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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Ein
Abwärts-Spannungswandler
für Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungsnetze
vermindert die Spannung zur Versorgung von Mikrosteuereinheiten
und Halbleitern um mindestens eine Größenordnung nach unten, beispielsweise
von 42 V auf 3 V oder weniger.
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2. Stand der Technik
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In
der Absicht, Kundenansprüchen
zu genügen,
wurden Kraftfahrzeug-Elektrizitätssysteme
schrittweise komplexer und schwierig handzuhaben. Steigende Kundenansprüche im Hinblick
auf Qualitätsverbesserung,
Sicherheit, Komfort und Kraftstoffersparnis erhöhten die Anzahl energiehungriger
elektronischer Lasten im Fahrzeug drastisch von 800 kW auf mehrere
kW. Abwandlungen von Fahrzeug-Elektrizitätssystemen erfolgen in Übereinstimmung
mit der Dynamik des Rests der Gesellschaftsbereiche, das bedeutet,
daß die
Ersetzung der passiven Komponenten durch andere integrierte elektronische
Vorrichtungen und aktive Schaltungen ermutigt werden. Dieses Phänomen erhöhte ferner
die Anzahl elektronischer Module in den Fahrzeugen drastisch. Die
steigende Anzahl elektrischer und elektronischer Module hob den
Stromverbrauch an. Daher ist das herkömmliche 14V-Netz möglicherweise
unzureichend, um diesem ansteigenden Stromverbrauch zu genügen. Das
Problem wurde mit den neuen Technologien, wie etwa X-by-wire, welche
einige Stromspitzen von Hunderten von Ampere benötigen, sogar noch bedeutender.
Mehrere Lösungen,
welche gesucht wurden, umfaßten
die Verwendung von zwei oder mehr Batterien, die Verteilung einer
zusätzlichen
Batterie in jedem der entscheidenden Module und die Schaffung eines
neuen Energienetzes mit höherer
Spannung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist durch Verweis auf die folgende genaue
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele bei Betrachtung
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung deutlicher zu verstehen, wobei gleiche Bezugszeichen in
den gesamten Ansichten gleiche Teile bezeichnen, und wobei:
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1 ein
schematisches Diagramm von zwei Gleichstrom-Gleichstrom-Kompensationswandlern
in Kaskadenschaltung gemäß dem Stand
der Technik ist;
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2 eine
schematische Ansicht eines quadratischen Kompensationswandlers des
Stands der Technik ist;
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3 eine
schematische Ansicht eines Synchrongleichrichter-Kompensationswandlers
des Stands der Technik ist;
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4 ein
schematisches Diagramm eines Standard-Vorwärts-Kompensationswandlers
des Stands der Technik ist;
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die 5a–5d eine
Reihe schematischer Diagramme sind, welche einen Standardwandler
mit Abzweigspulenwandlern vergleichen;
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6 eine
grafische Darstellung eines Kompensationswandler-Übertragungsverhältnisses
für einen Abzweigspulenwandler
in einem kontinuierlichen Leitungsmodus zur Verwendung bei Kraftfahrzeuganwendungen
der vorliegenden Erfindung ist;
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7 eine
schematische Darstellung eines Abzweigspulenwandlers mit mehreren
Ausgängen
ist, welcher bei Kraftfahrzeuganwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird;
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8 ein
schematisches Diagramm eines Abzweigspulenwandlers zum Betrieb in
einem Hochspannungs-Elektrizitätsversorgungssystem
für einen
Kraftwagen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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9 ein
schematisches Diagramm mit Pfeilen ist, welche einen Streuverlust
von Energie in einem Abzweigspulenwandler einer Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungsschaltung
gemäß der Erfindung
anzeigen;
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die 10a–10c eine Reihe grafischer Darstellungen sind,
welche die Spannung an dem Hauptschalter für verschiedene Arten von Dämpfgliedern
darstellt, welche mit dem Abzweigspulenwandler in einem Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden;
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die 11a–11c eine Reihe grafischer Darstellungen des Stroms
durch die Synchrongleichrichter für verschiedene Dämpfglieder
für den
Abzweigspulenwandler eines Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungs-Elektrizitätssystems
sind;
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Die 12a–12c eine Reihe grafischer Darstellungen des Stroms
durch den Hauptschalter für verschiedene
Dämpfglieder
für einen
Abzweigspulenwandler in einem Kraftfahrzeuq-Elektrizitätsversorgungssystem
gemäß der Erfindung
sind;
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13 ein
schematisches Diagramm eines Abzweigspulenwandlers in Kombination
mit einem RC-Dämpfglied
in einem Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungssystem gemäß der Erfindung
ist;
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14 ein
schematisches Diagramm eines Abzweigspulenwandlers in Kombination
mit einem LC-Dämpfglied
in einem Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungssystem gemäß der Erfindung
ist; und
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15 eine
grafische Darstellung des Übertragungsverhältnisses
gegen den Nutzungsfaktor für
verschiedene Abzweigspulenwandler für ein Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungssystem
gemäß der Erfindung ist.
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Kopfabschnitt
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GENAUE BESCHREIBUNG DES
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
(DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE)
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Die
Versorgung von Halbleitern, Mikroprozessoren oder anderen Lasten
in einem Passagierfahrzeug oder einem gewerblichen Fahrzeug erfordert
häufig
eine wesentlich niedrigere Leistung/niedrigere Spannung. Es kann
notwendig sein, ein vorgeschlagenes 42V-Versorgungssystem um eine
Größenordnung
herunterzuspannen, beispielsweise auf einen derart niedrigen Wert
wie 5 V und selbst auf einen derart niedrigen Wert wie 3 V oder
weniger. Wenn ein derart niedriges Umwandlungsverhältnis wie
VAus/VEin = 3142
erforderlich ist, muß der
Nutzungsfaktor δ sehr
niedrig sein, um ein derartiges Übertragungsverhältnis zu
erreichen. Die Wirksamkeit eines klassischen Kompensationswandlers
kann gemäß dem Erfinder
als unannehmbar niedrig erachtet werden, wobei dies zu einer schlechten
Nutzung passiver Komponenten und schlechten Stromwellenformfaktoren
führt,
welche in einem Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungsnetz nicht toleriert
werden können.
Standard-Kompensationswandler können
lediglich dann erwogen werden, wenn keine zu große Potentialdifferenz die Ausgangsspannung
von der Eingangsspannung trennt (das bedeutet, wenn der Nutzungsfaktor 6 hoch
ist und typischerweise über
50% beträgt.
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Um
die Wirksamkeit und den Leistungsfaktor zu verbessern, muß der Nutzungsfaktor
erhöht
werden. Das Umwandlungsverhältnis
kann durch zwei Gleichstrom-Gleichstrom-Kompensationswandler in Kaskadenschaltung
bedeutend vergrößert werden.
Die Anordnung von zwei Kompensationswandlern ist in 1 dargestellt.
Für den
gleichen Nutzungsfaktor 6 wird ein größeres Umwandlungsverhältnis als
für das
klassische Kompensationsglied (mit VAus/VEin = δ2) erhalten. Derartige Anwendungen erfordern
jedoch zweimal soviele Komponenten wie ein Basis-Kompensationswandler,
wobei dies sehr teuer und schwierig handzuhaben ist.
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Eine
vorgeschlagene Verbesserung wäre
die Verwendung von quadratischen Kompensationswandlern (2),
welche ein höheres
Spannungsverhältnis
aufweisen. Tatsächlich
weisen diese Wandler das gleiche Umwandlungsverhältnis wie zwei Gleichstrom-Gleichstrom-Kompensationswandler
in Kaskadenschaltung mit lediglich einem Transistorschalter auf.
Diese werden quadratische Wandler genannt, weil diese die Spannungsverhältnisse
von Standard-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern quadrieren. Dies führt zu einer
besseren Steuerung und Handhabung des Wandlers. Ferner liefert,
verglichen mit einem klassischen Kompensationsglied, ein quadratischer
Kompensationswandler einen wesent lich niedrigeren Grenzwert für das minimale
erreichbare Umwandlungsverhältnis.
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Obgleich
die quadratischen Kompensationswandler einen einzigen Transistorschalter
verwenden, ist die Anzahl der Komponenten immer noch höher als
die des Basis-Kompensationswandlers.
Daher sind die Anwendungen der quadratischen Wandler lediglich dort
annehmbar, wo herkömmliche,
einstufige Wandler ungeeignet sind, beispielsweise insbesondere
bei Hochfrequenzanwendungen, wo der Nennbereich der Eingangsspannungen
und der Nennbereich der Ausgangsspannungen einen extrem großen Bereich
von Umwandlungsverhältnissen
verlangen.
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Eine
synchrone Gleichrichtung verbessert die Wirksamkeit des Kompensationswandlers.
Die verwendete Technik kann darin bestehen, die klassische Freilaufdiode
durch ein N-Kanal-MOSFET
(S2) in
3 zu ersetzen. Beide Transistorschalter
werden durch zwei Signale v
1 und v
2 gesteuert, welche zueinander invers sind.
Die Verbesserung wird für
Nutzungsfaktoren über
50% erreicht, jedoch nicht unterhalb dieses Werts. Kleinere Nutzungsfaktoren
bewirken sowohl Verluste in der Induktionsspule als auch größere Induktionsspulen-Brummströme, welche
Leitungsverluste und Schaltverluste in den MOSFET's erhöhen. Ein
weiteres Problem für
den Synchrongleichrichter-Kompensationswandler,
welcher mit einem niedrigen Nutzungsfaktor (< 50%) arbeitet, kann in der asymmetrischen Übergangsreaktion
bestehen, welche aufgrund der großen Differenz zwischen der
Geschwindigkeit des Anstiegs und der Geschwindigkeit des Abfalls
des Induktionsspulenstroms auftritt. Während der Einschaltperiode
des oberen Schalters ist die Geschwindigkeit des Anstiegs des Induktionsspulenstroms
gegeben durch:
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Kopfabschnitt
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Die
Geschwindigkeit des Abfalls des Induktionsspulenstroms während der
Freilaufperiode ist gegeben durch:
-
Kopfabschnitt
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Aufgrund
der Tatsache, daß die
Geschwindigkeit des Abfalls die niedrigste ist, begrenzt dieser
Wert die Übergangsreaktion
des Synchrongleichrichter-Kompensationswandlers.
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Eine
andere Lösung
kann darin bestehen, die Eingangsspannung herunterzuspannen und
diese gegen die Last zu isolieren, wobei dies über einen Transformator erfolgt
(4). Das Wicklungsverhältnis m des Transformators
liefert hohe Abspannverhältnisse
für den
Gleichstrom-Gleichstrom-Kompensationswandler.
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Dennoch
weist diese Lösung
Nachteile auf. Die Schaltung wird durch die Anwesenheit des Transformators
teurer, schwerer, sperriger und komplexer gemacht, da drei Wicklungen
benötigt
werden. Ferner wird während
der Erholungsperiode keine Energieübertragung verwirklicht.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die oben erörterten
Nachteile gemäß Ausführungsbeispielen, welche
ausgewählt
sind, um die erhöhten
Kosten, das Gewicht, die Größe, die
Komplexität
und die Energieverluste zu vermindern, welche mit der Verwendung
von Transformatoren in Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern mit hohem Umwandlungsverhältnis verbunden
sind. Vorzugsweise braucht, wie bei den Ausführungsbeispielen der 7–15 dargestellt,
der Wandler keinen Transformator zu verwenden und vermeidet die
Probleme, welche mit mehreren Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern in
Kaskadenschaltung verbunden sind.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
verwendet den Watkins-Johnson-Wandler (bzw. Hauptleitungs-Abzweigungs-Kompensationswandler)
als geeignete Wahl, wenn 42V/3V-Wandler im Kraftfahrzeugbereich
konstruiert werden. Der Watkins-Johnson-Wandler
gemäß Darstellung
in 5d wurde früher
als Leistungsverstärker
in Nachrichtensatelliten verwendet. Die wünschenswerten Kennmerkmale
können
in dem Kraftfahrzeug-Energiesystem
möglicherweise
nicht einfach angepaßt
werden, jedoch benötigt
dieser Wandler lediglich die Verwendung einer kleinen Anzahl von
Komponenten und weist ein hohes Nutzungsverhältnis für Umwandlungsverhältnisse
mit kleiner Ausgangsspannung, wie etwa 42 V zu 3 V, auf.
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Die
Wandler in den 7 und 8 sind besondere
Fälle einer
Abzweigspulen-Gleichstrom-Gleichstrom-Kompensationswandler-Topologie.
Die Ausführungsbeispiele
der Erfindung können
ferner einen Vorteil im Hinblick darauf liefern, daß der Nutzungsfaktor
des Basis-Kompensationswandlers durch die Ersetzung der Standardspule,
welche in 5a dargestellt ist, durch eine
Abzweigspule 20 vergrößert wird.
Es wird gezeigt, daß drei
verschiedene Kompensationswandler, wobei dies Watkins-Johnson-Wandler
umfaßt,
durch eine Neuanordnung der Komponenten erhalten werden. Die Kennmerkmale
des Watkins-Johnson-Wandlers
können geeignet
angepaßt
werden, um herkömmliche
Topologien zu ersetzen, wenn dieser auf eine Kraftfahrzeugleistungsumwandlung
von 42V/3V angewandt wird, wobei dies Mehrfachausgangsfähigkeiten
umfaßt,
wie nachfolgend erörtert.
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Das
einfachste Verfahren zum Vergrößern des
Nutzungsfaktorbereichs bei klassischen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern besteht
aus dem Ersetzen der Induktionsspule L der drei Basis-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler
durch eine Abzweigspule 20 (5d),
wobei dies ein Transformator ist, wobei ein Teil einer Wicklung
sowohl den Primär-
als auch den Sekundärkreisen,
welche mit der Wicklung verbunden sind, gemein ist. Verglichen mit
einem Spartransformator kann die Abzweigspule mit einem Luftspalt
konstruiert werden und soll Energie speichern.
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Unter
sämtlichen
existierenden Verfahren zum Erhalten eines breiten Umwandlungsverhältnisses
ist der Vorteil einer Abzweigspule der, daß dies lediglich mit einer
Abwandlung der ursprünglichen
Wandler verbunden ist. Das Ersetzen der Spule in dem Standard-Kompensationswandler
durch eine Abzweigspule führt zu
der Schaffung dreier neuer Arten von Kompensationswandlern, welche
gemäß dem Typ
der Komponenten, welche mit der Abzweigung der Induktionsspule verbunden
sind, Schalter-Abzweigungs-,
Dioden-Abzweigungs- oder Hauptleitungs-Abzweigungs- (Watkins-Johnson-) Kompensationskonverter
genannt werden.
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Diese
vier verschiedenen Kompensationswandler weisen verschiedene Umwandlungen
in kontinuierlichen und diskontinuierlichen Leitungsmoden auf. Dennoch
kann der kontinuierliche Leitungsmodus als bevorzugt betrachtet
werden, da letzterer eine bessere Stabilität in der Regelungsschleife
ermöglicht,
verglichen mit dem Kompensationswandler. Tabelle 1 stellt das Übertragungsverhältnis von
Standard- bzw. Kompensationswandler- und den drei Abzweigspulenwandler-Topologien
dar. Eine Analyse des Watkins-Johnson-Wandlers ist im Dissertationsan hang
des Erfinders zu finden, welcher durch Verweis aufgenommen ist,
während
eine Analyse von Schalter-Abzweigungs- und Dioden-Abzweigungs-Wandlern
in „Extending
the tapped-inductor DC-to-DC-converter family" von D. A. Grant und Y. Darroman, Electronics
letters, 37, (3), S. 145 – 146,
2001, und „Reducing
the energy consumption of battery-powered products by the use of
switch mode techniques" von
Y. Darroman, Ph.D.-Dissertation,
University of Bristol (UK), Mai 2004, aufgenommen durch Verweis,
zu finden ist.
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Um
eine Eingangsspannung von 42 V auf eine Ausgangsspannung von 3 V
herunterzuspannen, wird ein Umwandlungsverhältnis von 0,07 und daher ein
sehr niedriges benötigt.
Wie zuvor bemerkt, ist die Wirksamkeit für einen Kompensationswandler
umso höher,
je höher
der Nutzungsfaktor ist. Es ist zu ersehen, daß das Umwandlungsverhältnis für einen
klassischen Kompensationswandler lediglich von dem Nutzungsverhältnis des
Haupttransistorschalters abhängt.
Für die
Schalter-Abzweigungs-
(
5b), Dioden-Abzweigungs- (
5c) oder
Watkins-Johnson- (WJ-) Wandler (
5d) ist
das Umwandlungsverhältnis
zusätzlich
zu dem Nutzungsfaktor von einem Wicklungsverhältnis K abhängig, welches definiert ist
als:
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Kopfabschnitt
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N1
und N2 sind die Windungszahlen jeder Seite der Abzweigung. Grundsätzlich kann
das Wicklungsverhältnis
K, welches bei der vorliegenden Anwendung geeignet neudefiniert
wurde, um einen Bereich zwischen 0 und 1 wie der Nutzungsfaktor
aufzuweisen, auf einen Wert festgelegt werden, bei welchem die Vorrichtungsverwendung
verbessert wird. Dennoch ist es zu wirtschaftlichem Zweck günstiger,
eine Mittelabgriffs-Abzweigspule
zu verwenden, für
welche N1 und N2 identisch sind und K = 0,5. Ferner macht das Wählen von
K = 0,5 die Abzweigspule symmetrisch und erleichtert den Montagevorgang
aufgrund der Tatsache, daß die
zwei äußeren Glieder
der Komponente ausgetauscht werden können, ohne das Wandlerverhalten
zu ändern.
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Tabelle
1: Umwandlungsverhältnis
und Nutzungsfaktorwerte für
verschiedene Arten von Kompensationswandlern.
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Daher
ist ein einziger Wert des Nutzungsfaktors für jede Kombination von VA u s/VEin möglich.
Dieser Wert des Nutzungsfaktors wird für jeden Wandler für VAus = 3 V, 5 V und 14 V zu Tabelle 3 übermittelt.
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Es
ist zu ersehen, daß der
Watkins-Johnson-Wandler für
jegliche typischen Kraftfahrzeug-Spannungs-Anwendungen den höchsten Nutzungsfaktor
aufweist, wodurch dieser die höchste
Wirksamkeit im Hinblick auf dessen Kompensationswandler-Gegenstücke und
mit einer minimalen Anzahl von Komponenten aufweist.
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Nutzungsfaktorwerte
für verschiedene
typische Kraftfahrzeug-Spannungs-Anwendungen und mit verschiedenen
Arten von Kompensationswandlern.
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Das Übertragungsverhältnis für den Watkins-Johnson-Wandler zeigt an,
daß dieser
ohne Umkehr der Polarität
kompensieren kann. In diesem Modus kann dieser eine passive Last
(positive Ausgangsspannung und positiver Ausgangsstrom) versorgen.
Dieser kann mit Polaritätsumkehr
kompensieren und verstärken,
obgleich bei diesem System eine aktive Last erforderlich ist, da
der Ausgangsstrom positiv bleiben muß, selbst wenn die Ausgangsspannung
negativ ist. In „Switching
Regulator with Dynamically Adjustable Supply Voltage for Low Power
VLSI" von S. Dhar
et al., Industrial Electronics Society Annual Conference (IECON)
IEEE, Bd. 3, 2001, S. 1874 – 1879,
wird der Watkins-Johnson-Wandler als „Kompensationswandler mit
wünschenswerten
Eigenschaften" beschrieben,
da der Ausgang gegen jegliche Energie isoliert ist, welche in der
Induktionsspule gespeichert ist.
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Die Änderung
von VAus/VEin mit δ für verschiedene
Werte von K ist in 6 dargestellt. Es ist zu ersehen,
daß, wenn
sich der Nutzungsfaktor in dem Bereich δ > K befindet, der Wandler als Kompensationswandler arbeitet,
welcher einen positiven Strom mit einer positiven Ausgangsspannung
für eine
passive Last liefert. Daher kann der Nutzungsfaktor δ durch Vergrößern des
Wicklungsverhältnisses
K sogar vergrößert werden, jedoch
um den Preis einer asymmetrischen Abzweigspule. Wenn δ < K, erfordert die
Schaltungstopologie, daß der
Strom wiederum positiv ist, jedoch die Ausgangsspannung negativ
ist, wobei dies eine Situation darstellt, welche lediglich mit einer
aktiven Last möglich
ist. Dieser Betriebsquadrant ist nicht besonders nützlich und kann
bei Kraftfahrzeuganwendungen, wobei lediglich passive Lasten durch
den Watkins-Johnson-Wandler versorgt werden, ungünstig sein.
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Tabelle
3 listet die Vorteile und Beschränkungen
des Watkins-Johnson-Wandlers auf.
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Für niedrigere
Wandlerkosten und um zu vermeiden, ebensoviele Wandler wie verschiedene
Spannungspolaritäten
und -werte zu verwenden, kann es wirtschaftlich vorteilhaft sein,
einen Ein-Block-Wandler zu bauen, wobei die kostenintensivsten Teile
der Schaltmodus-Energieversorgung (Schaltung und Transformator) sämtlichen
Ausgängen
gemein sind. Daher kann der Watkins-Johnson-Wandler als Wandler
mit mehreren Ausgängen
verwendet werden, welcher Ausgangsspannungen von 14 V und 3 V auf
Basis der Haupteingangsspannung von 42 V liefert, wie in 7 dargestellt.
Bei dem nicht isolierten Watkins-Johnson-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit
mehreren Ausgängen
werden soviele Ausgangsspannungen wie erforderlich durch die Verwendung
einer Abzweigspule möglich
gemacht, anders als bei dem Sperrwandler, dessen Sekundärwicklung
in x Wicklungen unterteilt ist, wobei dies die Erzeugung von x isolierten
Ausgangssignalen ermöglicht.
Die Notwendigkeit von x Sekundärwicklungen
ist aufgrund der Menge von Kupfer, welche benötigt wird, um den verschiedenen
Spannungsanforderungen eines Systems zu genügen, ziemlich teuer. Aufgrund der
Tatsache, daß die
Induktionsspule gewöhnlich
das sperrigste und teuerste Element in einem Wandler ist, führt das
Verwenden einer Abzweigspule mit einer Wicklung anstatt vieler Sekundärwicklungen
zu einer Ver minderung der Menge des Kupfers und liefert eine Verminderung
von Gewicht, Größe und Kosten
des Wandlers.
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Tabelle
3. Kennmerkmale des Watkins-Johnson-Wandlers
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Ferner
ermöglichen
es die verschiedenen Abzweigungen 22–26 der Spule bei
diesem neuen, nicht isolierten Watkins-Johnson-Wandler 20 mit mehreren
Ausgängen,
den Nutzungsfaktor auf einen wünschenswerten
Wert festzulegen, typischerweise ei nen Wert, wobei die Wirksamkeit
des Systems verbessert wird, und durch Abgreifen der Spule 30 mit
geeignetem Wicklungsverhältnis
können
die erwünschten
Ausgangsspannungswerte erhalten werden. Wie bei Sperrwandlern mit
mehreren Ausgängen
sind die Ausgangsspannungen bei kontinuierlichem Leitungsmodus proportional
zu den jeweiligen Wicklungsverhältnissen,
und eine Rückführregelung
eines Ausgangssignals führt
zu einer Teilregelung sämtlicher
anderer Ausgangssignale.
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Die
Schaltmodus-Energieversorgung ist ein Mittel, wodurch die Wirksamkeit
der Spannungsumwandlung bei Industrie- und/oder Haushaltsanwendungen verbessert
werden kann. Die Schalttätigkeit
von Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern ist jedoch eine potentielle
Quelle elektromagnetischer Störungen.
Daher haben Konstrukteure von Konsumentenprodukten Bedenken im Hinblick
darauf, daß die
Annahme dieser Form der Energieumwandlung die Fähigkeit ihrer Produkte, den
EMC-Regelungen zu genügen,
gefährden
könnte.
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Ein
Ausgangsfilter kann einige unerwünschte
Oberschwingungen ausfiltern und die EMI's vermindern. Der Wandler kann ferner
eine Abschirmung benötigen,
wie schematisch bei 50 in den 13 und 14 dargestellt,
um der amerikanischen und europäischen
EMC-Norm zu genügen,
und diese kann in der Form eines nicht isolierenden Gehäuses über Abschnitten
der Schaltung, in welcher eine EMI induziert wird, vorgesehen werden.
Ferner können
die Kosten der Abschirmung vermindert werden, da das Gehäuse ein
Teil eines bereits existierenden Gehäuses zum Bedecken anderer Schaltmodus-Energieverwaltungs-Schaltungen in der WJ-Elektrizitätsversorgungs-Umgebung
eines Kraftfahrzeugs sein kann.
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Bei
diesem Wandler sind die Verwendung eines Dämpfglieds 40 und einer
Abschirmung 50 aufgrund der Streuinduktivität einer
Abzweigspule und dem extrem pulsierenden Strom, welche bei Rückleitung
zu der Quelle eine EMI (elektromagnetische Störung) durch den Strom induzieren,
bevorzugt. Dennoch kann der Strom, welcher in einer WJ-Abzweigspule
zu der Quelle zurückfließt, aufgrund
der Tatsache als Vorteil erachtet werden, daß der Strom bei Rückleitung
zu der Quelle die Batterie wiederauflädt und ferner, wenn sich der Hauptschalter
in ausgeschaltetem Zustand befindet, der Ausgang gegen jegliche
Energie, welche in der Induktionsspule gespeichert ist, isoliert
ist.
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In
dem Fall des neuen Wandlers mit mehreren Ausgängen von 7 können mehrere
positive Ausgangsspannungen, deren Werte kleiner als die Eingangsspannung
von 42 V sind, durch Abgreifen der Spule an geeigneten Punkten erhalten
werden. Im Hinblick auf die Regelung des neuen Wandlers führt das
Regeln eines Ausgangs zur Selbstregelung der anderen Ausgänge, wobei
eine Leitungs-Last-Regelung in der Größenordnung von 5% bis 10% für eine Kraftfahrzeug-Energieversorgung
und viele Anwendungen angemessen sein kann.
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Ein
nicht isolierter WJ-Wandler wurde konstruiert und getestet (8).
Der Wandler arbeitet mit einer Eingangsspannung VEin von
42 V und dem geregelten Ausgangsstrom von etwa 1 A. Die Schaltfrequenz
wurde zu 100 kHz gewählt.
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Ein
Problem, welches mit der Verwendung der Abzweigspulenwandler verbunden
ist, ist die Energie, welche mit der Streuinduktivität der Abzweigspule
aufgrund einer unvollkommenen Kopplung zwischen den Wicklungen verbunden
ist. Wenn der Transistorschalter 44 auf „Aus" geschaltet wird,
kann der Strom in der Streuinduktionsspule im primären Abschnitt
nicht in den sekundären
umgelenkt werden, so daß dieser
kontinuierlich durch einen Drain-Source-Kondensator 46 des
MOSFET-Transistorschalters 44 fließt. Die
Energie, welche in der Streuinduktionsspule gespeichert ist, wird
auf diese geringe Kapazität übertragen,
wobei dies eine hohe Spannungsspitze an S1 bewirkt. Die Spannungsspitze,
dargestellt in 10, und Stromspitzen,
welche durch den Hauptschalter und den Synchrongleichrichter fließen, welche
in den 11 und 12 dargestellt sind,
erhöhen
jeweils nicht nur den Schaltverlust, sondern können auch den Schalter zerstören, wenn
dies die Vorrichtungs-Nennspannung überschreitet. Ferner bildet
die Streuinduktionsspule in Reihe mit Cds 46 einen LC-Schwingkreis,
welcher ein unerwünschtes
Einschwingen erzeugt und die Gesamtwirksamkeit des Systems verschlechtert.
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Ein
Ansatz zum Bekämpfen
der Spannungsspitze aufgrund der Streuinduktivität ist es, Dämpfschaltungen 40 aufzunehmen,
welche einen elektrischen Pfad erzeugen, um zu verhindern, daß der Strom,
welcher mit der Streuinduktivität
und der Störinduktivität aufgrund
von Leiterplattenbahnen verbunden ist, weiterhin in das MOSFET fließt, wenn
letzteres ausgeschaltet wird. In dem Fall eines dissipativen Dämpfglieds
geht Energie, welche in der Streuinduktivität gespeichert ist, verloren,
anders als bei einem nicht dissipativen Dämpfglied, wobei die Energie,
welche mit der Streuinduktivität
verbunden ist, rückgewonnen
wird.
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Es
wurde eine Reihe von Tests ausgeführt, der erste mit einer Schaltung,
wie in 9 dargestellt (siehe 10a, 10b, 10c),
ein zweiter mit einer Schaltung mit einem dissipativen RC-Dämpfglied 48 ähnlich zu 13 (siehe
Ergebnisse 10b, 11b, 12b), und der dritte
mit einem nicht dissipativen LC-Dämpfglied 52 ähnlich zu 14 (siehe 10c, 11c, 12c).
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Der
RC-Dämpfglied-Ansatz
zum Begrenzen der Belastung an dem Halbleiterschalter vereinfacht
die Schaltung und vermindert die Kosten davon. Aufgrund der Tatsache,
daß dies
eine dissipative Klemme ist, erfolgt eine Verminderung der abgestimmten
Klemmenspannung auf Kosten der Wirksamkeit. In den
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10, 11 und 12 ist zu sehen, daß das Dämpfglied das Verhalten des
Wandlers ändert.
Einige Stromspitzen sind infolge der Anwesenheit der RC-Klemme 48 (10b, 11b und 12b) vermindert,
jedoch wurde, wie zuvor erwähnt,
auch die Überspannungsspitze
vermindert, und das Einschwingen ist unterdrückt (10).
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Verglichen
mit dem RC-Dämpfglied 48 kann
das nicht dissipative Dämpfglied 42 geeignet
konstruiert werden, um eine bessere Wandlerwirksamkeit zu erreichen,
ohne daß dies
zu Leistungsverlusten führen
würde.
Die Klemmenspannung ist unabhängig
von der Last, anders als bei dem RC-Dämpfglied, jedoch ist bei Verwendung
des LC-Dämpfglieds 52 die
Strombelastung in dem Schalter generell höher. Dies erfordert ferner
eine zusätzliche
Wicklung um den Kern, um die Strombelastung in Verlauf durch den
Schalter zu vermindern. Die 10c, 11c und 12c stellen
die Testergebnisse des Hauptleitungs-Abzweigungs-Verstärkungswandlers mit einem verlustfreien
LC-Dämpfglied
dar.
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Aufgrund
der Energie, welche in der Streuinduktivität gespeichert wird, können Abzweigspulenwandler Dämpfglieder
nützlich
verwenden, um die Spannung zu begrenzen, welcher die Schaltvorrichtungen
ausgesetzt werden. Die Gesamtwirksamkeit eines Systems ist mit einem
nicht dissipativen LC-Dämpfglied
besser, während
die Spannungsspitze an dem Transistor durch ein dissipatives RC-Dämpfglied
wirksamer vermindert wird. Eine Zener-Diode kann die Transistorschaltungs-Spannungsspitze
sehr gut vermindern, jedoch auf Kosten einer verminderten Wirksamkeit,
und ist möglicherweise
nicht praktisch, da eine Zener-Diode
nicht gut zur Dissipation einer großen Energiemenge geeignet ist.
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Die
theoretischen Übertragungsverhältnisse
VAus/VEi n der Hauptleitungs-Abzweigungs- und Ausgangs-Abzweigungs- Wandler-Topologien
wurden durch Reihen praktischer Messungen nachgewiesen. 15 stellt
die Testergebnisse des Übertragungsverhältnisses
für die
Watkins-Johnson-Wandler-Topologie dar, wobei dies zeigt, daß die experimentellen
Ergebnisse recht gut mit den theoretischen Kurven übereinstimmen.
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Wachsende
Kundenansprüche
im Hinblick auf Sicherheit und Komfort könnten gemeinsam mit Forderungen
nach Nutzungsoptionen und ergänzenden
Einrichtungen in der nahen Zukunft eine Energienetzumwandlung von
14 V auf 42 V in einem Fahrzeug bedingen. Halbleiter, welche eine
Energieversorgung mit einer derart niedrigen Spannung wie 3 V oder
sogar weniger erfordern, können
keinen Basis-Kompensationswandler enthalten, welcher einen unannehmbar
niedrigen Nutzungsfaktor an dem Haupttransistorschalter aufweist. Um
den Nutzungsfaktor des Haupttransistorschalters zu vergrößern, ermöglicht die
Erfindung einen Ersatz für die
Hauptspule des klassischen Kompensationswandlers durch Verwenden
einer Abzweigspule, welche geeignet angeordnet ist, um einen Watkins-Johnson-Wandler
zu bilden, in einem Kraftfahrzeug-Elektrizitätsversorgungssystem. Abzweigspulenwandler
weisen einige vorteilhafte Kennmerkmale auf, wie etwa eine veränderliche
Ausgangsspannung durch Einstellen des Wicklungsverhältnisses
auf einen Wert, bei welchem die Wandlerwirksamkeit verbessert wird.
Dieser Extra-Freiheitsgrad ist einfach erreichbar, da der Watkins-Johnson-Wandler
lediglich vier Komponenten verwendet, eine Induktionsspule, eine
Diode, einen Schalter und einen Kondensator, wobei dies das Gewicht,
die Größe, die
Kosten und die Komplexität
eines Wandlersystems minimiert.
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Obgleich
Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsbeispiele
nicht sämtliche
möglichen
Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Stattdessen sind
die Ausdrücke,
welche in der Beschreibung verwendet werden, beschreibende Ausdrücke an statt
beschränkender,
und es sei bemerkt, daß verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne von Prinzip und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
