CH707553B1

CH707553B1 - Electric power converter for DC / DC conversion with dual active bridges.

Info

Publication number: CH707553B1
Application number: CH00402/13A
Authority: CH
Inventors: Everts Jordi; Walter Kolar Johann
Original assignee: Eth Zürich Eth Transfer
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2017-07-14
Also published as: CH707553A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen DC/DC-Wandler mit dualen aktiven Brücken und ein Verfahren zum Bestimmen eines Steuerverfahrens zur Steuerung von aktiven Schaltelementen in einem solchen Wandler. Ein dualer aktiver Brückenumrichter weist eine erste Brückenschaltung (S 11 , S 12 , S 13 , S 14 ) zur Wandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung v 1 (t) und eine zweite Brückenschaltung (S 21 , S 22 , S 23 , S 24 , S 25 , S 26 , S 27 , S 28 ) zur Wandlung einer zweiten Gleichspannung in eine zweite Wechselspannung v 2 (t) auf. Die beiden Wechselspannungen liegen an einem Wechselspannungszwischenkreis an, und die beiden Brückenschaltungen weisen gesteuerte Schaltelemente auf. Dabei ist mindestens eine der beiden Brückenschaltungen eine mehrstufige Brückenschaltung (S 21 , S 22 , S 23 , S 24 , S 25 , S 26 , S 27 , S 28 ), mit welcher die entsprechende Wechselspannung aus aufeinanderfolgenden Abschnitten mit jeweils gleich bleibender Spannung erzeugbar ist, wobei mindestens fünf unterschiedlich hohe Gleichspannungen an die entsprechende Seite (Q, P) des Wechselspannungszwischenkreises anlegbar sind.The invention relates to a DC active DC / DC converter with dual active bridges and a method for determining a control method for controlling active switching elements in such a converter. A dual active bridge converter has a first bridge circuit (S 11, S 12, S 13, S 14) for converting a first DC voltage into a first AC voltage v 1 (t) and a second bridge circuit (S 21, S 22, S 23, S 24, S 25, S 26, S 27, S 28) for converting a second DC voltage into a second AC voltage v 2 (t). The two AC voltages are applied to an AC voltage intermediate circuit, and the two bridge circuits have controlled switching elements. In this case, at least one of the two bridge circuits is a multi-stage bridge circuit (S 21, S 22, S 23, S 24, S 25, S 26, S 27, S 28), with which the corresponding AC voltage can be generated from successive sections, each with a constant voltage is, wherein at least five different high DC voltages to the corresponding side (Q, P) of the AC intermediate circuit can be applied.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen DC/DC-Wandler mit dualen aktiven Brücken, ein Verfahren zum Bestimmen eines Steuerverfahrens zur Steuerung von aktiven Schaltelementen in einem solchen Wandler.Description: [0001] The invention relates to a DC active DC / DC converter with dual active bridges, a method for determining a control method for controlling active switching elements in such a converter.

Duale aktive Brückenwandler [0002] Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler, welcher eine Gleichspannungsleistung auf der einen Seite des Wandlers in eine geregelte oder gesteuerte Gleichspannungsleistung auf der anderen Seite des Wandlers bei einer vorgegebenen Spannungs- und/oder Stromstufe umwandelt. Eine Eingangsbrücke des DC/DC-Wandlers weist eine Eingangsbrückenschaltung zur Wandlung der Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung v^t) auf. Diese Wechselspannung ist einem hochfrequenten Wechselspannungskreis zugeführt, welcher einen Transformator und optional eine externe serielle Induktivität aufweist Eine Ausgangswechselspannung v2(t) des Wechselspannungszwischenkreises ist einer Ausgangsbrückenschaltung zugeführt, welche zum Gleichrichten der Ausgangswechselspannung v^t) und zum geregelten Speisen einer Last angeordnet ist. Die Eingangs- wie auch die Ausgangsbrückenschaltung weisen aktive (Gate-)gesteu-erte Schaltelemente mit oder ohne passiv gesteuerten Dioden auf und können mit «Soft-Switching» zur Reduktion von Schaltverlusten gesteuert sein. Die aktiven Brücken können geregelt sein, um einen vorgegebenen Eingangsgleichstrom und/oder Ausgangsgleichstrom zu erreichen (im Folgenden lDci und IDC2), um die Ausgangsspannung an der Last zu halten. Ein solcher Wandler wird als «Dualer aktiver Brückenwandler» bezeichnet, kurz DAB-Wandler («Dual Active Bridge Converter», «DAB Converter»), [0003] Bei der herkömmlichen Realisierung von DAB-Wandlern (Fig. 1-4) sind die Schaltelemente der aktiven Brücke (Eingangs- und Ausgangsseite) entweder mit einer Halbbrückenkonfiguration (Fig. 1), einer Vollbrückenkonfiguration (Fig. 4) oder einer Kombination aus Vollbrückenkonfiguration und Halbbrückenkonfiguration (Fig. 2, 3) verbunden. Des Weiteren wird bei allen Realisierungen das Schalten von Schaltelementen in Eingangs- und Ausgangsbrücken so gesteuert, dass Rechteckspannungen mit resonanten Übergängen (v^t) and v2(t)) an den Anschlüssen Knoten A, B, Q, P der hochfrequenten Wechselspannungszwischenkreise entstehen, diese werden im Weiteren als Quasirechteckspannungen bezeichnet. Dabei nimmt man an, dass die Übergangsdauer deutlich kürzer ist als die Periode der Quasirechteckspannung. Im Idealfall einer unendlich grossen magnetischen Induktivität des Transformators und eines Nullwiderstandes des Wechselspannungszwischenkreises kann der Wechselspannungszwischenkreis als eine äquivalente serielle Induktivität Leq dargestellt werden, bei welcher die an die Induktivität angelegten Spannungen die Anschlussspannungen des Zwischenkreises sind, welche auf die eine oder die andere Seite des Transformators bezogen sind (z.B. v^t) and vL'2(t) = * n-|/n2, wenn sie auf die Eingangsseite bezogen sind, siehe Fig. 5). Der Wert der äqivalenten Induktivität wird durch die Streuinduktivität des Transformators und im Falle einer zusätzlichen externen seriellen Induktivität durch den Wert der externen Induktivität bestimmt. Der Wechselstrom iL(t) im Zwischenkreis wird durch die entsprechende Spannung V|_(t)= Vi(t)— v'2(t) über die äqivalente serielle Induktivität Leq und ihren Induktivitätswert bestimmt (Fig. 5). Sowohl die aktive Eingangsbrücke als auch die aktive Ausgangsbrücke wirken auf ihrer Gleichspannungsseite als AC/DC-Wandler, wobei der Wechselspannungszwischenkreisstrom auf der jeweiligen Seite in Nettogleichströme umgewandelt werden. Der hochfrequente Anteil dieser Ströme kann mit Hilfe von Hochfrequenz-Filterkapazitäten Cix and C2x, gefiltert werden, wodurch die Glättung der Gleichströme lDci und lDca und Gleichspannungen VDci und VDC2 verbessert wird. Durch geeignete Modulation der Quasirechteckspannungen Vi(t) und v2(t), welche mit Hilfe der aktiven Brücken auf die Anschlüsse A, B, Q, P des Zwischenkreises angelegt werden, können die Stromwerte bei und IDC2 gesteuert werden.Dual Active Bridge Converter The invention relates to a converter which converts a DC power on one side of the converter into a regulated or controlled DC power on the other side of the converter at a given voltage and / or current level. An input bridge of the DC / DC converter has an input bridge circuit for converting the DC input voltage into an AC voltage v t). This AC voltage is supplied to a high-frequency AC circuit having a transformer and optionally an external serial inductor An AC output voltage v2 (t) of the AC intermediate circuit is supplied to an output bridge circuit which is arranged to rectify the AC output voltage v ^ t) and to feed a load. The input as well as the output bridge circuit have active (gate) controlled switching elements with or without passively controlled diodes and can be controlled with "soft-switching" to reduce switching losses. The active bridges may be regulated to achieve a given input DC and / or output DC (hereinafter IDC and IDC2) to hold the output voltage to the load. Such a converter is referred to as a "dual active bridge converter", short DAB converter ("Dual Active Bridge Converter", "DAB Converter"), in the conventional implementation of DAB converters (Fig. 1-4) are the Active bridge switching elements (input and output side) are connected to either a half-bridge configuration (FIG. 1), a full-bridge configuration (FIG. 4), or a combination of full-bridge configuration and half-bridge configuration (FIGS. 2, 3). Furthermore, in all implementations, the switching of switching elements in input and output bridges is controlled such that square-wave voltages with resonant transitions (v t) and v 2 (t) arise at the connections A, B, Q, P of the high-frequency AC voltage intermediate circuits. these are referred to below as quasi-rectangular voltages. It is assumed that the transition period is significantly shorter than the period of the quasi-rectangular voltage. In the ideal case of an infinitely large magnetic inductance of the transformer and a zero resistance of the AC link, the AC link can be represented as an equivalent series inductance Leq, in which the voltages applied to the inductor are the link voltages of the link leading to one or the other side of the transformer (v ^ t) and vL'2 (t) = * n- | / n2 when referring to the input side, see Fig. 5). The value of the equivalent inductance is determined by the stray inductance of the transformer and, in the case of an additional external series inductance, by the value of the external inductance. The alternating current iL (t) in the intermediate circuit is determined by the corresponding voltage V | _ (t) = Vi (t) - v'2 (t) via the equivalent series inductance Leq and its inductance value (FIG. 5). Both the active input bridge and the active output bridge act on their DC side as AC / DC converters, converting the AC link current on the respective side into net DC currents. The high-frequency component of these currents can be filtered by means of high-frequency filter capacitances Cix and C2x, which improves the smoothing of the direct currents lDci and lDca and DC voltages VDci and VDC2. By suitable modulation of the quasi-square voltages Vi (t) and v2 (t), which are applied to the terminals A, B, Q, P of the intermediate circuit with the aid of the active bridges, the current values at and IDC2 can be controlled.

Regelziele und Grenzen für DAB-Wandler gemäss dem Stand der Technik [0004] Die wissenschaftlichen Bemühungen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Entwicklung von Strategien zum Erreichen eines vorgegebenen Eingangsgleichstroms und/oder Ausgangsgleichstroms und auf die möglichst effiziente Aufrechterhaltung des Ausgangsspannungsniveaus, das auf die Last wirkt. Bei jeder Realisierung der DAB-Wandler können die Betriebsbereiche identifiziert und durch Gleichungen beschrieben werden, welche einen Soft-Switching-Betrieb für alle Geräte in beiden aktiven Brücken ermöglichen (Erklärung von Soft-Switching: siehe unten) mit quasi keinen Schaltverlusten. Meistens versuchen die vorgeschlagenen Strategien, die Spannungen v^t), v2(t) an den Anschlüssen des Zwischenkreises, welche durch die aktiven Brücken erzeugt werden, zu modulieren, so dass der RMS-Wert des Zwischenkreisstroms minimiert wird, ohne dass die Grenzen des Soft-Switching überschritten werden. Der RMS-Wert ist für die Leitungsverluste des Schaltkrerises verantwortlich. Diese Bedingungen sind im ganzen Betriebsbereich des Wandlers zu erfüllen. Jedoch hängt der Umfang, in dem dies erzielt werden kann, von den für die Modulation von v^t) und v2(t) verfügbaren Freiheitsgraden ab. Daher besteht auch eine Abhängigkeit von den Freiheitsgraden für die Modulationsspannung, welche über die äquivalente serielle Induktivität Leq auftritt, und für die Wellenformung des entsprechenden Zwischenkreisstroms iL(t). Die Realisierungen der herkömmlichen DAB-Wandler beinhalten meist Vollbrücken, d.h. die Vollbrücke -Vollbrücken-DAB-Wandler (Fig. 4) bieten die höchste Flexibilität zur Erreichung dieser Ziele. Demzufolge ermöglicht das Hinzufügen von Freiheitsgraden zur Modulation der Spannungen v^t) und v2(t) am Zwischenkreis mehr Flexibilität bei der Erreichung der Regel- oder Steuerziele (z.B. minimale RMS-Werte des Wechselspannungszwischenkreisstroms und Soft-Switching-Betrieb). Das Letztere ist besonders wichtig, wenn ein grosser Betriebsspannungsbereich für den Wandler benötigt wird (z.B. ein Gleichspannungseingang im Bereich von 0 V bis 400 V).Control Objectives and Limitations of Prior Art DAB Converters The scientific efforts have focused primarily on the development of strategies for achieving a given input DC and / or DC output current and on maintaining the output voltage level as efficient as possible on the load. Each time the DAB converters are implemented, the operating ranges can be identified and described by equations that allow soft-switching operation for all devices in both active bridges (soft-switching explanation, see below) with virtually no switching losses. Most often, the proposed strategies attempt to modulate the voltages v ^ t), v2 (t) at the terminals of the DC link generated by the active bridges, so that the RMS value of the DC link current is minimized without breaking the limits of Soft switching will be exceeded. The RMS value is responsible for the line losses of the shift crunch. These conditions must be met throughout the operating range of the converter. However, the extent to which this can be achieved depends on the degrees of freedom available for the modulation of v ^ t) and v2 (t). Therefore, there is also a dependence on the degrees of freedom for the modulation voltage, which occurs via the equivalent series inductance Leq, and for the wave shaping of the corresponding intermediate circuit current iL (t). The implementations of conventional DAB converters usually include full bridges, i. the full-bridge full-bridge DAB converters (Figure 4) provide the highest flexibility for achieving these goals. As a result, adding degrees of freedom to the modulation of voltages v t and t 2 (t) on the link allows more flexibility in achieving the regulation or control objectives (e.g., minimum RMS values of the AC link current and soft switching operation). The latter is particularly important when a large operating voltage range is needed for the converter (e.g., a DC input in the range of 0V to 400V).

Beschreibung des Soft-Switching-Prinzips (Nullspannungsschaltung/Zero Voltage Switching, ZVS) [0005] Die aktiven Schaltvorrichtungen des DAB-Wandlers können durch eine Vielzahl von herkömmlich verwendeten Schaltelementen mit Gate-gesteuerter Ausschaltfähigkeit realisiert werden. Ein Beispiel einer im Allgemeinen benutzten Schaltungskomponente für Spannungen bis zu 600 V ist ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) (Fig. 7k). Dadurch kann ein Schaltelement Sx durch einen Leistungstransistor Tx, eine Diode Dx und einen nichtlinearen parasitären Kondensator Cx dargestellt werden. Soft-Switching-Betrieb eines Brückenzweigs (Fig. 7B) findet statt, wenn ein Wechsel der Drain-to-Source-Spannung (vDS) des Transistors durch das Ausschalten des entsprechenden Schalters initiiert wird, beispielsweise des Schalters S12, wobei der Strom vom Transistor T12 zu der gegenüberliegenden Diode D-π des Brückenzweiges («Bridge Leg», Fig. 7B) kommutiert. Quasi verlustfreies Ausschalten des Transistors T-|2 wird erreicht, wenn sich der leitende Kanal zwischen Drain- und Source-Anschlüssen des Transistors T-|2 öffnet, bevor die parasitären Kondensatoren aufgeladen, beziehungsweise entladen, sind und bevor die Spannung zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen des Transistors auf ein höheres Niveau angestiegen ist (Zero Voltage Switching, ZVS). Nachdem der leitende Kanal vollständig geöffnet ist, werden die parasitären Kapazitäten weiter durch den Strom i|egi-2, welcher in den Brückenzweig fliesst, geladen respektive entladen. Sobald dieser kurzzeitige reso-nante Übergang (Quasi-Resonanz-ZVS) abgeschlossen ist, kann der gegenüberliegende Transistor T-n unter ZVS eingeschaltetwerden (die anti-parallele Diode Du leitet, Tu wird mit ZVS eingeschaltet). Um das Einschalten des Transistors Tu unter Nullspannung zu erreichen, ist es wichtig, dass die Übergangsdauer des resonanten Übergangs kleiner/kürzer ist als die Totzeit des Brückenzweigs. Deshalb wird ein minimaler Kommutierungsstrom über eine gewisse Zeit, genauer gesagt, eine minimale Kommutierungsladung (Qcomm > Qcomm.min) benötigt. Diese minimale Kommutierungsladung hängt vom Wert der nichtlinearen parasitären Ausgangskapazitäten C-n und C12 der Halbleiterschalter ab und muss im Brückenzweigstrom iiegi-2 (Fig. 7B) während des Kommutierungsintervalles geliefert werden, um den resonanten Übergang während der Totzeit des Brückenzweiges abzuschliessen.Description of the Soft Switching Principle (ZVS) [0005] The active switching devices of the DAB converter can be realized by a variety of conventionally used switching elements with gate-controlled turn-off capability. An example of a commonly used circuit component for voltages up to 600V is a Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) (Figure 7k). Thereby, a switching element Sx can be represented by a power transistor Tx, a diode Dx and a non-linear parasitic capacitor Cx. Soft-switching operation of a bridge branch (Figure 7B) occurs when a change in the drain-to-source voltage (vDS) of the transistor is initiated by turning off the corresponding switch, such as switch S12, with the current from the transistor T12 commutes to the opposite diode D-π of the bridge branch ("Bridge Leg", Fig. 7B). Virtually lossless turn-off of the transistor T- | 2 is achieved when the conductive channel between drain and source terminals of the transistor T- | 2 opens before the parasitic capacitors are charged or discharged, and before the voltage between the drain is reached. and source terminals of the transistor has risen to a higher level (Zero Voltage Switching, ZVS). After the conductive channel is fully opened, the parasitic capacitances continue to be charged / discharged by the current i | egi-2 flowing into the bridge branch. Once this short-term resonant transition (quasi-resonant ZVS) is completed, the opposite transistor T-n can be turned on under ZVS (the antiparallel diode Du conducts, Tu is turned on with ZVS). In order to achieve the turn-on of the transistor Tu below zero voltage, it is important that the transition time of the resonant transition is smaller / shorter than the dead time of the bridge branch. Therefore, a minimum commutation current is needed over a period of time, more specifically, a minimum commutation charge (Qcomm> Qcomm.min). This minimum commutation charge depends on the value of the nonlinear parasitic output capacitances C-n and C12 of the semiconductor switches and must be supplied in the bridge branch current iiegi-2 (FIG. 7B) during the commutation interval to complete the resonant transition during the dead-time of the bridge branch.

[0006] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten DAB-Wandler zu schaffen. Diese Aufgabe löst ein DAB-Wandler mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs.It is an object of the invention to provide an improved DAB converter. This object is achieved by a DAB converter having the features of the first patent claim.

[0007] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für die Bestimmung eines Verfahrens zum Betreiben von aktiven Brücken eines DAB-Wandlers zu schaffen und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung eines Steuerverfahrens zur Ansteuerung eines solchen Brückenumrichters.Another object of the invention is to provide a method for determining a method for operating active bridges of a DAB converter, and more particularly to a method of operating an electronic data processing device for determining a control method for driving such a bridge converter.

[0008] Ein solcher dualer aktiver Brückenumrichter weist also eine erste Brückenschaltung zur Wandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung v-i(t), und eine zweite Brückenschaltung zur Wandlung einer zweiten Gleichspannung in eine zweite Wechselspannung v2(t), und einen Wechselspannungszwischenkreis mit einem Transformator, wobei die erste Wechselspannung einer ersten Seite des Wechselspannungszwischenkreises anliegt und die zweite Wechselspannung einer zweiten Seite des Wechselspannungszwischenkreises anliegt, und wobei sowohl die erste Brückenschaltung als auch die zweite Brückenschaltung gesteuerte Schaltelemente aufweisen. Dabei ist mindestens eine der beiden Brückenschaltungen eine mehrstufige Brückenschaltung, mit welcher die entsprechende Wechselspannung aus aufeinanderfolgenden Abschnitten mit jeweils gleich bleibender Spannung erzeugbar ist (typischerweise als unterschiedliche Anteile der entsprechenden Gleichspannung) und dabei mindestens fünf unterschiedlich hohe Gleichspannungen an die entsprechende Seite des Wechselspannungszwischenkreises anlegbar sind.Such a dual active bridge converter thus has a first bridge circuit for converting a first DC voltage into a first AC voltage vi (t), and a second bridge circuit for converting a second DC voltage into a second AC voltage v2 (t), and an AC voltage intermediate circuit with a Transformer, wherein the first AC voltage of a first side of the AC intermediate circuit is applied and the second AC voltage of a second side of the AC intermediate circuit is applied, and wherein both the first bridge circuit and the second bridge circuit having controlled switching elements. In this case, at least one of the two bridge circuits is a multi-stage bridge circuit with which the corresponding AC voltage can be generated from successive sections with a constant voltage (typically as different proportions of the corresponding DC voltage) and at least five different high DC voltages can be applied to the corresponding side of the AC intermediate circuit ,

[0009] Gemäss einer Ausführungsform sind mit der mehrstufigen Brückenschaltung (respektive den mehrstufigen Brückenschaltungen) jeweils ausgehend von einer Gleichspannung die volle positive und die volle negative Gleichspannung, die halbe positive und die halbe negative Gleichspannung, sowie die Spannung Null an die entsprechende Seite des Wechselspannungszwischenkreises anlegbar.According to one embodiment, with the multi-stage bridge circuit (respectively the multi-stage bridge circuits) each starting from a DC full positive and full negative DC voltage, half positive and half negative DC voltage, and the voltage zero to the corresponding side of the AC intermediate circuit applied.

[0010] Ein Unterschied zur herkömmlichen Realisierung von DAB-Wandlern liegt somit in den unterschiedlichen Amplituden und Formen der Quasirechteckspannungen v^t) and v2(t), welche von jeder aktiven Brücke erzeugt und an die Anschlüsse des Wechselspannungszwischenkreises angelegt werden können. Durch die Verwendung einer Halbbrückenkonfiguration kann eine aktive Brücke eine zweistufige (+VDc/2 Volt, -VDc/2 Volt) Anschlussspannung erzeugen, mit einem Tastverhältnis (respektive Einschaltdauer oder «Duty-Cycle») von 50% und mit einer Amplitude gleich der halben Gleichspannung über der entsprechenden Brücke. Durch die Verwendung einer Vollbrückenkonfiguration kann eine aktive Brücke eine dreistufige (+VDC Volt, Null, -VDC Volt) Anschlussspannung erzeugen, mit einem Tastverhältnis < 50% und einer Amplitude gleich der Gleichspannung über der entsprechenden Brücke. Insgesamt können also mehrstufige Quasirechteckspannungen erzeugt werden. Daraus folgt, dass die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade zur Spannungsmodulation vL(t), welche über die äquivalente serielle Induktivität wirken, und demzufolge die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade zur Wellenformung des resultierenden Zwischenkreisstroms mit der Anzahl der verwendeten Vollbrücken im DAB-Wandler ansteigt. Darüber hinaus verringert sich im Allgemeinen der Zwischenkreisstrom mit der Anzahl der Vollbrücken, da die von der Vollbrücke erzeugte Anschlussspannungsamplitude doppelt so gross ist wie die erzeugte Amplitude durch eine Halbbrücke, und zur Erreichung der gleichen Leistungsübertragung somit der Strom halbiert werden kann. Fig. 6A-6C zeigen einige Beispiele für typische Spannungs- und Stromwellenformen für drei der oben erwähnten Realisierungen für DAB-Wandler gemäss dem Stand der Technik. Tabelle 1 (A-C) gibt einen Überblick über die Freiheitsgrade für die Modulation dieser Wellenformen (die Modulationsparameter können unabhängig voneinander definiert werden). Es ist festzuhalten, dass abhängig von der zeitlichen Abfolge der fallenden und steigenden Spannungsflanken v^t) and v2(t) ebenfalls unterschiedlich geformte Zwischenkreisströme iL(t) ermöglicht werden, diese werden auch als «Switching Modes» oder Schalt modi des DAB-Wandlers bezeichnet. Die mögliche Anzahl an unterschiedlichen Switching Modes für einen DAB-Wandler steigt mit den vorhandenen Freiheitsgraden zur Modulation der Spannungs- und Stromwellenformen, und daher mit der Anzahl an verwendeten Vollbrücken im DAB-Wandler. In allen Realisierungen des Stands der Technik, wie in Fig. 1-4 gezeigt, ist ein bidirektionaler Leistungsfluss möglich und sind Ein- und Ausgangsseite galvanisch voneinander getrennt.A difference to the conventional implementation of DAB converters is thus in the different amplitudes and shapes of Quasirechtckspannungen v ^ t) and v2 (t), which can be generated by each active bridge and applied to the terminals of the AC intermediate circuit. By using a half-bridge configuration, an active bridge can produce a two-stage (+ VDc / 2 volt, -VDc / 2 volt) terminal voltage with a duty cycle (duty cycle or duty cycle) of 50% and an amplitude equal to half DC voltage across the corresponding bridge. By using a full-bridge configuration, an active bridge can produce a three-level (+ VDC volts, zero, -VDC volts) terminal voltage with a duty cycle <50% and an amplitude equal to the DC voltage across the corresponding bridge. Overall, multi-level quasi-rectangular voltages can thus be generated. It follows that the available degrees of freedom for voltage modulation v L (t), which act on the equivalent serial inductance, and consequently the available degrees of freedom for waveform shaping of the resulting DC link current increases with the number of full bridges used in the DAB converter. Moreover, in general, the DC link current decreases with the number of full bridges, since the terminal voltage amplitude generated by the full bridge is twice as large as the amplitude generated by a half bridge, and thus the current can be halved to achieve the same power transfer. Figures 6A-6C show some examples of typical voltage and current waveforms for three of the above-mentioned DAB converter implementations of the prior art. Table 1 (A-C) gives an overview of the degrees of freedom for the modulation of these waveforms (the modulation parameters can be defined independently of each other). It should be noted that depending on the time sequence of the falling and rising voltage edges v ^ t) and v2 (t) also differently shaped DC link currents iL (t) are possible, these are also called "switching modes" or switching modes of the DAB converter designated. The possible number of different switching modes for a DAB converter increases with the degrees of freedom available for the modulation of the voltage and current waveforms, and therefore with the number of full bridges used in the DAB converter. In all prior art implementations, as shown in FIGS. 1-4, bidirectional power flow is possible and input and output sides are galvanically isolated from each other.

Tabelle 1 Überblick über die Freiheitsgrade zur Modulation der Spannung vL(t) und zur Wellenformung des Zwischenkreisstroms für die in Fig. 6 gezeigten Beispiele [0011]Table 1 Overview of the degrees of freedom for modulation of the voltage vL (t) and for the waveform shaping of the DC link current for the examples shown in FIG. 6 [0011] FIG.

[0012] Insbesondere wird an der Eingangs- und/oder Ausgangsseite des DAB-Wandlers ein Brückenschaltkreis verwendet, welcher eine Quasirechteckspannung vx(t) mit zweifach moduliertem Einschaltzyklus (spannungsniveaumoduliert; z.B. eine Spannung mit fünf verschiedenen Spannungsniveaus) erzeugt (z.B. v'2(t) in Fig. 6D). Im Vergleich zur herkömmlichen Realisierung des DAB-Wandlers ergeben sich eine grössere Flexibilität und mehr Freiheitsgrade für die Modulation der Spannung vL(t), welche über die äquivalenten seriellen Induktivitäten entstehen, und daher auch für die Wellenformung des entstehenden Zwischenkreisstroms iL(t), sowie für das Erreichen der erhofften Regel- oder Steuerziele (z.B. minimale RMS-Werte des Wechselspannungszwischenkreisstroms und Soft-Switching-Betrieb). Durch die Verwendung eines fünfstufigen Brückenschaltkreises, wie in Fig. 8 gezeigt, wird es möglich • eine dreistufige Spannung vx(t) (+VDC/2 Volt, 0 Volt, -VDC/2 Volt) am Zwischenkreis zu erzeugen, mit einem Tastverhältnis < 50% und einer Amplitude entsprechend der halben Brückenspannung, • eine dreistufige Spannung vx(t) (+VDC Volt, 0 Volt, -VD2 Volt) am Zwischenkreis zu erzeugen, mit einem Tastverhältnis < 50% und einer Amplitude gleich der Brückenspannung, • oder eine beliebige Kombination dieser Spannungen.In particular, a bridge circuit is used at the input and / or output side of the DAB converter which generates a quasi-rectangular voltage vx (t) with a doubly modulated duty cycle (voltage level modulated, eg a voltage with five different voltage levels) (eg v'2 ( t) in Fig. 6D). In comparison to the conventional implementation of the DAB converter, greater flexibility and more degrees of freedom result for the modulation of the voltage vL (t), which arise over the equivalent series inductances, and therefore also for the wave shaping of the resulting DC link current iL (t), as well for achieving the expected control or control goals (eg minimum RMS values of the AC link current and soft-switching operation). By using a five-stage bridge circuit as shown in Fig. 8, it becomes possible to produce • a three-level voltage vx (t) (+ VDC / 2 volts, 0 volts, -VDC / 2 volts) on the DC link, with a duty ratio < 50% and an amplitude corresponding to half the bridge voltage, • to generate a three-level voltage vx (t) (+ VDC volts, 0 volts, -VD2 volts) at the DC link, with a duty factor <50% and an amplitude equal to the bridge voltage, • or any combination of these voltages.

[0013] Dadurch wird es möglich, an den entsprechenden Zwischenkreisanschlüssen des DAB-Wandlers eine fünfstufige (+VDC Volt, + Vdc/2 Volt, 0 Volt, -VDC/2 Volt, -VDC Volt) bezüglich der Einschaltdauer zweifach modulierte Spannung vx(t) bereitzustellen.This makes it possible, at the corresponding intermediate circuit terminals of the DAB converter a five-stage (+ VDC volt, + Vdc / 2 volts, 0 volts, -VDC / 2 volts, -VDC volts) with respect to the duty twice doubly modulated voltage vx ( t).

[0014] Bei der Verwendung von fünfstufigen Brückenschaltkreisen auf der Eingangs- sowie der Ausgangsseite des Wandlers beträgt der Gesamtfreiheitsgrad zur Spannungsmodulierung vL(t), welche über der äquivalenten seriellen Induktivität Leq erscheint, und damit zur Wellenformung des entstehenden Wechselspannungszwischenkreisstroms iL(t), sieben, wohingegen bei der Verwendung von zwei Vollbrücken der Freiheitsgrad drei beträgt. Daher steigt die Flexibilität für das Erreichen der angestrebten Steuerziele (z.B. minimale RMS-Werte des Wechselspannungszwischenkreisstroms ohne Überschreitung der Soft-Switching-Grenzen) beachtlich und erlaubt einen effizienteren Betrieb des Wandlers, insbesondere falls ein grosser Betriebsspannungsbereich des Wandlers mit Soft-Switching erforderlich ist (z.B. ein Gleichspannungseingang im Bereich von 0 V bis 400 V). Beispielsweise lassen sich die Spannungen am Eingang und/oder Ausgang in einem Bereich von theoretisch 0% bis 100% der jeweiligen Maximalspannung variieren, praktisch in einem Bereich von beispielsweise 5% oder 10% bis 100%. Da der fünfstufige Brückenschaltkreis jede Kombination der dreistufigen und zweistufigen Anschlussspannungen bereitstellen kann, wird diese Art von Brückenschaltung im Folgenden auch als Zweistufig-Dreistufig (Two-Level - Three-Level; 2L3L) hybride aktive Brücke bezeichnet, oder als hybride aktive Brücke mit gemischtem Niveau. Ein DAB-Wandler, der diese hybride Brücke an der Eingangs- und/oder Ausgangsseite aufweist, wird im Folgenden als Hybrider Dualer Aktiver Brückenwandler («Hybrid-Dual-Active-Bridge-Converter», HDAB-Wandler) bezeichnet.When using five-stage bridge circuits on the input and the output side of the converter, the total degree of freedom for voltage modulation vL (t), which appears above the equivalent series inductance Leq, and thus for waveform shaping of the resulting AC intermediate circuit current iL (t), seven whereas with the use of two full bridges, the degree of freedom is three. Therefore, the flexibility to achieve the desired control goals (eg minimum RMS values of the AC link current without exceeding the soft-switching limits) increases remarkably and allows a more efficient operation of the converter, especially if a large operating voltage range of the converter with soft-switching is required ( eg a DC voltage input in the range of 0 V to 400 V). For example, the voltages at the input and / or output can be varied in a range of theoretically 0% to 100% of the respective maximum voltage, practically in a range of, for example, 5% or 10% to 100%. Since the five-stage bridge circuit can provide any combination of three-level and two-level terminal voltages, this type of bridge circuit will also be referred to as a two-level (three-level; 2L3L) hybrid active bridge, or as a mixed-level hybrid active bridge , A DAB converter which has this hybrid bridge on the input and / or output side is referred to below as Hybrid Dual Active Bridge Converter (HDAB converter).

[0015] Gemäss einer Ausführungsform weisen die mehrstufige Brückenschaltung respektive die mehrstufigen Brückenschaltungen jeweils einen ersten Brückenzweig zum wahlweisen Verbinden eines ersten Anschlusses (Q) des Wech-selspannungszwischenkreises mit einem positiven oder einem negativen Gleichspannungsanschluss auf, einen zweiten Brückenzweig zum wahlweisen Verbinden eines zweiten Anschlusses (P) des Wechselspannungszwischenkreises mit dem positiven oder dem negativen Gleichspannungsanschluss, und mindestens einen weiteren Pfad zur ein- und ausschaltbaren Verbindung eines der Anschlüsse des Wechselspannungszwischenkreises mit einem Anschluss (Y) mit Spannung Null.According to one embodiment, the multi-stage bridge circuit or the multi-stage bridge circuits each have a first bridge branch for selectively connecting a first terminal (Q) of the alternating voltage intermediate circuit with a positive or a negative DC voltage terminal, a second bridge branch for selectively connecting a second terminal ( P) of the AC intermediate circuit with the positive or negative DC voltage terminal, and at least one further path for switching on and off one of the terminals of the AC intermediate circuit to a terminal (Y) with zero voltage.

[0016] Dieser Anschluss mit Spannung Null ist beispielsweise ein künstlicher Mittelpunkt zwischen dem entsprechenden positiven und negativen Gleichspannungsanschluss. Er kann mit einem kapazitiven Spannungsteiler erzeugt werden. Ein solcher weiterer Pfad kann als Teil eines Brückenzweiges betrachtet werden.This zero voltage terminal is, for example, an artificial center between the corresponding positive and negative DC voltage terminals. It can be generated with a capacitive voltage divider. Such another path may be considered part of a bridge branch.

[0017] Gemäss einer Ausführungsform sind mindestens eine der beiden Brückenschaltungen, sowie eine Steuerung des Umrichters, für «Soft-Switching» zur Reduktion von Schaltverlusten ausgelegt.According to one embodiment, at least one of the two bridge circuits, as well as a control of the inverter, designed for «soft switching» to reduce switching losses.

[0018] Gemäss einer Ausführungsform weist der Brückenumrichter eine Steuerung auf, welche dazu ausgelegt ist, für jede der an einer oder beiden Seiten des Wechselspannungszwischenkreises angelegten Spannungen sowohl einen Einschaltzeitpunkt als auch einen Ausschaltzeitpunkt zu variieren (als Ausschaltzeitpunkt kann der Zeitpunkt des Umschaltens auf eine andere Spannung verstanden werden). Damit kann an einer oder beiden Seiten des Wechselspannungszwi-schenkreises jeweils ein zweifach modulierter Einschaltzyklus realisiert werden, insbesondere mit einer Modulation von Spannungsniveaus, z.B. eine Spannung mit fünf verschiedenen Spannungsniveaus.According to one embodiment, the bridge converter has a controller which is designed to vary both a switch-on time and a switch-off time for each of the voltages applied to one or both sides of the AC intermediate circuit (the switch-off time may be the time of switching to another Tension to be understood). In this way, a doubly modulated duty cycle can be realized on one or both sides of the alternating voltage intermediate circuit, in particular with a modulation of voltage levels, e.g. a voltage with five different voltage levels.

[0019] Die erhöhte Flexibilität des HDAB-Wandlers, in Bezug auf die Spannungsmodulation vL(t), welche über die äquivalente serielle Induktivität auftritt (und daher für die Wellenformung des resultierenden Wechselspannungszwischenkreiss-troms iL(t) zur Verfügung steht) und in Bezug auf die Erreichung der vorgegebenen Ziele der Ansteuerung, bietet im Vergleich zum traditionellen DAB-Wandler bei einer typischen Anwendung dieser Art von Wandlern keine Vorteile: Bislang werden DAB-Wandler typischerweise als isolierte DC/DC-Wandler mit einem relativ schmalen Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich eingesetzt, wobei die Wandlung sehr effizient erfüllt werden kann, und mit dem HDAB-Wandler keine deutliche/erhebliche Verbesserung erreicht werden kann. Daher gab es für die Benutzer des DAB-Wandlers keinen unmittelbaren Bedarf einer aktiven Suche nach weiteren Schaltkreisverbesserungen.The increased flexibility of the HDAB converter with respect to the voltage modulation v L (t) that occurs across the equivalent series inductance (and therefore is available for the waveform shaping of the resulting AC intermediate circuit current i L (t)) and with respect to FIG achieving the given targets of the drive does not offer any advantages compared to the traditional DAB converter in a typical application of this type of converter: So far, DAB converters are typically used as isolated DC / DC converters with a relatively narrow input and output voltage range , where the conversion can be met very efficiently, and with the HDAB converter no significant / significant improvement can be achieved. Therefore, there was no immediate need for DAB converter users to actively seek further circuit improvements.

[0020] Durch die Einführung des HDAB-Wandlers ist nun eine Erweiterung des Anwendungsbereiches möglich. Insbesondere kann eine Wandlung, bei welcher sehr grosse Eingangs- und/oder Ausgangsspannungsbereiche benötigt werden, nun mit einer sehr hohen Effizienz und grosser Leistungsdichte durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein HDAB-Wandler in Serie mit einem synchronen Gleichrichter verwendet werden, wobei nur eine kleine hochfrequenzfilternde Kapazität dazwischengeschaltet ist. Dadurch wird ein einstufiger, isolierter, bidirektionaler Wechselspannungs-Gleich-spannungswandler mit Leistungsfaktor eins realisiert, der eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Einstufige «Solid State Transformatoren» können in ähnlicherWeise realisiert werden.Through the introduction of the HDAB converter now an extension of the scope is possible. In particular, a conversion in which very large input and / or output voltage ranges are required can now be carried out with a very high efficiency and high power density. For example, an HDAB converter may be used in series with a synchronous rectifier with only a small high frequency filtering capacitance interposed therebetween. This realizes a single-stage, one-way, one-way, one-way, one-way, single-factor, unity-voltage AC voltage-DC converter having high power density and high efficiency. Single stage solid state transformers can be implemented in a similar way.

[0021] In dem Verfahren zum Betrieb einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung eines Steuerverfahrens zur Ansteuerung eines HDAB-Brückenumrichters werden durch die Datenverarbeitungseinrichtung die folgenden Schritte ausgeführt: • Erfassen von Parametern des Brückenumrichters; • Erfassen von Randbedingungen zum Betrieb des Brückenumrichters nach Massgabe eines Betriebsmodus des Brückenumrichters; • Erfassen einer Zielfunktion; und • Bestimmen eines optimalen Steuerverfahrens durch Optimieren der Zielfunktion unter Erfüllung der Randbedingungen und unter Variation von Modulationsparametern, welche Schaltzeitpunkte definieren, an denen die beiden Brückenschaltungen zwischen den jeweils zur Verfügung stehenden Gleichspannungen umschalten.In the method for operating an electronic data processing device for determining a control method for driving a HDAB bridge converter, the following steps are carried out by the data processing device: • Detecting parameters of the bridge converter; • detecting boundary conditions for operation of the bridge inverter according to a mode of operation of the bridge inverter; • detecting a target function; and determining an optimal control method by optimizing the objective function while satisfying the boundary conditions and modulating modulation parameters that define switching times at which the two bridge circuits switch between the respectively available DC voltages.

[0022] Das Optimieren der Zielfunktion kann ein Maximieren oder Minimieren beinhalten, je nach Definition der Zielfunktion.Optimizing the objective function may involve maximizing or minimizing, depending on the definition of the objective function.

[0023] Ein Betriebsmodus spezifiziert dabei, mit welcher Sequenz von Schaltvorgängen die zu erzeugende quasirechteckförmige respektive treppenförmige Wechselspannung mit der jeweiligen Brückenschaltung realisiert wird: je nach Topologie der Brückenschaltung kann dies auf unterschiedliche Weise geschehen.An operating mode specifies with which sequence of switching operations the quasi-rectangular or stepped alternating voltage to be generated is realized with the respective bridge circuit: depending on the topology of the bridge circuit, this can be done in different ways.

[0024] In einer Variante des Verfahrens geschieht • ein Wiederholen der Schritte «Erfassen von Randbedingungen», «Erfassen einer Zielfunktion» und «Bestimmen eines optimalen Steuerverfahrens» für verschiedene Betriebsmodi, • ein Vergleich der optimierten Werte der Zielfunktion für die verschiedenen Betriebsmodi und • eine Auswahl desjenigen Betriebsmodus, welcher den besten Wert der Zielfunktion liefert, sowie des optimalen Steuerverfahrens für diesen Betriebsmodus.In a variant of the method, a repetition of the steps "detecting boundary conditions", "detecting a target function" and "determining an optimal control method" for different operating modes, • comparing the optimized values of the target function for the different operating modes and • a selection of the operating mode that provides the best value of the objective function and the optimal control method for that mode of operation.

[0025] Der beste Wert kann ein grösster oder kleinster Wert sein, je nachdem, ob das Ziel der Optimierung die Maximierung oder die Minimierung der Zielfunktion war.The best value may be a largest or smallest value, depending on whether the goal of the optimization was to maximize or minimize the objective function.

[0026] In einer Variante des Verfahrens weist der Schritt des Erfassens der Randbedingungen das Erfassen einer oder mehrerer der folgenden Randbedingungen auf: • Abhängigkeit von Ein- und Ausgangsströmen respektive Zwischenkreisströmen und/oder von Ein- und Ausgangsleistungen respektive in den Zwischenkreis fliessenden Leistungen von den Modulationsparametern; • Physikalische Grenzen der Modulationsparameter; • durch den Betriebsmodus bestimmte Grenzen der Modulationsparameter; und • aus Anforderungen von Soft-Switching stammende Randbedingungen an die Modulationsparameter.In a variant of the method, the step of detecting the boundary conditions on the detection of one or more of the following boundary conditions: • Dependency of input and output currents respectively DC link currents and / or input and output power respectively in the DC-link power from the modulation parameters; • Physical limits of the modulation parameters; • the operating mode limits certain modulation parameters; and • constraints imposed by soft-switching requirements on the modulation parameters.

[0027] In einer Variante des Verfahrens weist der Schritt des Erfassens der Zielfunktion das Erfassen mindestens einer der folgenden Grössen als Anteil der Zielfunktion auf: • RMS-Wert eines Zwischenkreisstromes; und • Schaltverluste.In a variant of the method, the step of detecting the target function comprises detecting at least one of the following variables as a proportion of the target function: RMS value of a DC link current; and • switching losses.

[0028] Unter «Erfassen» kann verstanden werden, dass Gleichungen zur Berechnung einer Grösse in maschinenlesbarer Form eingelesen werden und dadurch durch das computerimplementierte Optimierungsverfahren verarbeitbar sind. Ausgabegrösse des Optimierungsverfahrens sind die Modulationsparameter für die optimale Lösung und/oder entsprechende Schaltzeitpunkte.By "capture" it can be understood that equations for calculating a variable are read in machine-readable form and thereby processable by the computer-implemented optimization method. Output variables of the optimization process are the modulation parameters for the optimal solution and / or corresponding switching times.

[0029] In einer Variante des Verfahrens variiert der Schritt des Bestimmens des optimalen Steuerverfahrens für mindestens eine der beiden Brückenschaltungen mindestens die folgenden Modulationsparameter: • Phasenverschiebung φ-ι eines ersten Zeitabschnittes, während dem die von der Brückenschaltung an den Zwischenkreis angelegte Spannung gleich oder höher einer ersten Spannungsstufe ist, gegenüber dem periodischen Verlauf der Spannung der jeweils anderen Brückenschaltung; • Phasenverschiebung φ2 eines zweiten Zeitabschnittes, während dem die von der Brückenschaltung an den Zwischenkreis angelegte Spannung gleich oder höher einer zweiten Spannungsstufe ist, gegenüber dem periodischen Verlauf der Spannung der jeweils anderen Brückenschaltung; • Dauer des ersten Zeitabschnittes; und • Dauer des zweiten Zeitabschnittes.In a variant of the method, the step of determining the optimal control method for at least one of the two bridge circuits varies at least the following modulation parameters: Phase shift φ-ι of a first period during which the voltage applied by the bridge circuit to the intermediate circuit is equal to or higher a first voltage level is compared with the periodic curve of the voltage of the other bridge circuit; Phase shift φ2 of a second time period during which the voltage applied by the bridge circuit to the intermediate circuit is equal to or higher than a second voltage stage compared to the periodic profile of the voltage of the respective other bridge circuit; • Duration of the first period of time; and • duration of the second period of time.

[0030] Die Schaltzeitpunkte sind durch diese Parameter eindeutig bestimmt und umgekehrt. Die Optimierung dieser Parameter entspricht also auch einer Optimierung durch Variation der Schaltzeitpunkte. Gemäss einer Variante des Verfahrens wird auch die Schaltfrequenz bei der Optimierung variiert.The switching times are uniquely determined by these parameters and vice versa. The optimization of these parameters thus also corresponds to an optimization by varying the switching times. According to a variant of the method, the switching frequency is also varied during the optimization.

[0031] Das Datenverarbeitungssystem zur Bestimmung des Steuerverfahrens weist Speichermittel mit darin gespeicherten Computerprogrammcodemitteln auf, welche ein Computerprogramm beschreiben, und Datenverarbeitungsmittel zur Ausführung des Computerprogramms, wobei die Ausführung des Computerprogramms zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung führt.The data processing system for determining the control method comprises storage means with computer program code means stored therein, which describe a computer program, and data processing means for executing the computer program, the execution of the computer program for carrying out the method according to the invention.

[0032] Das Computerprogramm zur Bestimmung des Steuerverfahrens ist in einen internen Speicher einer digitalen Datenverarbeitungseinheit ladbar und weist Computerprogrammcodemittel auf, welche, wenn sie in einer digitalen Datenverarbeitungseinheit ausgeführt werden, diese zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens bringen. In einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Computerprogrammprodukt einen Datenträger respektive ein computerlesbares Medium auf, auf welchem die Computerprogrammcodemittel gespeichert sind.The computer program for determining the control method can be loaded into an internal memory of a digital data processing unit and has computer program code means which, when executed in a digital data processing unit, bring them to execution of the inventive method. In one embodiment of the invention, a computer program product comprises a data carrier or a computer-readable medium on which the computer program code means are stored.

[0033] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:In the following, the subject invention based on embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. Each show schematically:

Fig. 1 Halbbrücken-Halbbrücken-Realisierung eines DAB-Wandlers gemäss dem Stand der Technik;Fig. 1 half-bridge half-bridge realization of a DAB converter according to the prior art;

Fig. 2 Halbbrücken-Vollbrücken-Realisierung eines DAB-Wandlers gemäss dem Stand der Technik;Fig. 2 half bridge full bridge implementation of a DAB converter according to the prior art;

Fig. 3 Vollbrücken-Halbbrücken-Realisierung eines DAB-Wandlers gemäss dem Stand der Technik;Fig. 3 full bridge half-bridge realization of a DAB converter according to the prior art;

Fig. 4 Vollbrücken-Vollbrücken-Realisierung eines DAB-Wandlers gemäss dem Stand der Technik;Fig. 4 full bridge full bridge realization of a DAB converter according to the prior art;

Fig. 5 Vereinfachte Darstellung eines hochfrequenten Wechselspannungszwischenkreises durch eine äquivalente serielle Induktivität Leq. Die Schaltkreiselemente, die Spannungen und die Ströme beziehen sich auf die Eingangsseite;Fig. 5 Simplified representation of a high-frequency AC voltage intermediate circuit by an equivalent series inductance Leq. The circuit elements, the voltages and the currents refer to the input side;

Fig. 6 Beispiele für typische Spannrings- und Stromwellenformen für A: eine, wie in Fig. 1 gezeigte, Halbbrücken-Halbbrücken-Realisierung eines DAB-Wandlers, B: eine, wie in Fig. 2 gezeigte, Halbbrücken-Vollbrücken-Realisierung eines DAB-Wandlers, C: eine, wie in Fig. 4 gezeigte Vollbrücken-Vollbrücken-Realisierung eines DAB-Wandlers, und D: eine, wie in Fig. 9 gezeigte, Vollbrücken-hybride Brücke-Realisierung eines DAB-Wandlers;Fig. 6 shows examples of typical strapping and current waveforms for A: a half-bridge half-bridge implementation of a DAB converter as shown in Fig. 1, B: a half-bridge full-bridge implementation of a DAB as shown in Fig. 2 Converter, C: a full bridge full bridge implementation of a DAB converter as shown in Fig. 4, and D: a full bridge hybrid bridge implementation of a DAB converter as shown in Fig. 9;

Fig. 7 Darstellung eines aktiven Schaltelements Sx (A). Beispiel eines Brückenzweiges (B).Fig. 7 representation of an active switching element Sx (A). Example of a bridge branch (B).

Fig. 8 Drei mögliche Realisierungen einer hybriden Brückenschaltung zur Verwendung in einem hybriden dualen aktiven Brückenwandler. Die hybride Brückenschaltung kann an der Eingangs- und/oder der Ausgangsseite angeordnet sein, hier ist beispielhaft eine Ausgangsseite gezeigt;Fig. 8 Three possible implementations of a hybrid bridge circuit for use in a hybrid dual active bridge converter. The hybrid bridge circuit may be arranged on the input side and / or the output side, here an output side is shown by way of example;

Fig. 9 Beispiel für eine mögliche Realisierung eines HDAB-Wandlers mit einer Vollbrücke am Eingang und einer hybriden aktiven Brücke am Ausgang;9 shows a possible realization of an HDAB converter with a full bridge at the input and a hybrid active bridge at the output;

Fig. 10 Alternative Realisierungen eines Brückzweiges in einer hybriden aktiven Brücke zur Verwendung im HDAB-Wandler;10 shows alternative implementations of a bridge branch in a hybrid active bridge for use in the HDAB converter;

Fig. 11 Überblick über das Verfahren zum Bestimmen eines Steuerverfahrens für beide aktiven Brücken eines HDAB-Wandlers;11 shows an overview of the method for determining a control method for both active bridges of an HDAB converter;

Fig. 12 Resultierende Spannungs- und Stromverläufe zum Vergleich: Fig. 12A für einen Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandler gemäss Fig. 4, Fig. 12B für einen HDAB-Wandler gemäss Fig. 9;Fig. 12 Resultant voltage and current waveforms for comparison: Fig. 12A for a full-bridge full-bridge DAB converter according to Fig. 4, Fig. 12B for a HDAB converter according to Fig. 9;

Fig. 13 Resultierende Spannungs- und Stromverläufe für einen HDAB-Wandler mit einer Vollbrücke am Eingang und einer hybriden aktiven Brücke gemäss Fig. 8A (oder auch 8C) am Ausgang; undFIG. 13 Resulting voltage and current waveforms for an HDAB converter with a full bridge at the input and a hybrid active bridge according to FIG. 8A (or also FIG. 8C) at the output; and

Fig. 14 Resultierende Spannungs- und Stromverläufe für einen FIDAB-Wandler mit einer Vollbrücke am Eingang und einer hybriden aktiven Brücke gemäss Fig. 8C (oder auch 8A oder 8B) am Ausgang.Fig. 14 Resultant voltage and current waveforms for a FIDAB converter with a full bridge at the input and a hybrid active bridge according to Fig. 8C (or 8A or 8B) at the output.

[0034] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder analoge Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In einigen der Figuren ist sowohl eine Darstellung mit Ersatzschaltbildern der aktiven Schaltelemente als auch eine vereinfachte Darstellung mit Schaltern anstelle der aktiven Schaltelemente angegeben.Basically, the same or analogous parts are provided with the same reference numerals in the figures. In some of the figures, both a representation with equivalent circuits of the active switching elements and a simplified representation with switches instead of the active switching elements are given.

[0035] Fig. 8 zeigt drei mögliche Realisierungen eines hybriden Brückenschaltkreises zur Verwendung in einem HDAB-Wandler. Es sei angemerkt, dass die in diesem Beispiel gezeigten aktiven Schaltelemente Metall-Oxid-Halbleiter-Feldef-fekttransistoren (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, MOSFETs) sind, diese können jedoch durch jegliche herkömmlich verwendeten Schaltelemente mit gategesteuerter Abschaltfähigkeit realisiert werden. Es sei ebenfalls erwähnt, dass die Brückenschaltkreise in diesem Beispiel willkürlich an der Ausgangsseite des HDAB-Wandlers angeordnet sind. Analog kann also auch der Brückenschaltkreis nur an der Eingangsseite und sowohl an der Eingangsseite wie an der Ausgangsseite des HDAB-Wandlers angeordnet sein. Gemäss Fig. 8A kann eine dreistufige (+VDc Volt, 0 Volt, -VDc Volt) Anschlussspannung v2(t) mit < 50% Tastverhältnis und mit einer Amplitude entsprechendend der Gleichspannung VDC2 der Brücke bereitgestellt werden, indem die Schalter S21-S24 zum Erzeugen der Spannung v2(t)=+ VDC Volt sowie die Schalter S22-S23 zum Erzeugen der Spannung v2(t)= -VDC Volt betrieben werden. Zum Erzeugen einer Spannung von v2(t)=0 Volt befinden sich die Schalter S21 - S23 oder die Schalter S22-S24 im leitenden Zustand. Die Schalter S25 und S26 sind immer im nicht-leitenden Zustand. Eine dreistufige (VDc/2 Volt, 0 Volt, -VDC/2 Volt) Anschlussspannung v2(t) mit < 50% Tastverhältnis kann mit einer Amplitude entsprechend der halben Gleichspannung VDc2/2 der Brücke bereitgestellt werden, indem die Schalter S21-S25-S26 zum Erzeugen der Spannung v2(t)=+VDC/2 Volt sowie die Schalter S22- S25- S26 zum Erzeugen der Spannung v2(t)=-VDC/2 Volt betrieben werden. Die Schalter S23 und S24 sind im nicht-leitenden Zustand. Zum Erzeugen einer Spannung von v2(t)=0 Volt befinden sich die Schalter S21-S23, oder die Schalter S22-S24 im leitenden Zustand, wobei die anderen Schalter im nicht-leitenden Zustand sind. Demzufolge kann jede Kombination der zweistufigen und dreistufigen Spannungen (beispielsweise eine fünfstufige, bezüglich des Tastverhältnisses zweifach modulierte Anschlussspannung v2(t)) an den Wechselspannungszwischenkreisanschlüssen des Fl DAB-Wandlers, durch Betreiben der entsprechenden Schalter, bereitgestellt werden. Die in den Fig. 8B und 8C gezeigten Brückenschaltkreise können in analoger Weise betrieben werden.Fig. 8 shows three possible implementations of a hybrid bridge circuit for use in a HDAB converter. It should be noted that the active circuit elements shown in this example are Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs), but these can be realized by any conventionally used gated-shutoff switching elements. It should also be noted that the bridge circuits in this example are arranged arbitrarily on the output side of the HDAB converter. Similarly, therefore, the bridge circuit can be arranged only on the input side and both on the input side as on the output side of the HDAB converter. Referring to Fig. 8A, a three-stage (+ VDc volts, 0 volts, -VDc volts) terminal voltage v2 (t) with <50% duty cycle and with an amplitude corresponding to the DC voltage VDC2 of the bridge may be provided by the switches S21-S24 for generating the voltage v2 (t) = + VDC volts and the switches S22-S23 are operated to generate the voltage v2 (t) = -VDC volts. For generating a voltage of v2 (t) = 0 volts, the switches S21-S23 or the switches S22-S24 are in the conducting state. The switches S25 and S26 are always in the non-conductive state. A three-stage (VDc / 2 volts, 0 volts, -VDC / 2 volts) terminal voltage v2 (t) <50% duty cycle can be provided with an amplitude equal to half the DC voltage VDc2 / 2 of the bridge by using the switches S21-S25- S26 for generating the voltage v2 (t) = + VDC / 2 volts and the switches S22- S25- S26 are operated to generate the voltage v2 (t) = - VDC / 2 volts. The switches S23 and S24 are in the non-conductive state. For generating a voltage of v2 (t) = 0 volts, the switches S21-S23 or the switches S22-S24 are in the conducting state, the other switches being in the non-conducting state. Accordingly, any combination of the two-level and three-level voltages (eg, a five-level duty cycle dual-modulated terminal voltage v2 (t)) can be provided to the AC intermediate terminal terminals of the Fl DAB converter by operating the corresponding switches. The bridge circuits shown in Figs. 8B and 8C can be operated in an analogous manner.

[0036] Fig. 9 zeigt eine erste Umsetzung des HDAB-Wandlers, wobei eine Vollbrücke an der Eingangsseite des Wandlers und eine hybride aktive Brücke auf der Ausgangsseite des Wandlers angeordnet ist. Fig. 6D zeigt ein Beispiel typischer Spannungs- und Stromwellenformen für eine solche Umsetzung des HDAB-Wandlers. Die Freiheitsgrade für die Modulierung dieser Spannungs- und Stromwellenformen sind in Tabelle 1 angegeben. Es sei angemerkt, dass in Abhängigkeit der zeitlichen Abfolge der fallenden und steigenden Spannungsflanken v^t) and v2(t) ebenfalls unterschiedlich geformte Wechselspannungszwischenkreisströme möglich sind, diese werden auch als Schaltmodi («Switching Modes») des HDAB-Wandlers bezeichnet. Es ist festzustellen, dass die Freiheitsgrade von drei auf fünf zunehmen, wenn die Ausgangsgansbrücke des Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandlers (Fig. 4) durch eine hybride aktive Brücke ersetzt wird. Die Freiheitsgrade stehen zur Modulation der Spannung V|_(t), welche über die äquivalente serielle Induktivität wirkt, und daher zur Wellenformung des entsprechenden Wechselspannungszwischenkreisstroms iL(t) zur Verfügung. Die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade nehmen auf sieben zu, falls die beiden Brücken des Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandlers (Fig. 4) jeweils durch eine hybride aktive Brücke ersetzt werden. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die Schaltelemente, welche im Laufe der verschiedenen Zeitintervalle in einer halben Schaltperiode (JJ2) aktiviert werden, um die in Fig. 6D (HDAB-Wandler mit einer Vollbrücke auf der Eingangsseite und einer aktiven Mischbrücke auf der Ausgangsseite, wie in Fig. 9 dargestellt) gezeigten Wellenformen zu erzeugen. Es sei daran erinnert, dass die in Fig. 6D gezeigten Wellenformen nur einen einzigen Betriebsmodus des HDAB-Wandlerbetriebs repräsentieren, welcher Fig. 9 entspricht.Fig. 9 shows a first implementation of the HDAB converter, wherein a full bridge is arranged on the input side of the converter and a hybrid active bridge on the output side of the converter. Fig. 6D shows an example of typical voltage and current waveforms for such a conversion of the HDAB converter. The degrees of freedom for the modulation of these voltage and current waveforms are given in Table 1. It should be noted that, depending on the time sequence of the falling and rising voltage edges v t and v 2 t also differently shaped AC intermediate circuit currents are possible, these are also referred to as switching modes ("switching modes") of the HDAB converter. It should be noted that the degrees of freedom increase from three to five when the output bridge of the full-bridge full-bridge DAB converter (Figure 4) is replaced by a hybrid active bridge. The degrees of freedom are available for modulating the voltage V | _ (t) acting across the equivalent series inductance and therefore for waveform shaping the corresponding AC intermediate circuit current iL (t). The available degrees of freedom increase to seven if the two bridges of the full bridge full-bridge DAB converter (Figure 4) are each replaced by a hybrid active bridge. Table 2 gives an overview of the switching elements which are activated in the course of the different time intervals in half a switching period (JJ2) to those in Fig. 6D (HDAB converter with a full bridge on the input side and an active mixing bridge on the output side, such as shown in Fig. 9). It is recalled that the waveforms shown in FIG. 6D represent only a single mode of operation of the HDAB converter operation, which corresponds to FIG. 9.

[0037] Tabelle 2 zeigt Zeitintervalle einer halben Schaltperiode (Ts/2) und die Schaltelemente, welche während der entsprechenden Zeitintervalle zur Wellenformung wie in Fig. 6D (HDAB-Wandler mit einer Vollbrücke auf der Eingangsseite und einer aktiven Mischbrücke auf der Ausgangsseite, wie in Fig. 9 dargestellt) aktiv sind [0038]Table 2 shows time intervals of half a switching period (Ts / 2) and the switching elements which during the corresponding time intervals for wave shaping as in Fig. 6D (HDAB converter with a full bridge on the input side and an active mixing bridge on the output side, such as shown in Fig. 9) are active [0038]

[0039] Bemerkungen: 1. Die Schalter S25, S26, S27, und S28 (Fig. 8A-8C) müssen nur für die halbe Gleichspannung VDc2/2 ausgelegt sein und werden im Weiteren auch als Tiefspannungs- oder Niederspannungsschaltelemente bezeichnet. Dadurch wird es möglich, Schaltelemente mit besseren Schalteigenschaften und einem niedrigen Widerstand im eingeschalteten Zustand zu verwenden. Die Schaltelemente S21, S22, S23, und S24 müssen im Gegensatz dazu der gesamten Gleichspannung VDC2 standhalten und werden daher auch als Hochspannungsschaltelemente bezeichnet. 2. Aus Tabelle 2 ist zu erkennen, dass die Einschaltelemente, welche während eines jeden Zeitintervalls aktiv sind, immer eine Kombination aus zwei Hochspannungsschaltelementen oder aus einem Hochspannungsschaltelement und zwei Niederspannungsschaltelementen sind. Beide Kombinationen weisen die im Wesentlichen gleiche Performance auf. 3. Alternativ kann der Brückenzweig S23-S24-S25-S26 von Fig. 10A durch den Brückenzweig S23—S24—S25—S26—D2-i—D22 von Fig. 10B ersetzt werden. In diesem Fall müssen die Schalter S23 und S24 nur für den halben Gleichspannungsstrom VDc2/2 ausgelegt sein, wodurch Niederspannungsschaltelemente verwendet werden können. Wenn jeder Brückenzweig der hybriden aktiven Brücke auf diese Weise ersetzt wird, kann die Gleichspannung der Brücke doppelt so gross sein wie die Spannung, für welche die in der Brücke verwendeten Schaltelemente ausgelegt sind. Dies macht den HDAB-Wandler geeignet für Mittel- oder Hochspannungsanwendungen (heutzutage ist es schwierig, einen einzelnen Leistungshalbleiterschalter direkt mit einem Mittelspannungsnetz zu verbinden.) Darüber hinaus erhöht dieses Merkmal den Leistungsfluss der Brücke für ein gegebenes Leistungshalbleiterelement signifikant. Die Dioden D21-D22 müssen ebenfalls für die halbe Gleichspannung Voca/2 ausgelegt sein und können beispielsweise als Hochleistungs-Siliconkarbid-Dioden realisiert werden. 4. In einer weiteren Alternative kann der Brückenzweig S23-S24-S25-S26 aus Fig. 10A durch einen der in Fig. 10C gezeigten Brückenzweige (bekannt aus dem Vienna-Gleichrichter) ersetzt werden. Dies ist zulässig, wenn ein Leistungsfluss nur in einer Richtung benötigt wird.Notes: 1. The switches S25, S26, S27, and S28 (Figures 8A-8C) need only be designed for half the DC voltage VDc2 / 2 and will be referred to hereinafter as low voltage or low voltage switching elements. This makes it possible to use switching elements with better switching characteristics and a low resistance in the on state. In contrast, the switching elements S21, S22, S23, and S24 must withstand the entire DC voltage VDC2, and are therefore also referred to as high-voltage switching elements. 2. It can be seen from Table 2 that the turn-on elements that are active during each time interval are always a combination of two high-voltage switching elements or one high-voltage switching element and two low-voltage switching elements. Both combinations have essentially the same performance. 3. Alternatively, the bridge branch S23-S24-S25-S26 of Fig. 10A may be replaced by the bridge branch S23-S24-S25-S26-D2-i-D22 of Fig. 10B. In this case, the switches S23 and S24 need only be designed for half the DC power VDc2 / 2, whereby low-voltage switching elements can be used. If each bridge branch of the hybrid active bridge is replaced in this way, the DC voltage of the bridge can be twice as large as the voltage for which the switching elements used in the bridge are designed. This makes the HDAB converter suitable for medium or high voltage applications (nowadays, it is difficult to connect a single power semiconductor switch directly to a medium voltage network.) In addition, this feature significantly increases the power flow of the bridge for a given power semiconductor element. The diodes D21-D22 must also be designed for half the DC voltage Voca / 2 and can be realized for example as high-performance silicon carbide diodes. 4. In another alternative, the bridge branch S23-S24-S25-S26 of FIG. 10A may be replaced by one of the bridge branches (known from the Vienna Rectifier) shown in FIG. 10C. This is permissible if a power flow is only required in one direction.

Verfahren für die Bestimmung eines Steuerverfahrens zum Betrieb beider aktiven Brücken des HDAB-Wandlers [0040] Die Vorrichtung weist also mindestens einen hybriden aktiven Brückeschaltkreis an der Eingangs- und/oder Ausgangsseite des DAB-Wandlers auf, wodurch ein HDAB-Wandler (Hybrid-Dual-Active-Bridge-Wandler) verwirklicht wird. Anschliessend wird ein Verfahren für die Bestimmung eines Verfahrens zum Betrieb der beiden aktiven Brücken des HDAB-Wandlers beschrieben: [0041] Dieses Verfahren ist allgemein anwendbar, wobei die Allgemeinheit in ihrer Unabhängigkeit von der Realisierungsweise des HDAB-Wandlers begründet liegt. Mögliche Realisierungen des HDAB-Wandlers sind (nicht abschliessend) folgende Kombinationen: • Halbbrücke auf der Eingangsseite des Wandlers, hybride Brücke auf der Ausgangsseite • Vollbrücke auf der Eingangsseite des Wandlers, hybride Brücke auf der Ausgangsseite • hybride Brücke auf der Eingangsseite des Wandlers, hybride Brücke auf der Ausgangsseite • hybride Brücke auf der Eingangsseite des Wandlers, Halbbrücke auf der Ausgangsseite • hybride Brücke auf der Eingangsseite des Wandlers, Vollbrücke auf der Ausgangsseite [0042] Entsprechend der zeitlichen Abfolge der fallenden und steigenen Spannungsflanken v^t) and v2(t), welche an den Zwischenkreisanschlüssen der aktiven Brücke anliegen, kann man eine Vielzahl von verschiedenen Schaltungsbetriebsarten oder Betriebsmodi realisieren. Diese Betriebsarten oder Betriebsmodi sind bei jeder Realisierung des HDAB-Wandlers verschieden, wobei für jede mögliche Realisierung die Betriebsart bei negativem Leistungsfluss analog zur Betriebsart mit positivem Leistungsfluss ist.Method for Determining a Control Method for Operating Both Active Bridges of the HDAB Converter Thus, the device has at least one hybrid active bridge circuit on the input and / or output side of the DAB converter, whereby a HDAB converter (hybrid dual Active Bridge Converter) is realized. Next, a method for determining a method of operating the two active bridges of the HDAB converter will be described: This method is generally applicable, the generality being based on its independence from the mode of implementation of the HDAB converter. Possible implementations of the HDAB converter include (but not limited to) the following combinations: • half bridge on the input side of the converter, hybrid bridge on the output side • full bridge on the input side of the converter, hybrid bridge on the output side • hybrid bridge on the input side of the converter, hybrid Bridge on the output side • hybrid bridge on the input side of the converter, half bridge on the output side • hybrid bridge on the input side of the converter, full bridge on the output side [0042] According to the time sequence of the falling and rising voltage edges v ^ t) and v2 (t ) applied to the DC link terminals of the active bridge can realize a variety of different circuit modes or modes of operation. These modes of operation are different for each implementation of the HDAB converter, and for any implementation, the negative power flow mode is analogous to the positive power flow mode.

[0043] Das weiter unten erklärte Verfahren für die Bestimmung eines Verfahrens zum Betrieb beider aktiven Brücken des HDAB-Wandlers ermöglicht es, eine «effizienteste» Betriebsart und die Parameter für den «effizientesten» Betrieb zu ermitteln. Die «Effizienz» ist jeweils durch eine Kostenfunktion oder Zielfunktion beschrieben.The method explained below for determining a method of operating both active bridges of the HDAB converter makes it possible to determine a «most efficient» mode of operation and the parameters for «most efficient» operation. The "efficiency" is described in each case by a cost function or objective function.

[0044] Diese Betriebsparameter werden im Weiteren auch als Modulationsparameter -f = x1, x2, x3, ..., xn) bezeichnet. Es sind dies beispielsweise die Phasenverschiebungswinkel und die Tastverhältnisse der Quasirechteckspannungen, welche von den aktiven Brücken erzeugt werden und an den Zwischenkreisanschlüssen des HDAB-Wandlers bereitgestellt werden, und beispielsweise auch die Schaltfrequenz fs. Die Modulationsparameter können im Wesentlichen, innerhalb von physikalisch sinnvollen Grenzen, frei gewählt werden.These operating parameters are also referred to below as modulation parameters -f = x1, x2, x3,..., Xn). These are, for example, the phase shift angles and the duty cycles of the quasi-rectangular voltages, which are generated by the active bridges and provided at the DC link connections of the HDAB converter, and also, for example, the switching frequency fs. The modulation parameters can essentially be freely selected within physically sensible limits.

[0045] Die schlussendliche Betriebsart und die Modulationsparameter resultieren aus einem Optimierungsalgorithmus und sind von den Systemspezifikationen (z.B. Eingangsspannung, Leistungsniveau, Umwandlungsverhältnis, äquivalente serielle Induktivität, Schaltfrequenz (falls fest vorgegeben),...), von einer Zielfunktion, welche frei definierbar ist (z.B. Minimierung des RMS-Wertes des Wechselspannungszwischenkreisstroms iL(t), um die Leitungsverluste des Schaltkreises zu minimieren), und von Randbedingungen abhängig. Die Randbedingungen können in Funktionen unterteilt werden, welche die Beziehung zwischen den Modulationsparametern und den Leistungsniveaus des Wandlers (z.B. lDCi, Idc2, Pdc-i, or Pdc2) beschreiben, in Einschränkungen der Modulationsparameter aufgrund von physikalischen Randbedingungen des Systems (z.B. die Tastverhältnisse der Quasirechteckspannungen können nicht grösser als 50% werden), in Randbedingungen der unterschiedlichen möglichen Betriebsarten, sowie in frei definierbare Funktionen (z.B. Randbedingungen für den Soft-Switching-Betrieb). Dabei sind die Zielfunktion und mindestens einige der Randbedingungen abhängig vom Betriebsmodus. Für jeden Betriebsmodus wird ein Optimierer angewendet, um ein Minimum oder ein Maximum der Zielfunktion zu finden, wobei die Randbedingungen für diesen Betriebsmodus erfüllt werden. Dies wird im Allgemeinen auch nichtlineare Optimierung unter Randbedingungen («Constrained Nonlinear Optimization») oder nichtlineare Programmierung («Nonlinear Programming») genannt. Für die Bestimmung, welcher Betriebsmodus die Randbedingungen erfüllt und den «besten Wert» für die Zielfunktion liefert, wird eine Selektionsfunktion verwendet. Diese wählt aus den durch Optimierung gefundenen optimalen Betriebsmodi denjenigen Betriebsmodus mit dem besten Wert und liefert diesen Betriebsmodus und die entsprechenden Modulationsparameter .ropt. Die allgemeine Vorgehensweise zum Finden eines Verfahrens zum Betrieb beider aktiven Brücken des HDAB-Wandlers ist auch in einem Überblicksdiagramm in Fig. 11 dargestellt.The final mode and the modulation parameters result from an optimization algorithm and are of the system specifications (eg input voltage, power level, conversion ratio, equivalent serial inductance, switching frequency (if fixed), ...) of a target function which is freely definable (eg minimizing the RMS value of the AC link current iL (t) to minimize the line losses of the circuit), and depending on constraints. The constraints can be subdivided into functions describing the relationship between the modulation parameters and the power levels of the transducer (eg, lDCi, Idc2, Pdc-i, or Pdc2) in constraints on the modulation parameters due to physical constraints of the system (eg, the duty cycle of the quasi-square voltages can not be greater than 50%), in boundary conditions of the different possible operating modes, as well as in freely definable functions (eg boundary conditions for soft-switching operation). The objective function and at least some of the boundary conditions depend on the operating mode. For each mode of operation, an optimizer is applied to find a minimum or maximum of the objective function, satisfying the constraints for this mode of operation. This is commonly referred to as nonlinear constrained optimization (nonlinear optimization) or nonlinear programming (nonlinear programming). A selection function is used to determine which operating mode fulfills the boundary conditions and provides the "best value" for the target function. It selects the best mode of operation from the optimum operating modes found by optimization and provides this mode of operation and the corresponding modulation parameters .ropt. The general procedure for finding a method for operating both active bridges of the HDAB converter is also shown in an overview diagram in FIG. 11.

[0046] Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schritte, welche für das Finden der endgültigen Modulationsparameter und des Betriebsmodus zum Betreiben des HDAB-Wandlers durchgeführt werden können, wird in den folgenden Abschnitten gegeben. Diese Vorgehensweise ist für jede Realisierung des HDAB-Wandlers gültig und anwendbar.A detailed description of the individual steps that can be performed for finding the final modulation parameters and operating mode for operating the HDAB converter is given in the following sections. This procedure is valid and applicable for every implementation of the HDAB converter.

[0047] Schritt 1: Definition der Systemspezifikationen • Eingangsspannung (VDCi) • Ausgangsspannung (VDC2) • Leistungsniveau (beispielsweise lDci, Idc2, Pdci, or PDC2) • Umwandlungsverhältnis des Transformators (n1/n2) • Äquivalente serielle Induktivität (Leq) • Ausgangskapazität der Halbleiterschalter (Cx) • Schaltfrequenz (/s) - nur falls fest vorgegeben und nicht zur Optimierung verwendbar • Optional: minimale Kommutierungsladung (Qcomm.min) [0048] Schritt 2: Bestimmung der Randbedingungen für jede Betriebsart a. Funktionen, welche die Beziehung zwischen den Modulationsparametern und den Leistungsniveaus des Wandlers (z.B. lDCi, IDC2, Pdci, or PDC2) beschreiben [0049] Zurerst werden die verschiedenen Betriebsarten und die entsprechenden Leistungsflussgleichungen für eine gegebene Realisierung (also Schaltungstopologie) des HDAB-Wandlers bestimmt. In Abhängigkeit der zeitlichen Abfolge der fallenden und steigenen Spannungsflanken v-i(t) und v2(t), welche an den Zwischenkreisanschlüssen der aktiven Brücke anliegen, kann eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsarten unterschieden werden. Fig. 6D zeigt ein solches Beispiel für eine einzelne Betriebsart für eine Vollbrücken-Hybridbrückenrealisierung des HDAB-Wandlers, dargestellt in Fig. 9. Es ist ersichtlich, dass die aktive Eingangsbrücke (Vollbrücke) eine dreistufige (+VDC Volt, 0 Volt, -VDC Volt), Anschlussspannung v-i(t) mit modulierbarem Tastverhältnis am Zwischenkreis des HDAB-Wandlers anlegen respektive bereitstellen kann. Die aktive Ausgangsbrücke (eine zweistufige (2-Level/2L) - dreistufige (3-Level/3L) hybride aktive Brücke (2L3L Brücke)) kann eine fünfstufige (+VDc Volt, +VDc/2 Volt, 0 Volt, -VDc/2 Volt, -VDc Volt), und bezüglich des Tastverhältnisses zweifach modulierte Anschlussspannung v2(t) am Zwischenkreis des HDAB-Wandlers bereitstellen. Für diese Realisierung des HDAB-Wandlers ergeben sich somit fünf Modulationsparameter: 0 <pi, <p2: zweifache Phasenverschiebungsmodulation, entspricht auch einer Amplitudenmodulation ο τ-ι: Modulation des Tastverhältnisses von vq(t)) 0 x2 und x3 zweifache Modulation der Tastverhältnisse von v'2(t) [0050] Der Zwischenkreisstrom (ein Wechselstrom) iL(t) im Zwischenkreis wird durch die sich über die äquivalenten seriellen Induktivitäten Leq ergebenden Spannungen vL(t)= vq(t)— v'2(t) und durch deren Induktivitätswert bestimmt. Daraus resultiert eine stückweise lineare Gleichung für den Zwischenkreisstrom iL(t), welcher in jeder Betriebsart verschieden ist. Die Dynamik des Stroms durch die Induktivität iL(t) kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:Step 1: Definition of the system specifications • Input voltage (VDCi) • Output voltage (VDC2) • Power level (eg lDci, Idc2, Pdci, or PDC2) • Transformation ratio of the transformer (n1 / n2) • Equivalent serial inductance (Leq) • Output capacitance the semiconductor switch (Cx) • Switching frequency (/ s) - only if fixed and can not be used for optimization • Optional: minimum commutation charge (Qcomm.min) Step 2: Determining the boundary conditions for each mode a. Functions describing the relationship between the modulation parameters and the power levels of the converter (eg, lDCi, IDC2, Pdci, or PDC2). First, the various modes of operation and the corresponding power flow equations are determined for a given implementation (ie, circuit topology) of the HDAB converter , Depending on the time sequence of the falling and rising voltage edges v-i (t) and v2 (t), which are applied to the intermediate circuit terminals of the active bridge, a plurality of different operating modes can be distinguished. Fig. 6D shows such an example of a single full bridge hybrid bridge implementation mode of operation of the HDAB converter shown in Fig. 9. It can be seen that the active (full bridge) input bridge has a three-level (+ VDC, 0V, -VDC Volts), terminal voltage vi (t) with modulatable duty cycle can apply to the DC link of the HDAB converter. The active output bridge (a two-stage (2-level / 2L) - three-stage (3-level / 3L) hybrid active bridge (2L3L bridge)) can be a five-stage (+ VDc volts, + VDc / 2 volts, 0 volts, -VDc / 2 volts, -VDc volts), and with respect to the duty cycle, provide twice modulated terminal voltage v2 (t) at the DC link of the HDAB converter. For this realization of the HDAB converter there are thus five modulation parameters: 0 <pi, <p2: two-fold phase shift modulation, also corresponds to an amplitude modulation ο τ-ι: modulation of the duty cycle of vq (t)) 0 x2 and x3 two-fold modulation of the duty cycle of v'2 (t) The intermediate circuit current (an alternating current) iL (t) in the intermediate circuit is determined by the voltages vL (t) = vq (t) - v'2 (t) and VQ (t), which result from the equivalent series inductances Leq determined by their inductance value. This results in a piecewise linear equation for the DC link current iL (t), which is different in each mode. The dynamics of the current through the inductance iL (t) can be represented by the following equation:

[0051] Die Ausdrücke für iL(t) für verschiedene Schaltvorgänge der Schaltelemente ergeben sich aus dem Lösen der Gleichungen für i[_(t) in jedem der Zeitintervalle, die durch die zeitliche Abfolge der fallenden und steigenen Spannungsflanken v-i(t) und v2(t), welche an den Zwischenkreisanschlüssen der aktiven Brücke anliegen, definiert sind, und aus der Auswertung des resultierenden Gleichungssystems. Diese Ausdrücke unterscheiden sich je nach der Betriebsart. Die Ströme h(t) und i2(t) können, durch eine Analyse der Leitungszustandes der Schalter Sj« auf der entsprechenden Eingangs- und Ausgangsseite der aktiven Brücke des FIDAB-Wandlers, von iL(t) abgeleitet werden. Durch eine Mittelung der stückweisen Funktionen für h(t) und i2(t) über eine Schaltperiode Ts= 1//s ergeben sich die Funktionen für die entsprechenden Eingangs- und Ausgangsströme (lDci beziehungsweise IDC2), welche für die Berechnung der Eingangs- und Ausgangsleistung (Pdci beziehungsweise PDC2) verwendet werden können.The expressions for i L (t) for various switching operations of the switching elements result from the solving of the equations for i [_ (t) in each of the time intervals represented by the time sequence of the falling and rising voltage edges vi (t) and v2 (t), which are applied to the intermediate circuit terminals of the active bridge, are defined, and from the evaluation of the resulting equation system. These terms differ depending on the mode. The currents h (t) and i2 (t) can be derived from iL (t) by analyzing the conduction state of the switches Sj "on the corresponding input and output side of the active bridge of the FIDAB converter. By averaging the piecewise functions for h (t) and i2 (t) over a switching period Ts = 1 // s, the functions for the corresponding input and output currents (IDC or IDC2), which are used for the calculation of the input and output currents Output power (Pdci or PDC2) can be used.

[0052] Diese Ausdrücke sind Funktionen der Modulationsparameter, sie sind typischerweise nicht linear und können zu einer nichtlinearen Gleichung als Basis für die Optimierung umgeformt werden.These expressions are functions of the modulation parameters, they are typically non-linear and can be transformed into a nonlinear equation as the basis for the optimization.

[0053][0053]

b. Funktionen, welche die Einschränkungen der Modulationsparameter aufgrund von physikalischen Randbedingungen des Systems beschreibenb. Functions that describe the limitations of the modulation parameters due to physical constraints of the system

Diese Gleichungen respektive Funktionen stellen sicher, dass die erhaltenen Modulationsparameter innerhalb der physikalischen Randbedingungen des Systems liegen, z.B. können die Tastverhältnisses der Quasirechteckspannungen nicht grösser als 50% werden.These equations or functions ensure that the resulting modulation parameters are within the physical constraints of the system, e.g. For example, the duty ratios of the quasi-rectangular voltages can not become larger than 50%.

Typischerweise wird eine Reihe von unteren und oberen GrenzenTypically, there will be a series of lower and upper limits

respektive für die Modulationsparameter (oder Designvariablen) in definiert, damit die Lösung der Optimierung immer im Bereich liegt, wobei und ·· Vektoren sind.respectively for the modulation parameters (or design variables) defined in, so that the solution of the optimization is always within the range, where and ·· vectors.

[0054] Beispiel für eine Gleichung entsprechend einer physikalischen Randbedingung: 0 < τι < π c. Funktionen, welche die die Randbedingungen der unterschiedlichen möglichen Betriebsarten beschreibenExample of an equation corresponding to a physical boundary condition: 0 <τι <π c. Functions which describe the boundary conditions of the different possible operating modes

Der Optimierer für die Modulationsparameter für eine einzelne Betriebsart kann nur einen Satz an gültigen Modulationsparametern liefern, solange sichergestellt ist, dass diese Modulationsparameter nicht zu einer anderen Betriebsart führen. Typischerweise resultiert daraus ein Satz von linearen Ungleichungen: wobei λ und i' Vektoren sind und A eine Matrix ist.The single-mode modulation parameter optimizer can provide only one set of valid modulation parameters as long as it is ensured that these modulation parameters do not result in a different mode of operation. Typically, this results in a set of linear inequalities: where λ and i 'are vectors and A is a matrix.

d. Funktionen, welche frei definiert werden können (z.B. die Randbedienungen für den Soft-Switching-Betrieb)d. Functions that can be freely defined (for example, the marginal operations for soft-switching operation)

Die Eingangs- sowie die Ausgangsbrückenschaltkreise des HDAB-Wandlers können in einer Soft-Switching-Weise geschalten werden, wodurch eine Verringerung der Schaltverluste ermöglicht wird. Um das zu erreichen, werden Gleichungen benötigt, welche die Grenzen des Soft-Switching-Betriebs beschreiben. Das Soft-Switching eines Brückenzweiges (Fig. 7B) tritt auf, wenn der Übergang der Drain-Source Spannung durch das Ausschalten des entsprechenden Schalters initiiert wird, beispielsweise kommutiert der Schalter S12 den Strom vom Transistor T12 zur gegenüberliegenden Diode Du des Brückenzweiges. Wie schon weiter oben beschrieben, wird eine minimale Kommutierungsladung (Qcomm ^ Qcomm.min) benötigt um den resonanten Übergang innerhalb des Totzeitintervalls zu beenden, wobei ein «hartes» Einschalten, ein Durchschiessen («Shoot Through») und eine Spannungsübergangsverzögerung vermieden werden. Durch die Auswertung dieser Randbedingungen, welche den Brückenzweigstrom i|egi-2Strom betreffen, wobei die Ausdrücke für iL(t) in den verschiedenen Schaltzeitpunkten der Schaltelemente verwendet werden, können die Randbedingungen zum Realisieren des Soft-Switching-Betriebs hergeleitet werden. Wie bereits erwähnt, sind diese Funktionen für jede Betriebsart verschieden. Typischerweise resultiert daraus ein Satz von nichtlinearen Ungleichungen:The input and output bridge circuits of the HDAB converter can be switched in a soft-switching manner, thereby enabling a reduction in switching losses. To achieve this, equations are needed which describe the limits of soft switching operation. Soft-switching of a bridge branch (Figure 7B) occurs when the drain-source voltage transition is initiated by turning off the corresponding switch, for example, switch S12 commutates the current from transistor T12 to the opposite diode Du of the bridge branch. As described above, a minimum commutation charge (Qcomm ^ Qcomm.min) is needed to complete the resonant transition within the deadtime interval, avoiding "hard" turn-on, shoot-through, and voltage transition delay. By evaluating these boundary conditions, which concern the bridge branch current i | egi-2 current, using the terms for iL (t) in the various switching times of the switching elements, the boundary conditions for realizing the soft switching operation can be derived. As already mentioned, these functions are different for each mode. Typically, this results in a set of nonlinear inequalities:

wobei xund 3 Vektoren sind und C eine Matrix ist. Es sei erwähnt, dass der Betrieb des HDAB-Wandlers vorteilhafterweise ein Soft-Switching-Betrieb ist, jedoch ist er nicht zwingend darauf beschränkt. Daher sind die Einschränkungsfunktionen des Soft-Switching willkürlich im Optimierungsalgorithmus. Nebst den Funktionen, welche die Soft-Switching-Grenzen beschreiben, können auch beliebige andere Randbedingungen definiert werden.where x and 3 are vectors and C is a matrix. It should be noted that the operation of the HDAB converter is advantageously a soft-switching operation, but it is not necessarily limited thereto. Therefore, the constraint functions of soft switching are arbitrary in the optimization algorithm. In addition to the functions which describe the soft-switching limits, any other boundary conditions can also be defined.

[0055] Schritt 3: Bestimmung der Zielfunktion [0056] Das Ziel beim Finden eines Verfahrens zum Betrieb beider aktiven Brücken des HDAB-Wandlers besteht in der Bestimmung der «effektivsten» Betriebsart und der «effektivsten» Betriebsparameter. Um den «effektivesten» Betrieb zu spezifizieren, kann eine Zielfunktion definiert werden. Dies kann grundsätzlich frei respektive willkürlich geschehen.Step 3: Determine the Objective Function The goal in finding a method of operating both active bridges of the HDAB converter is to determine the "most effective" mode of operation and the "most effective" operating parameters. To specify the "most effective" operation, an objective function can be defined. This can basically be done freely or arbitrarily.

[0057] Eine typische Zielfunktion ist beispielsweise ein gewichteter RMS(«Root Mean Square»)-Wert des Zwischenkreisstroms, welcher so klein wie möglich sein soll, um die Leitungsverluste des HDAB-Wandlers zu verringern. Die Wahl die ser Zielfunktion («Objective Function») kann durch die Tatsache gerechtfertigt werden, dass im Soft-Switching-Betrieb in erster Linie diese Leitungsverluste zu den Gesamtverlusten beitragen und die Schaltungsverluste vergleichsweise gering sind. Zum Beispiel ist die ZielfunktionA typical objective function is, for example, a weighted root mean square (RMS) value of the DC link current which should be as small as possible to reduce the line losses of the HDAB converter. The choice of this objective function can be justified by the fact that in the case of soft-switching operation, these line losses primarily contribute to the total losses and the circuit losses are comparatively low. For example, the objective function is

[0058] Es ist zu betonen, dass die Wahl der Zielfunktion grundsätzlich frei ist. Die verwendete Zielfunktion kann auch Schaltungsverluste oder andere schaltungsspezifische Grössen beinhalten.It should be emphasized that the choice of the objective function is basically free. The target function used may also include circuit losses or other circuit-specific quantities.

[0059] Schritt 4: Lösen des Optimierungsproblems für jede der BetriebsartenStep 4: Solve the optimization problem for each of the modes

[0060] Die gesuchten (effizientesten) Modulationsparameter jeweils für eine Betriebsart kann durch das Finden eines Minimums (oder Maximums) des Optimierungsproblems bestimmt werden. Das Optimierungsproblem kann beschrieben sein durch: so dass: [0061] Wenn eine Lösung gefunden werden kann, dass heisst, wenn sie den Randbedingungen gerecht wird, gibt der Modulationsparameteroptimierer die optimalen Modulationsparameter für diese Betriebsart und die entsprechenden Werte der Zielfunktion aus:The searched (most efficient) modulation parameters for each mode of operation can be determined by finding a minimum (or maximum) of the optimization problem. The optimization problem can be described by: such that: If a solution can be found, that is, if it meets the boundary conditions, the modulation parameter optimizer outputs the optimal modulation parameters for this mode and the corresponding values of the objective function:

[0062] Schritt 5: Finden/Bestimmen der «effektivsten» Betriebsart [0063] Ein Selektor respektive eine Selektionsfunktion (mit anderen Worten: ein Auswahlverfahren) wird verwendet, um zu ermitteln welche Betriebsart den Einschränkungsfunktionen gerecht wird und den besten Wert (ein Maximum oder Minium, je nach Problemstellung) für die Zielfunktion hat. Der Selektor gibt die endgültigen ModulationsparameterStep 5: Finding / Determining the "Most Effective" Mode A selector, or a selection function (in other words, a selection method), is used to determine which mode of operation satisfies the constraint functions and the best value (maximum or maximum) Minium, depending on the problem) for the objective function. The selector gives the final modulation parameters

und die Betriebsart aus.and the mode off.

[0064] Vergleich: Beispiel [0065] Um die Vorteile der zusätzlichen Freiheitsgrade des HDAB-Wandlers aufzuzeigen, wird die in Fig. 9 gezeigte HDAB-Realisierung mit dem Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandler aus Fig. 4 gemäss dem Stand der Technik verglichen. Die Freiheitsgrade stehen für die Spannungsmodulation uL(t), welche über die äquivalenten seriellen Induktivitäten anliegt, und daher für die Wellenformung des resultierenden Zwischenkreisstroms iL(t) zur Verfügung steht. Das Verfahren für die Bestimmung eines Verfahrens zum Betrieb beider aktiven Brücken des HDAB-Wandlers, wie oben beschrieben, wird für das Bestimmen der effektivsten Betriebsart und der entsprechenden effektivsten Modulationsparameter verwendet. Jedes System wird optimiert, um die unten angegebene Zielfunktion («Objective Function») zu minimieren (dass heisst, eine vereinfachte Darstellung der Hauptleitungsverluste im Schaltkreis), wobei ein Soft-Switching in jedem Schaltelement sichergestellt wird (es wird ein minimaler Kommutierungsstrom lCOmm.mm von 2 Ampere in jedem Schalter angenommen).Comparison: Example In order to demonstrate the advantages of the additional degrees of freedom of the HDAB converter, the HDAB implementation shown in Fig. 9 is compared with the full-bridge full-bridge DAC converter of Fig. 4 according to the prior art , The degrees of freedom represent the voltage modulation μL (t), which is applied via the equivalent series inductances and is therefore available for the waveform shaping of the resulting DC link current iL (t). The method for determining a method of operating both active bridges of the HDAB converter as described above is used to determine the most effective mode of operation and the corresponding most effective modulation parameters. Each system is optimized to minimize the Objective Function given below (that is, a simplified representation of the main line losses in the circuit), ensuring soft-switching in each switching element (a minimum commutation current is lCOmm.mm of 2 amps in each switch).

[0066] Für jeden Wandler werden die gleichen Betriebsbedingungen und Schaltkreiselemente vorausgesetzt, welche in Tabelle 3 aufgelistet sind. Die resultierenden Modulationsparameter, der RMS-Wert der der primären und der sekundären Seite zugeordneten Zwischenkreisströme (iRMs.prim beziehungsweise lRMs,sec) und die Spitzenwerte des Zwischenkreisstromes iL(t) sind in Tabelle 4 für jeden Wandler angegeben. In Fig. 12 sind die resultierenden Spannungs- und Stromwellenformen für den Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandler (Fig. 12A) und den HDAB-Wandler (Fig. 12B) gezeigt. Es ist klar ersichtlich, dass der HDAB-Wandler den Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandler übertrifft, da die Zwischenkreis-RMS-Ströme niedriger sind. Die Werte für die Zielfunktion des HDAB-Wandlers sind um 34% niedriger als die Werte des Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandlers, was wesentlich kleineren Leitungsverlusten entspricht. Des Weiteren ist der Spitzenstrom im Zwischenkreis des HDAB-Wandlers um 44% niedriger. Dies kann auch aus den in Fig. 12 gezeigten Stromwellenformen gefolgert werden.For each transducer, the same operating conditions and circuit elements as listed in Table 3 are assumed. The resulting modulation parameters, the RMS value of the DC link currents (iRMs.prim or lRMs, sec) assigned to the primary and secondary sides, and the peak values of the DC link current iL (t) are given in Table 4 for each converter. In Fig. 12, the resulting voltage and current waveforms are shown for the full-bridge full-bridge DAB converter (Fig. 12A) and the HDAB converter (Fig. 12B). It can be clearly seen that the HDAB converter surpasses the full-bridge full-bridge DAB converter because the DC link RMS currents are lower. The HDAB converter targeting values are 34% lower than the full-bridge DAB converter, which is much smaller in line losses. Furthermore, the peak current in the DC link of the HDAB converter is 44% lower. This can also be deduced from the current waveforms shown in FIG.

[0067] Die nachfolgende Tabelle 3 zeigt Betriebsbedinungen und Schaltkreiselemente, welche im Vergleich des HDAB-Wandlers (Fig. 9) und des Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandlers gemäss dem Stand der Technik (Fig. 4) Verwendung finden bei 15 Ampere VDCi 150 Volt VDC2 400 Volt η ΛΙη2 0.85Table 3 below shows operating conditions and circuit elements used in the comparison of the HDAB converter (Figure 9) and the full-bridge full-bridge DAB converter of the prior art (Figure 4) at 15 amps VDCi 150 Volt VDC2 400 volts η ΛΙη2 0.85

Lcq 8e-6 Henry [0068] Die nachfolgende Tabelle 4 zeigt resultierenden Modulationswinkel, RMS-Werte der primären und der sekundären Seite zugeordneten Zwischenkreisströme (lRMs prim bezeihungsweise lRMs sec) und Spitzenwerte des Zwischenkreisstromes iL(t)Lcq 8e-6 Henry The following Table 4 shows the resulting modulation angle, RMS values of the primary and secondary side associated DC link currents (lRMs prime or lRMs l sec) and peak values of the DC link current iL (t)

Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Wandler HDAB-Wandler τι 2.94 rad 3.14 rad x2 1.23 rad 2.83 rad x3 - 0.49 rad φ-, -0.175 rad 0.2 rad φ2 - 0.2 rad iRMs.prim 19.1 Ampere 15.5 Ampere iRMs.sec 16.3 Ampere 13.2 Ampere iL,peak 36.3 Ampere 20.41 AmpereFull bridge full bridge DAB converter HDAB converter τι 2.94 rad 3.14 rad x2 1.23 rad 2.83 rad x3 - 0.49 rad φ-, -0.175 rad 0.2 rad φ2 - 0.2 rad iRMs.prim 19.1 Ampere 15.5 Ampere iRms .sec 16.3 Ampere 13.2 Ampere iL, peak 36.3 amp 20.41 amp

Bemerkungen [0069]Remarks [0069]

Die Magnetisierungsinduktivität des Transformators kann zur Vergrösserung des Ausschaltstroms («Turn-off Current») der Schalter verwendet werden. Dadurch wird das Soft-Switching beschleunigt und/oder der Soft-Swit-ching-Betriebsbereich des Wandlers vergrössert.The magnetizing inductance of the transformer can be used to increase the turn-off current of the switches. This speeds up soft switching and / or increases the converter's soft-switching operating range.

Zusätzliche Induktivitäten auf der primären und/oder sekundären Seite (jeweils zwischen den primären Zwischenkreisanschlüssen A, B beziehungsweise zwischen den sekundären Zwischenkreisanschlüssen Q, P) können für die Vergrösserung des Ausschaltstroms der Schalter verwendet werden, wodurch das Soft-Switching beschleunigt wird und/oder der Soft-Switching-Betriebsbereich des Wandlers vergrössert wird.Additional inductances on the primary and / or secondary side (in each case between the primary DC link connections A, B and between the secondary DC link connections Q, P) can be used for the increase of the switch-off current of the switches, whereby the soft-switching is accelerated and / or Soft-switching operating range of the converter is increased.

Die mehrstufige hybride aktive Brücke, welche in einem HDAB-Wandler verwendet wird, bietet den Vorteil eines «Stapelns» der Schaltelemente in Reihe, womit eine höhere Gleichspannungsbusspannung erhalten wird als mit jeder anderen Realisierung eines konventionellen DAB-Wandlers. Daher ist der HDAB-Wandler insbesondere für Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen von Interesse. Darüber hinaus gestattet die bessere Steuerbarkeit (mit mehr Freiheitsgraden) einen effizienteren Betrieb, wenn ein grosser Eingangs- und/oder Ausgangsspannungsbereich benötigt wird (z.B. einstufiger Wechselspannungs-Gleichspannungs-, Gleichspannungs-Wech-selspannungs- und Wechselspannungs-Wechselspannungs-Wandler («Solid-State Transformator»)The multi-stage hybrid active bridge used in a HDAB converter offers the advantage of "stacking" the switching elements in series, thus providing a higher DC bus voltage than any other implementation of a conventional DAB converter. Therefore, the HDAB converter is of particular interest for high voltage and high power applications. In addition, better controllability (with more degrees of freedom) allows more efficient operation when a large input and / or output voltage range is required (eg single-stage AC to DC, DC to AC, and AC to AC voltage converters). State transformer »)

Die Nachteile des HDAB-Wandlers sind: o erhöhte Komplexität der SteuerungThe disadvantages of the HDAB converter are: o Increased complexity of the controller

Claims

o Possible problems with unbalance of the bridge partial voltages (at the capacitances), these require a neutral point balance too high / high voltage could be applied to the switching elements o higher number of switches, clamping diodes, gate drivers ... To the in Fig. 6D can be used with ZVS shown, a bridge as shown in Fig. 8C can be used. To realize the ZVS waveform shown in Fig. 12B (full step in VDc in some sidewalls), a bridge as shown in Fig. 8A or 8B may be used. In addition, the waveform shown in Fig. 12B can also be realized by a bridge as shown in Fig. 8C. If such full VDC steps as shown in Fig. 12B are to be realized, the switches must be designed for full DC voltage even if two NPC (Neutral Point Clamped) bridge arms are used. For example, in commutation of lower to upper switches, corresponding to FIG. 10B, the voltage across S26 becomes VDc because one can not open S24 simultaneously with S26. Except, only S24 opens D22 becomes conductive after immediate opening of S26 -> results in a small plateau with VDc / 2. Of course, it is also possible to switch the hybrid active bridge of the HDAB converter with two, three or four levels instead of five levels. These conditions are generally included in the method for determining a method of operating both active bridges of the HDAB converter. claims

A dual active bridge converter comprising a first bridge circuit (Sn, S12, S13, S14) for converting a first DC voltage into a first AC voltage v4 (t) and a second bridge circuit (S21, S22, S23, S24, S25, S26, S27 , S28) for converting a second DC voltage into a second AC voltage v2 (t), and an AC intermediate circuit with a transformer, wherein the first AC voltage is applied to a first side of the AC intermediate circuit and the second AC voltage is applied to a second side of the AC voltage intermediate circuit and both the first bridge circuit (Sn, S12, S13, S14) and the second bridge circuit (S21, S22, S23, S24, S25, S26, S27, S28) have controlled switching elements, characterized in that at least one of the two bridge circuits has a multi-stage Bridge circuit (S21, S22, S23, S24, S25, S26, S27, S28) is, with which the corresponding AC voltage of successive Sections each with a constant voltage can be generated while at least five different levels of DC voltages can be applied to the corresponding side of the AC voltage intermediate circuit.

2. Bridge converter according to claim 1, wherein each of the multi-stage bridge circuit respectively the multi-stage bridge circuits starting from a DC full positive and full negative DC voltage, half positive and half negative DC voltage and zero voltage to the corresponding side of the AC intermediate circuit can be applied ,

3. bridge converter according to claim 1 or 2, wherein the multi-stage bridge circuit or the multi-stage bridge circuits each having a first bridge branch (S21, S22) for selectively connecting a first terminal (Q) of the AC voltage intermediate circuit with a positive or a negative DC voltage terminal, a second bridge branch ( S23, S24) for selectively connecting a second terminal (P) of the AC intermediate circuit to the positive or negative DC voltage terminal, and at least one further path (S25, S26, S27, S28) for connectable and disconnectable connection of one of the terminals of the AC intermediate circuit with a Connection (Y) with zero voltage.

4. bridge converter according to one of claims 1 to 3, wherein at least one of the two bridge circuits, and a controller of the inverter, for soft switching, also called «soft switching», designed to reduce switching losses.

5. bridge converter according to one of claims 1 to 3, comprising a control of the inverter, which is adapted to vary for each of the applied AC voltages both a switch-on and a switch-off.

6. A method of operating an electronic data processing device for determining a control method for driving a bridge converter according to one of claims 1 to 5, in which the data processing device performs the following steps: • detecting parameters of the bridge converter; • detecting boundary conditions for operation of the bridge inverter according to a mode of operation of the bridge inverter; • detecting a target function; and determining an optimal control method by optimizing the objective function while satisfying the boundary conditions and modulating modulation parameters that define switching times at which the two bridge circuits switch between the respectively available DC voltages.

7. A method according to claim 6, comprising: • repeating the steps «detecting constraints», «detecting a target function» and «determining an optimal control method» for different operating modes, • comparing the optimized values of the target function for the different operating modes, and • selecting that operating mode , which provides the best value of the objective function, as well as the optimal control method for this mode of operation.

8. The method according to any one of claims 6 or 7, wherein the step of detecting the boundary conditions comprises detecting one or more of the following boundary conditions: • dependence of DC link currents and / or flowing in the DC link power from the modulation parameters; • dependence of input and output currents and / or input and output powers on the modulation parameters; • physical limits of the modulation parameters; • the operating mode limits certain modulation parameters; and • soft-switching requirements, also referred to as soft switching, are the boundary conditions for the modulation parameters.

9. The method of claim 6, wherein the step of detecting the objective function comprises detecting at least one of the following quantities as a proportion of the objective function: RMS value of a DC link current; and • switching losses.

10. The method according to claim 6, wherein the step of determining the optimum control method for at least one of the two bridge circuits varies at least the following modulation parameters: phase shift (φ-ι) of a first time segment during which the signal from a bridge circuit to the AC voltage applied intermediate voltage is equal to or higher than a first voltage level, compared to the periodic curve of the voltage of the other bridge circuit; Phase shift (<p2) of a second time period during which the voltage applied by a bridge circuit to the AC voltage intermediate circuit is equal to or higher than a second voltage stage, compared to the periodic profile of the voltage of the other bridge circuit; • Duration of the first period of time; and • duration of the second period of time.