-1 and 17-2 are each controlled by the control device 6 such that the capacitor 15 is charged in a first freewheeling phase to the voltage to be measured 20 relative to the reference voltage 19.
  • the capacitor 15 transmits the difference to the first freewheeling phase to the capacitor 18 at which the difference can be measured as a difference to the reference voltage as a DC voltage.
  • the difference between the voltage in the capacitor 15 and the measuring voltage 20 leads to a transfer of charge into the capacitor 18. Only when this capacitor 18 has a voltage which corresponds to this difference, there is no further charge transfer. The voltage across the capacitor 18 can then be detected non-time critical via an analog / digital converter of the control device 6.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Spannungswandler mit einer Primärseite, welche ein Vollbrückeneinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine erste Gleichspannung von einer Spannungsquelle mit einer ersten Amplitude zu empfangen und an eine in der Primärseite angeordnete Primärspule weiterzuleiten, mit einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Vollbrückeneinrichtung mit PWM-Signalen mit gegeneinander verschobenen Phasen anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine Asymmetrie in dem der Primärspule zugeführten Strom basierend auf einem Stromverlauf in der Primärspule zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine erfasste Asymmetrie durch eine Anpassung der PWM-Signale auszugleichen. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

UNTERDRÜCKUNG EINER DC-KOMPONENTEN IN EINEM TRANSFORMATOR EINES
SPANNUNGSWANDLERS
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannungswandler und ein Verfahren zum Steuern eines Spannungswandlers.
Stand der Technik
Spannungswandler werden heute in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können Gleichstromwandler, auch DC/DC-Wandler genannt, in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, um eine elektrische Spannung einer Fahrzeugbat- terie in eine für die jeweiligen Verbraucher, z.B. einen Antriebsmotor, geeignete Spannung zu wandeln.
Spannungswandler können dabei unterschiedliche Topologien aufweisen. Die möglichen Wandlertopologien werden dabei insbesondere nach der benötigten Wandlerleistung ein- geteilt. Für Leistungen bis ca. 100 Watt können z.B. sog. Forward-Wandler oder Flyback- Wandler eingesetzt werden. Für Leistungen über 100 Watt können z.B. Halbbrücken- Spannungswandler eingesetzt werden und für Leistungen von ca. 200 Watt bis über 1000 Watt können sog.„Zero Voltage Switching" Vollbrücken-Spannungswandler eingesetzt werden.
Beispielsweise zeigt die US 2013 314 949 A1 einen solchen Vollbrücken- Spannungswandler.
Solche Vollbrücken-Spannungswandler können dabei mittels unterschiedlicher Schaltstra- tegien angesteuert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Vollbrücken- Spannungswandler mittels PWM-Signalen anzusteuern, bei welchen die Phasen gegeneinander verschoben sind.
Bei Vollbrückenwandlern werden dabei vier Schaltsignale benötigt, wobei jeweils zwei Schaltsignale gemeinsam derart ausgebildet sind, dass einer der Pole der Wandlerspule mit einer positiven Versorgungsspannung verbunden wird und einer der Pole der Wandlerspule mit einer negativen Versorgungsspannung verbunden wird. Im Folgenden wird der Einfachheit halber jeweils ein solches Paar von Steuersignalen als ein PWM- Signal bezeichnet. Üblicherweise werden diese PWM-Signale jeweils mit einem PWM-Dutycycle bzw. einem Tastverhältnis von 50% bereitgestellt. Werden diese PWM-Signale nun gegeneinander Phasenverschoben, können unterschiedliche Versorgungsinterwalle eingestellt werden, in welchen die Wandlerspule mit elektrischer Energie aus einer Energiequelle versorgt wird. In den Abschnitten, in welchen sich die„El NT-Abschnitte der zwei PWM-Signale nicht überschneiden, befindet sich der Spulenschwingkreis in einem Freilauf.
Bei der Ansteuerung solcher Spannungswandler ist es wichtig, eine Sättigung des Wandlertransformators zu detektieren, die auf Grund möglicher Bauteiltoleranzen und einer daraus resultierenden asymmetrischen Bestromung des Wandlertransformators auf- treten kann.
Wird der Wandlertransformator mit asymmetrischen Strömen angesteuert, kann dieser in die Sättigung gelangen. In der Sättigung sinkt aber die Induktivität des
Wandlertransformators und damit steigen bei gleicher Spannung die Ströme innerhalb des Wandlertransformators. Dies kann bis zu einer Beschädigung des
Wandlertransformators oder der vorgelagerten elektrischen Bauteile führen.
Um dies zu vermeiden, können die Ströme gemessen werden, welche in den
Wandlertransformator fließen. Dazu wird üblicherweise ein Strommesstransformator an der positiven Versorgungsleitung der Vollbrücke des Spannungswandlers angebracht. Da dieser Strommesstransformator aber immer in der gleichen Richtung von einem Strom durchflössen wird, gerät dieser Strommesstransformator in die Sättigung und kann zur Messung des Stroms nicht mehr genutzt werden. Aus diesem Grund wird bei der Ansteuerung der Vollbrücke jeweils eine Rücksetzphase eingeführt, die die Versorgungsleitung der Vollbrücke stromlos schaltet, wodurch eine Sättigung des Strommesstransformators vermieden wird.
Ein Blockschaltbild eines diesem Prinzip entsprechenden Spannungswandlers ist in Fig. 6 gezeigt. Der Spannungswandler weist eine Vollbrücke mit vier Schaltern S1 - S4 auf, in deren Querzweig ein Transformator T1 angeordnet ist. In einer Versorgungsleitung der Vollbrücke ist ein Messtransformator T2 angeordnet.
Nachteilig ist aber, dass auf Grund der Rücksetzphase, in welcher kein Strom fließen darf, der Steuer- bzw. Regelbereich für die PWM-Signale eingeschränkt wird. Insbesondere bei Spannungswandlern für hohe Leistungen ist es aber wünschenswert, den gesamten Steuer- bzw. Regelbereich für die Spannungswandlung nutzen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart einen Spannungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Spannungswandler mit einer Primärseite, welche eine Vollbrückeneinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine erste Gleichspannung von einer Spannungsquelle mit einer ersten Amplitude zu empfangen und an eine in der Primärseite angeordnete Primärspule weiterzuleiten, mit einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Vollbrückeneinrichtung mit PWM-Signalen mit gegeneinander verschobenen Phasen anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine Asymmetrie in dem der Primärspule zugeführten Strom basierend auf einem Stromverlauf in der Primärspule zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine erfasste Asymmetrie durch eine Anpassung der PWM-Signale auszugleichen. Zum Beispiel kann der Ausgleich dadurch erfolgen, dass bei einer Halbbrücke von der symmetrischen 50 % Tastverhältnis Ansteue- rung abgewichen wird, die andere Halbrücke aber weiter mit 50 % Tastverhältnis angesteuert wird.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Steuern eines Spannungswandlers mit einer durch eine Vollbrückeneinrichtung mit einer elektrischen Spannung versorgten Primärspule, mit den Schritten Ansteuern der Vollbrückeneinrichtung mit PWM-Signalen mit gegeneinander verschobenen Phasen, Erfassen einer Asymmetrie in dem der Primärspule zugeführten Strom ba- sierend auf einem Stromverlauf in der Primärspule, und Ausgleichen einer erfassten Asymmetrie durch eine Anpassung der PWM-Signale.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass es möglich ist, den Strom, welcher in die Primärspule fließt, zwischen der Vollbrückeneinrichtung und der Primärspule mit einer Messeinrichtung, die keinen Gleichstrom messen kann, zu messen und dennoch eine Information über den Gleichanteil in dem Strom zu erfassen.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, den Verlauf des Stroms in der Primärspule zu erfassen und basierend auf dem Verlauf des Stroms auf den Gleichanteil in dem Strom zu schließen.
Da ein Gleichstrom die Primärspule in die Sättigung führt und dadurch die Induktivität der Primärspule sinkt, steigt in einem solchen Fall auch der Strom durch die Primärspule schneller an, als es alleine durch die Spannung und die Nenninduktivität der Primärspule der Fall wäre.
Der Verlauf des Stroms kann also als Indikator dafür genutzt werden, ob in der Primärspule des Spannungswandlers ein asymmetrischer Strom fließt. Im Zusammenhang mit dieser Patentanmeldung bedeutet dabei Erfassen der Asymmetrie basierend auf dem Stromverlauf, dass eine beliebige Größe erfasst wird, die eine Aussage über den Stromverlauf innerhalb eines PWM-Zyklus oder mehrerer PWM-Zyklen erlaubt. Dies kann sowohl ein einzelner Messwert sein, als auch ein Reihe von Messwerten. Im Allgemeinen wird für den beschriebenen Spannungswandlertyp eine sogenannte Peak Current Regelung verwendet. Diese setzt eine Strommessung die den Gleichanteil messen kann voraus. Bei dieser Regelung wird in jedem PWM Zyklus die Primärspule so lange mit der Spannungsquelle verbunden, bis ein vorgegebener Stromwert (Peakstrom) erreicht ist. Dann wird in den Freilaufmodus umgeschaltet. Diese Regelung sorgt dabei automatisch für einen symmetrischen Strom durch die Primärspule. Leider unterstützen bisher keine Microcontroller mit ihren integrierten PWM Erzeugungseinheiten diese Regelmethode. Aus diesem Grund ist für eine Steuerung mit
Microcontrollern eine Ansteuerung mit vorgegebenem Tastverhältnis bzw. Duty cycle vorzuziehen, was nach verbreiteter Lehrmeinung jedoch wegen potentieller Probleme mit der Asymmetrie problematisch ist .
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. In einer Ausführungsform weist der Spannungswandler einen Messtransformator auf, welcher in einem Diagonalzweig der Vollbrückeneinrichtung angeordnet ist und welcher mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist, um der Steuereinrichtung einen Wert eines Stroms in der Primärspule bereitzustellen. Mit Hilfe eines Messtransformators wird es möglich, eine galvanisch entkoppelte Messung durchzuführen und die Steuereinrichtung z.B. auf der Niedervoltseite bei 12 Volt zu betreiben.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den Stromverlauf in der Primärspule durch das Erfassen jeweils mindestens eines Stromwertes in einem Abschnitt der PWM-Signale zu erfassen, in welchem die Primärspule über die Vollbrücken- einrichtung mit der Spannungsquelle gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den mindestens einen Stromwert innerhalb der letzten 30 Prozent, insbesondere der letzten 20 Prozent oder der letzten 10 Prozent, des jeweiligen Abschnitts der PWM-Signale oder in der Mitte des jeweiligen Abschnitts der PWM-Signale zu erfassen. Werden Stromwerte am Ende eines Abschnitts erfasst in welchem die Primärspule über die Vollbrückeneinrichtung mit der Spannungsquelle gekoppelt ist, kann der Verlauf des Stroms in der Spule einfach erfasst werden. Dies wird z.B. in Verbindung mit Fig. 4 näher erläutert.
Der geeignete Abtastzeitpunkt kann auch abhängig vom eingestellten Tastverhältnis un- terschiedlich gewählt werden.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den Stromverlauf in der Primärspule durch das Erfassen mindestens eines Stromwertes in einem Abschnitt der PWM-Signale zu erfassen, in welchem die Primärspule nicht über die Vollbrücken- einrichtung mit der Spannungsquelle gekoppelt ist. Wird der Strom in der sog. Freilaufphase der Primärspule erfasst, kann ebenfalls einfach ein Rückschluss auf den Strom in der Primärspule gezogen werden. Die Freilaufphase bezeichnet dabei den zeitlichen Abschnitt, in welchem die Primärspule nicht über die Vollbrückeneinrichtung mit der Spannungsquelle gekoppelt ist. In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, durch das Erfassen einer Vielzahl von Stromwerten den Stromverlauf in der Primärspule zu erfassen. Eine Vielzahl von Stromwerten erlaubt eine näherungsweise Rekonstruktion des Stromverlaufs und damit auch das Erkennen eines asymmetrischen Stroms in der Primärspule. In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, zwei Stromwerte zu erfassen und durch das Differenzieren der zwei Stromwerte die Steigung des Stromverlaufs in der Primärspule zu erfassen. Die Steigung des Stromverlaufs lässt einen Rück- schluss auf eine sich verändernde Spuleninduktivität der Primärspule und damit auf einen asymmetrischen Strom in der Primärspule zu.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der PWM-Signale jeweils einen Stromwert zu erfassen und basierend auf einer Differenz der Stromwerte den Stromverlauf in der Primärspule zu erfassen. Da bei zwei aufeinanderfolgenden Zyklen immer einer der Zyklen ein positiver Zyklus und der andere Zyklus ein negativer Zyklus ist, kann über einen Vergleich der Ströme in den zwei Zyklen ebenfalls ein asymmetrischer Strom erkannt werden.
In einer Ausführungsform weist die Steuereinrichtung eine Schaltung mit geschalteten Kondensatoren auf, welche dazu ausgebildet ist, in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der PWM-Signale die Differenz der Stromwerte zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, basierend auf der erfassten Differenz den Stromverlauf in der Primärspule zu erfassen. Dies ermöglicht eine sehr einfache Erfassung der Stromdifferenz in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesse- rungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Spannungswandlers;
Fig. 4 ein Diagramm einer Strommessung in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Schaltung mit geschalteten
Kondensatoren; und
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Spannungswandlers.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers 1 .
In Fig. 1 ist dabei lediglich die Primärseite 2 des erfindungsgemäßen Spannungswandlers 1 dargestellt. Die Sekundärseite 25 (siehe Fig. 3) kann z.B. eine Sekundärspule 13 und weitere notwendige elektrische Komponenten aufweisen. Die Primärseite 2 weist eine Vollbrückeneinrichtung 3 auf, die mit einer Primärspule 5 gekoppelt ist. Ferner ist an die Primärspule 5 eine Steuereinrichtung 6 gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, den Stromverlauf in der Primärspule 5 zu erfassen. Der Strom 8 wird der Primärspule 5 dazu von der Vollbrückeneinrichtung 3 bereitgestellt, die dazu mit einer Gleichspannungsquelle 4 (siehe Fig. 3) gekoppelt werden kann.
Die Steuereinrichtung 6 steuert die Vollbrückeneinrichtung 3 mit Hilfe einer oder mehrerer PWM-Signale 7 an. In einer Ausführungsform steuert die Steuereinrichtung 6 die Vollbrü- ckeneinrichtung 3 mit Hilfe von PWM-Signalen 7 an, die ein Tastverhältnis von 50% aufweisen. Zur eigentlichen Steuerung der Leistung bzw. des Stroms 8 oder der Spannung, die die Vollbrückeneinrichtung 3 an die Primärspule 5 überträgt, kann die Steuereinrichtung 6 die Phasen der PWM-Signale 7 gegeneinander verschieben. Dadurch kann die Steuereinrichtung 6 die Zeit steuern, in welcher die Primärspule 5 in positiver Richtung oder in negativer Richtung an der Eingangsspannung 4 liegt oder über die Vollbrückeneinrichtung 3 kurzgeschlossen wird.
Die Steuereinrichtung 6 kann den Stromverlauf in der Primärspule 5 auf unterschiedliche Arten erfassen. Im Rahmen dieser Erfindung ist unter dem Erfassen des Stromverlaufs dabei jede Messung zu verstehen, die einen Rückschluss auf den Stromverlauf des Stroms 8 in der Primärspule 5 zulässt.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung 6 den Stromverlauf in einer Ausführungsform durch das Erfassen jeweils mindestens eines Stromwertes in einem Abschnitt der PWM- Signale 7 erfassen, in welchem die Primärspule 5 über die Vollbrückeneinrichtung 3 mit der Spannungsquelle 4 gekoppelt ist, also mit elektrischer Energie aus der Spannungsquelle 4 versorgt wird.
Der Stromverlauf der Primärspule 5 ändert sich bei einer Sättigung der Primärspule 5 ge- gen Ende des Abschnitts der PWM-Signale 7, in welchem die Primärspule 5 von einem Strom 8 durchflössen wird. Diese Änderung findet also kurz vor Eintritt in die Freilaufphase, in welcher die Primärspule 5 kurzgeschlossen wird, statt. Aus diesem Grund kann die Steuereinrichtung 6 den Stromwert bzw. die Stromwerte innerhalb der letzten 30 Prozent, insbesondere der letzten 20 Prozent oder der letzten 10 Prozent, des jeweiligen Ab- Schnitts der PWM-Signale 7 erfassen. Bei einem asymmetrischen Strom 8 in der Primärspule 5 ist der gesamte Stromverlauf in einem PWM-Zyklus entweder nach oben oder nach unten gegenüber dem Stromverlauf des vorherigen oder nachfolgenden PWM-Zyklus verschoben. Aus diesem Grund kann die Steuereinrichtung 6 den Stromwert bzw. die Stromwerte auch in der Mitte des jeweili- gen Abschnitts der PWM-Signale 7 erfassen. Dabei kann der Begriff„Mitte" sehr breit ausgelegt werden. Die Mitte eines Abschnitts eines PWM-Signals, in welchem die Primärspule 5 von einem Strom 8 durchflössen wird, kann z.B. in der Mitte einer Periode der PWM-Signale 7 liegen. Die Mitte kann aber auch in der Mitte des Abschnitts der PWM- Signale 7 liegen, in welchem die Primärspule 5 von einem Strom 8 durchflössen wird. Der Begriff Mitte kann dabei auch eine Abweichung von bis zu 30% von der tatsächlichen Mitte des relevanten Zyklus oder Abschnitts bedeuten.
Die Steuereinrichtung 6 kann den Stromverlauf des Stroms 8 in einer Ausführungsform auch in der Freilaufphase der Primärspule 5 erfassen. Also in einer Phase, in welcher die Primärspule 5 kurzgeschlossen wird. In der Freilaufphase klingt der Strom in der Primärspule 5 langsam ab. Dabei sind die absoluten Werte des abklingenden Stroms u.a. von einer Asymmetrie in der Ansteuerung der Primärspule 5 abhängig. Die Steuereinrichtung 6 kann also auch aus dem Strom in der Freilaufphase auf eine Asymmetrie in der Ansteuerung der Primärspule 5 schließen.
Die Steuereinrichtung 6 kann auch in beiden Abschnitten, also in dem Abschnitt der PWM-Signale 7, in welchem die Primärspule 5 über die Vollbrückeneinrichtung 3 mit der Spannungsquelle 4 gekoppelt ist, und in dem Abschnitt, in welchem die Primärspule 5 nicht mit der Spannungsquelle 4 gekoppelt ist, jeweils einen oder mehrere Messwerte erfassen, um den Stromverlauf in der Primärspule 5 zu erfassen.
Ferner kann die Steuereinrichtung 6 in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der PWM- Signale 7 jeweils einen Stromwert erfassen und basierend auf einer Differenz der Stromwerte den Stromverlauf in der Primärspule 5 erfassen.
Die Steuereinrichtung 6 kann auch einen einzigen Messwert erfassen, um den Stromverlauf in der Primärspule 5 zu erfassen. Da, wie bereits oben erklärt, die absoluten Stromwerte von einer Asymmetrie in der Ansteuerung der Primärspule 5 beeinflusst werden, genügt bereits ein einziger Messwert um den Stromverlauf zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung 6 eine Vielzahl von Messwerten erfassen, die es der Steuereinrichtung 6 erlauben, den Stromverlauf detailliert zu rekonstruieren. Dazu verfügt die Steuereinrichtung 6 in einer Ausführungsform über Analog/Digital- Wandler, die eine ausreichend hohe Samplerate bieten.
Ferner kann die Steuereinrichtung 6 in einer Ausführungsform lediglich einige wenige, z.B. 2 bis 10 Messwerte erfassen, und aus der Differenz der jeweils aufeinanderfolgenden Messwerte zumindest den Gradienten des Stromverlaufs rekonstruieren. Eine Kombination der oben genannten Möglichkeiten zur Erfassung des Stromverlaufs in der Primärspule 5 ist ebenfalls möglich. Dadurch wird z.B. eine redundante Erfassung des Stromverlaufs möglich.
Hat die Steuereinrichtung 6 eine Asymmetrie in dem der Primärspule 5 zugführten Strom 8 erkannt, kann die Steuereinrichtung 6 die PWM-Signale 7 entsprechend anpassen, um diese Asymmetrie auszugleichen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 6 das Timing der PWM-Signale 7 für die einzelnen Schaltelemente der Vollbrückeneinrichtung 3 anpassen. Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere ein Spannungswandler 1 mit einer durch eine Vollbrückeneinrichtung 3 mit einer elektrischen Spannung versorgten Primärspule 5 angesteuert werden.
Das Verfahren weist in einem ersten Schritt S1 das Ansteuern der Vollbrückeneinrichtung 3 mit PWM-Signalen 7 auf. Dabei weisen die PWM-Signale 7 insbesondere gegeneinander verschobenen Phasen auf, um die Leistung zu Steuern, welche der Spannungswand- ler 1 überträgt.
In einem zweiten Schritt S2 wird eine Asymmetrie in dem der Primärspule 5 zugeführten Strom 8 basierend auf einem Stromverlauf in der Primärspule 5 erfasst. Schließlich wird in einem dritten Schritt S3 eine erfasste Asymmetrie durch eine Anpassung der PWM-Signale 7 ausgeglichen. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Stromverlauf in der Primärspule 5 in einem Abschnitt der PWM-Signale 7 erfasst, in welchem die Primärspule 5 über die Vollbrückeneinrichtung 3 mit der Spannungsquelle 4 gekoppelt ist. Zusätzlich oder alternativ kann der mindestens eine Stromwert in einem Abschnitt der PWM-Signale 7 erfasst werden, in welchem die Primärspule 5 nicht über die Vollbrückeneinrichtung 3 mit der Spannungsquelle 4 gekoppelt ist.
In einer Ausführungsform kann der Stromwert innerhalb der letzten 30 Prozent, insbeson- dere der letzten 20 Prozent oder der letzten 10 Prozent, oder in der Mitte des jeweiligen Abschnitts der PWM-Signale 7 erfasst werden.
Um den Stromverlauf des Strom 8 in der Primärspule 5 zu erfassen, kann eine Vielzahl von Stromwerten zur Rekonstruktion des Stromverlaufs oder mindestens zwei Stromwerte erfasst werden und durch das Differenzieren der mindestens zwei Stromwerte die Steigung des Stromverlaufs in der Primärspule 5 erfasst werden.
In einer Ausführungsform kann in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der PWM-Signale 7 jeweils ein Stromwert erfasst werden und basierend auf einer Differenz der Stromwerte der Stromverlauf in der Primärspule 5 erfasst werden.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers 1 . Der Spannungswandler 1 der Fig. 3 weist eine Vollbrückeneinrichtung 3 auf, die vier
Schaltelemente 12-1 - 12-4 aufweist. Die zwei Schaltelemente 12-1 und 12-2 sind über eine positive Versorgungsleitung mit einer Spannungsquelle 4 gekoppelt. Die zwei Schaltelemente 12-3 und 12-4 sind über eine negative Versorgungsleitung mit der Spannungsquelle 4 gekoppelt. Die zwei Schaltelemente 12-1 und 12-3 sind über einen ge- meinsamen Knotenpunkt mit einem ersten Pol der Primärspule 5 gekoppelt. Schließlich sind die zwei Schaltelemente 12-2 und 12-4 ebenfalls über einen gemeinsamen Knotenpunkt mit dem zweiten Pol der Primärspule 5 gekoppelt. Die Primärspule 5 liegt also in dem Diagonalzweig 10 der Vollbrückeneinrichtung 3. Der Primärspule 5 gegenüber angeordnet liegt die Sekundärspule 13 des Wandlertransformators des Spannungswandlers 1. Schließlich ist ein Messtransformator 9 an einer der Verbindungen zwischen der Vollbrückeneinrichtung 3 und der Primärspule 5 angeordnet. Der Messtransformator 9 wird bei einer zyklischen Bestromung der Primärspule 5 in positive und negative Richtung jeweils in unterschiedlichen Richtungen bestromt. Dadurch wird verhindert, dass der Messtransformator selbst in die Sättigung gerät.
Da der Messtransformator 9 allerdings nur Wechselströme messbar macht, kann keine direkte Messung des Gleichstromanteils in der Primärspule 5 durchgeführt werden.
Mit Hilfe einer Steuereinrichtung 6 gemäß der vorliegenden Erfindung kann dennoch eine Asymmetrie in der Bestromung der Primärspule 5 erkannt werden und durch eine geeignete Ansteuerung der Schaltelemente 12-1 - 12-4 ausgeglichen werden.
Die Schaltelemente 12-1 - 12-4 können z.B. als Transistoren, z.B. als FETs, MOS-FETs, IGBTs oder dergleichen ausgebildet sein.
Die Steuereinrichtung 6 ist in Fig. 3 nicht dargestellt. Die Steuereinrichtung 6 kann z.B. eine programmgesteuerte Einrichtung 6 mit zumindest einem Prozessor, MikroController oder dergleichen sein. Dabei kann die Steuereinrichtung 6 sowohl auf der Primärseite 2 als auf der Sekundärseite 25 angeordnet sein.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm einer Strommessung in einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers 1.
Die Strommessung wurde dabei auf zwei Arten durchgeführt. Kurve 26 zeigt eine Strom- messung mit einer Stromzange, die sowohl positive als auch negative Ströme als auch den Gleichstromanteil messen kann. Die Kurve 27 zeigt eine Spannungsmessung über einen Strommesstransformator dessen Signal gleichgerichtet wurde und daher lediglich positive Spannungen erfasst. Die horizontale Achse des Diagramms zeigt dabei 2 s pro Abschnitt und die vertikale Achse des Diagramms zeigt 2A pro Abschnitt für die Kurve 26 bzw. 500mV pro Abschnitt für die Kurve 27.
In Fig. 4 sind drei vollständige Perioden P1 - P3 des Stroms 8 dargestellt, wie er durch die PWM-Signale 7 hervorgerufen wird. Dabei sind die Phasen der PWM-Signale 7 derart gegeneinander verschoben, dass die Freilaufphase am Ende jeder Periode P1 - P3 in etwa 20% der jeweiligen Periode P1 - P3 beträgt. Die Periodendauer beträgt in etwa 5 μβ, was einer Frequenz von 200kHz entspricht. Zu erkennen ist in Fig. 4, dass der Stromverlauf in etwa dreieckförmig verläuft. Dabei steigt der Strom in der ersten Phase, der Ansteuerphase, der jeweiligen Periode P1 - P3 an und sinkt in der Freilaufphase der jeweiligen Periode P1 - P3 wieder ab.
Deutlich zu erkennen ist auch, dass der Gradient des Stromverlaufs gegen Ende der Ansteuerphase steiler ansteigt, als es bei einem linearen Stromverlauf der Fall wäre. Dies deutet darauf hin, dass die Induktivität der Primärspule 5 gegen Ende der Ansteuerphase sinkt. Dies ist dann der Fall, wenn die Primärspule 5 die Sättigung erreicht.
Das Verhalten der in Fig. 4 dargestellten Kurven 26, 27, bei welchen am Ende der jeweiligen Ansteuerphase der Strom 8 schneller ansteigt, als während dem Rest der Ansteuerphase, tritt lediglich bei einer Sättigung der Primärspule 5 auf. Eine solche Sättigung der Primärspule 5 tritt aber nur dann auf, wenn der Strom 8 eine Asymmetrie aufweist. In Fig. 4 wird folglich deutlich, dass ein Erfassen von Stromwerten des Stroms 8 in der Primärspule 5 eine Aussage über den Stromverlauf selbst ermöglicht. Insbesondere wird auch deutlich, dass der Stromverlauf selbst als Basis für eine Aussage über eine Asymmetrie in dem Strom 8 dienen kann. Beispielsweise könnte ein einzelner absoluter Stromwert am Ende der Ansteuerphase erfasst werden, um den gestiegen Strom 8 zu detektieren. Es könnten auch eine Vielzahl von Stromwerten erfasst werden, um den Stromverlauf im Detail zu rekonstruieren. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zumindest zwei Stromwerte zu erfassen und einen Gradienten des Stromverlaufs zu bestimmen.
Schließlich besteht eine weitere Möglichkeit darin, in etwa in der Mitte der Ansteuerphase einer ersten Periode P1 - P3 einen einzelnen Stromwert zu erfassen und in der darauffolgenden Periode P1 - P3 erneut an der gleichen Stelle der Ansteuerphase einen weiteren Stromwert zu erfassen. Die Differenz der zwei erfassten Stromwerte erlaubt dabei eben- falls eine Aussage über ein asymmetrische Ansteuerung der Primärspule 5 mit einem Strom 8. Beispielsweise kann für die Differenz zwischen den zwei Stromwerten ein Schwellwert vorgegeben werden, ab dessen Überschreitung die Steuereinrichtung 6 die PWM-Signale 7 entsprechend anpasst. In Kurve 27 ist auch ersichtlich, dass bei einer Asymmetrie in dem Strom 8 auch in der Freilaufphase die Stromwerte voneinander abweichen. Eine Differenzbildung eines in der Freilaufphase einer ersten Periode P1 - P3 und eines in der Freilaufphase einer zweiten Periode P1 - P3 erfassten Stromwerts kann folglich ebenfalls zur Bestimmung einer Asymmetrie in dem Strom 8 genutzt werden. Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Schaltung mit geschalteten Kondensatoren 1 1.
Die Schaltung 1 1 weist einen Anschluss für das erfasste Stromsignal auf, welches in einer Ausführungsform z.B. von dem Messtransformator 30 über einen Gleichrichter 31 an ei- nen Shuntwiderstand 32 übertragen wird, der mit einem ersten Kondensator 15 gekoppelt ist, der mit einem Widerstand 16 verbunden ist. Der Widerstand 16 ist mit einer Parallelschaltung aus zwei Schaltern 17-1 und 17-2 gekoppelt. Der Schalter 17-1 ist ferner mit einer Referenzspannung 19 gekoppelt. Der Schalter 17-2 ist mit einer Messspannung 20 gekoppelt, die z. B. vom Analog/Digital-Wandler eines Prozessors erfasst werden kann. Ferner ist zwischen dem Schalter 17-2 und der Messspannung 20 ein Kondensator 18 gegen Masse geschaltet. Die Schalteingänge der Schalter 17-1 und 17-2 werden von der Steuereinrichtung 6 jeweils derart angesteuert, dass der Kondensator 15 in einer ersten Freilaufphase auf die zu messende Spannung 20 gegenüber der Referenzspannung 19 aufgeladen wird. In einer zweiten Freilaufphase überträgt der Kondensator 15 die Diffe- renz zur ersten Freilaufphase auf den Kondensator 18 an dem die Differenz als Differenz zur Referenzspannung als Gleichspannung gemessen werden kann. Die Differenz der Spannung in dem Kondensator 15 und der Messspannung 20 führt dabei zu einer Übertragung von Ladung in den Kondensator 18. Erst, wenn dieser Kondensator 18 eine Spannung aufweist, welche dieser Differenz entspricht, erfolgt keine weitere Ladungs- Übertragung. Die Spannung an dem Kondensator 18 kann daraufhin zeitunkritisch über eine Analog/Digital-Wandler der Steuereinrichtung 6 erfasst werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1 . Spannungswandler (1 ) mit einer Primärseite (2), welche ein Vollbrückeneinrichtung (3) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine erste Gleichspannung von einer Spannungsquelle (4) mit einer ersten Amplitude zu empfangen und an eine in der Primärseite (2) angeordnete Primärspule (5) weiterzuleiten; mit einer Steuereinrichtung (6), welche dazu ausgebildet ist, die Vollbrückeneinrichtung (3) mit PWM-Signalen (7) mit gegeneinander verschobenen Phasen anzusteuern; wobei die Steuereinrichtung (6) ausgebildet ist, eine Asymmetrie in dem der Primärspule (5) zugeführten Strom (8) basierend auf einem Stromverlauf in der Primärspule (5) zu erfassen; wobei die Steuereinrichtung (6) ausgebildet ist, eine erfasste Asymmetrie durch eine Anpassung der PWM-Signale (7) auszugleichen.
2. Spannungswandler nach Anspruch 1 , mit einem Messtransformator (9), welcher in einem Diagonalzweig (10) der Vollbrückeneinrichtung (3) angeordnet ist und welcher mit der Steuereinrichtung (6) gekoppelt ist, um der Steuereinrichtung (6) einen Wert eines Stroms (8) in der Primärspule (5) bereitzustellen.
3. Spannungswandler nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, den Stromverlauf in der Primärspule (5) durch das Erfassen jeweils mindestens eines Stromwertes in einem Abschnitt der PWM-Signale (7) zu erfassen, in welchem die Primärspule (5) über die Vollbrückeneinrichtung (3) mit der Spannungsquelle (4) gekoppelt ist; wobei die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Stromwert innerhalb der letzten 30 Prozent, insbesondere der letzten 20 Prozent oder der letzten 10 Prozent, des jeweiligen Abschnitts der PWM-Signale (7) oder in der Mitte des jeweiligen Abschnitts der PWM-Signale (7) zu erfassen.
Spannungswandler nach einem der vorherigen Ansprüche,
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dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, den Stromverlauf in der Primärspule (5) durch das Erfassen mindestens eines Stromwertes in einem Abschnitt der PWM-Signale (7) zu erfassen, in welchem die Primärspule (5) nicht über die Vollbrückeneinrichtung (3) mit der Spannungsquelle (4) gekoppelt ist.
5. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, durch das Erfassen einer Vielzahl von Stromwerten den Stromverlauf in der Primärspule (5) zu erfassen; oder dass die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, zwei Stromwerte zu erfassen und durch das Differenzieren der zwei Stromwerte die Steigung des Stromverlaufs in der Primärspule (5) zu erfassen. 6. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der PWM-Signale (7) jeweils einen Stromwert zu erfassen und basierend auf einer Differenz der Stromwerte den Stromverlauf in der Primärspule (5) zu erfassen; oder dass die Steuereinrichtung (6) eine Schaltung mit geschalteten Kondensatoren (1 1 ) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der PWM-Signale (7) die Differenz der Stromwerte zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, basierend auf der erfassten Differenz den Stromverlauf in der Primärspule (5) zu erfassen.
Verfahren zum Steuern eines Spannungswandlers (1 ) mit einer durch eine Vollbrückeneinrichtung (3) mit einer elektrischen Spannung versorgten Primärspule (5), mit den Schritten: Ansteuern (S1 ) der Vollbrückeneinrichtung (3) mit PWM-Signalen (7) mit gegeneinander verschobenen Phasen;
Erfassen (S2) einer Asymmetrie in dem der Primärspule (5) zugeführten Strom (8) basierend auf einem Stromverlauf in der Primärspule (5); und
Ausgleichen (S3) einer erfassten Asymmetrie durch eine Anpassung der PWM- Signale (7).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Stromverlauf in der Primärspule (5) durch das Erfassen mindestens eines Stromwertes in einem Abschnitt der PWM-Signale (7) erfasst wird, in welchem die Primärspule (5) über die Vollbrückeneinrichtung (3) mit der Spannungsquelle (4) gekoppelt ist, wobei der mindestens eine Stromwert innerhalb der letzten 30 Prozent, insbesondere der letzten 20 Prozent oder der letzten 10 Prozent, oder in der Mitte des jeweiligen Abschnitts der PWM-Signale (7) erfasst wird; und/oder wobei der Stromverlauf in der Primärspule (5) durch das Erfassen mindestens eines Stromwertes in einem Abschnitt der PWM-Signale (7) erfasst wird, in welchem die Primärspule (5) nicht über die Vollbrückeneinrichtung (3) mit der Spannungsquelle (4) gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 8,
wobei beim Erfassen des Stromverlaufs in der Primärspule (5) durch das Erfassen einer Vielzahl von Stromwerten der Stromverlauf in der Primärspule (5) erfasst wird; oder wobei mindestens zwei Stromwerte erfasst werden und durch das Differenzieren der mindestens zwei Stromwerte die Steigung des Stromverlaufs in der Primärspule (5) erfasst wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen der PWM-Signale (7) jeweils ein Stromwert erfasst wird und basierend auf einer Differenz der Stromwerte der Stromverlauf in der Primärspule (5) erfasst wird; oder wobei mittels einer Schaltung mit geschalteten Kondensatoren (1 1 ) in mehreren aufeinanderfolgenden Zyklen der PWM-Signale (7) die Differenz der Stromwerte erfasst wird, wobei basierend auf der erfassten Differenz der Stromverlauf in der Primärspule (5) erfasst wird.
PCT/EP2015/057708 2014-06-02 2015-04-09 Unterdrückung einer dc-komponenten in einem transformator eines spannungswandlers WO2015185249A1 (de)

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