DE102012106262A1

DE102012106262A1 - Mehrphasen-Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE102012106262A1
Application number: DE102012106262.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Daub
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-01-16
Also published as: WO2014009183A3; WO2014009183A2

Abstract

Mehrphasen-Gleichspannungswandler zum Transportieren von Energie zwischen zwei Netzen – mit mehreren Wandlerschaltungen, wobei jede Wandlerschaltung wenigstens ein erstes steuerbares Schaltelement (M1, M3, M5) und eine Drossel (L1, L2, L3) aufweist, – mit einem Regel- oder Steuermittel (1) und – mit einem PWM-Generator je Wandlerschaltung zur Erzeugung eines PWM-Signals zur Ansteuerung des ersten steuerbaren Schaltelements der zugeordneten Wandlerschaltung, wobei die PWM-Generatoren geeignet und eingerichtet sind, die PWM-Signale so zu erzeugen, dass die ersten Schaltelemente (M1, M3, M5) der Wandlerschaltungen mit unterschiedlichen Phasen einschaltbar sind, wobei der Mehrphasen-Spannungswandler – je Wandlerschaltung einen Stromsensor (5, 6, 7) zur Erfassung eines Stroms durch die Drossel (L1, L2, L3) der Wandlerschaltung oder einen Stromemulator zur Emulation eines Stroms durch die Drossel (L1, L2, L3) der Wandlerschaltung aufweist und – je Wandlerschaltung einen Regler aufweist, der mit dem Regel- oder Steuermittel (1) und mit dem der Wandlerschaltung zugeordneten Stromsensor (5, 6, 7) oder Stromemulator sowie dem der Wandlerschaltung zugeordneten PWM-Generator verbunden ist, – wobei die Regler zum Regeln des Stroms durch die Drossel (L1, L2, L3) der zugeordneten Wandlerschaltungen geeignet und eingerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Gleichspannungswandler zum Transportieren von Energie zwischen zwei Netzen

– mit mehreren Wandlerschaltungen, wobei jede Wandlerschaltung wenigstens ein erstes steuerbares Schaltelement und eine Drossel aufweist,
– mit einem Regel- oder Steuermittel und
– mit einem PWM-Generator je Wandlerschaltung zur Erzeugung eines PWM-Signals zur Ansteuerung des ersten steuerbaren Schaltelements der zugeordneten Wandlerschaltung, wobei die PWM-Generatoren geeignet und eingerichtet sind, die PWM-Signale so zu erzeugen, dass die ersten Schaltelemente der Wandlerschaltungen mit unterschiedlichen Phasen einschaltbar sind.

Aus dem Stand der Technik sind Gleichspannungswandler mit einer Wandlerschaltung und einer Steuerung bekannt, bei denen die Steuerung ein Treibersignal zum Durchführen des Schaltbetriebs der Wandlerschaltung erzeugt. Mittels der Steuerung kann die Wandlerschaltung an die Betriebsbedingungen des Gleichspannungswandlers, insbesondere der Belastung des Gleichspannungswandlers angepasst werden. Ein Nachteil eines solchen Gleichspannungswandlers ist, dass die Wandlerschaltung bei nur geringer Belastung des Gleichspannungswandlers einen schlechten Wirkungsgrad hat. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Strom durch den Gleichspannungswandler begrenzt ist.
Um diesen Nachteilen abzuhelfen, wurden Mehrphasen-Gleichspannungswandler entwickelt. Diese weisen mehrere Wandlerschaltungen, gelegentlich auch Wandlerzellen oder Zellen genannt, auf, die phasenversetzt betrieben werden. Ein Mehrphasen-Gleichspannungswandler mit den eingangs aufgeführten Merkmalen ist in dem Dokument DE 10 2007 043 603 A1 offenbart.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen alternativen Mehrphasen-Gleichspannungswandler vorzuschlagen, der insbesondere bei gekoppelten Drosseln der Wandlerschaltungen Ausgleichströme zwischen den Wandlerschaltungen verhindert. Bei solchen Mehrphasen-Gleichspannungswandlern sind die Drosseln der Wandlerschaltungen auf einem Kern angeordnet und sind so gekoppelt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Mehrphasen-Spannungswandler

– je Wandlerschaltung einen Stromsensor zur Erfassung eines Stroms durch die Drossel der Wandlerschaltung oder einen Stromemulator zur Emulation eines Stroms durch die Drossel der Wandlerschaltung aufweist und
– je Wandlerschaltung einen Regler aufweist, der mit dem ersten Regler und mit dem der Wandlerschaltung zugeordneten Stromsensor oder Stromemulator sowie dem der Wandlerschaltung zugeordneten PWM-Generator verbunden ist,
– wobei die Regler zum Regeln des Stroms durch die Drossel der zugeordneten Wandlerschaltungen geeignet und eingerichtet sind.

Der erfindungemäße Mehrphasen-Spannungswandler umfasst Wandlerschaltungen mit einem eigenen Regler und eigenen Stromsensoren. Damit kann der Strom durch die Drossel jeder Wandlerschaltung durch einen eigenen Regelkreis geregelt werden. Ausgleichströme zwischen den Wandlerschaltungen können damit vermieden werden.
Ausgleichströme können insbesondere auch dann vermieden werden, wenn die Drosseln der Wandlerschaltungen gekoppelt sind.
Die Wandlerschaltungen sind vorzugsweise parallel geschaltet.
Die Regler eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers können vom Regel- oder Steuermittel mit je einer Führungsgröße beaufschlagt werden. Die Regler können dazu unmittelbar mit dem Regel- oder Steuermittel verbunden sein. Das Regel- oder Steuermittel erzeugt für jeden Regelkreis eine Führungsgröße für den von der Wandlerschaltung des Regelkreises bereitzustellenden Strom. Die Summe der von den Wandlerschaltungen bereitgestellten Ströme entspricht dem von dem Mehrphasen-Gleichspannungswandler erzeugten Strom.
Erfindungsgemäß kann jeder PWM-Generator unmittelbar mit einem Stellgrößen-Ausgang des Reglers verbunden sein, der der gleichen Wandlerschaltung zugeordnet ist wie der PWM-Generator.
Die Wandlerschaltungen können Aufwärtswandler-Schaltungen, also boost-converter sein.
Die Wandlerschaltungen können eine Spitzenstromerkennung und/oder eine oder mehrere Stromemulatoren anstelle der Stromsensoren umfassen.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers.
Der erfindungsgemäße Mehrphasen-Gleichspannungswandler weist drei Wandlerschaltungen auf. Die drei Wandlerschaltungen sind vorzugsweise identisch aufgebaut. Sie weisen ein erstes Schaltelement M1, M3, M5 auf. Bei den ersten Schaltelementen handelt es sich um normal leitende N-Kanal MOSFETs, deren Drain-Anschlüsse zusammengeführt und mit einem ersten Anschluss BN1 des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers für die positive Spannung eines ersten Netzes verbunden sind. Die Source-Anschlüsse der ersten Schaltelemente M1, M3, M5 sind jeweils mit Drosseln L1, L2, L3 verbunden. In Reihe dazu sind Messwiderstände R1, R2, R3 geschaltet. Die den Drosseln L1, L2, L3 abgewandten Anschlüsse der Messwiderstände R1, R2, R3 sind miteinander und mit einem zweiten Anschluss BN2 des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers für die positive Spannung eines zweiten Netzes verbunden.
Sowohl der erste Anschluss BN1 als auch der zweite Anschluss BN2 des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers sind über einen Kondensator C1, C2 mit dem Bezugspotential verbunden.
Die Source-Anschlüsse der ersten Schaltelemente M1, M3, M5 sind über zweite Schaltelementen M2, M4, M5 ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden. Dazu sind die Drain-Anschlüsse der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 mit den Source-Anschlüssen der ersten Schaltelemente M1, M3, M5 verbunden und die Source-Anschlüsse der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 sind mit dem Bezugspotential verbunden.
Sowohl die Gate-Anschlüsse der ersten Schaltelemente M1, M3, M5 der Wandlerschaltungen als auch die Gate-Anschlüsse der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 der Wandlerschaltungen sind mit je einer jeder Wandlerschaltungen zugeordneten Steuerschaltung 2, 3, 4 verbunden. Die Steuerschaltungen 2, 3, 4 umfassen einen Regler und einen PWM-Generator.
Die Steuerschaltungen 2, 3, 4 sind mit Stromsensoren 5, 6, 7 verbunden, die den Strom durch die Messwiderstände R1, R2, R3 und somit durch die Drosseln L1, L2, L3 erfassen. Ein den Strom angebendes Signal wird den Steuerschaltungen 2, 3, 4 zugeführt. In dem Regler der Steuerschaltungen 2, 3, 4 wird das Stromsignal mit einer Führungsgröße verglichen, die von einem Steuer- und Regelmittel 1 für jede Wandlerschaltung vorgegeben wird. Die sich beim Vergleich ergebende Regeldifferenz zwischen der Führungsgröße und dem Stromsignal, d.h. der Regelgröße, wird in den PWM-Generatoren zugeführt, die die Signale zum Ansteuern der ersten Schaltelemente M1, M3, M5 und der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 erzeugen. Die ersten Schaltelemente und die zweiten Schaltelemente einer Wandlerschaltung werden vorzugsweise abwechselnd geschlossen und geöffnet.
Den Steuerschaltungen 2, 3, 4 wird neben den bereits benannten Signalen auch je ein Taktsignal zugeführt, welches von einem Taktgenerator 8, 9, 10 erzeugt wird. Die Taktgeneratoren 8, 9, 10 erzeugen Taktsignale, die zueinander verschoben sind aber die gleiche Länge und Einschaltdauer haben. Die Taktgeneratoren 8, 9, 10 können miteinander verknüpft sein (nicht dargestellt), um sicherzustellen, dass die Phase zwischen den Taktsignalen stets konstant ist, vorzugsweise 120°, wenn drei Wandlerschaltungen vorgesehen sind.
Die ersten Schaltelemente M1, M3, M5 werden bei einer steigenden Flankedes Taktsignals eingeschaltet und die zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 werden bei einer steigenden Flanke des Taktsignals ausgeschaltet.
Das Ausschalten der ersten Schaltelemente M1, M3, M5 und das Einschalten der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 erfolgt in Abhängigkeit vom Strom, der durch die Stromsensoren 5, 6, 7 gemessen wird und in Abhängigkeit der vom Steuer- und Regelmittel 1 vorgegebenen Führungsgrößen.
Die Wandlerschaltungen Arbeiten bei einem Energietransport vom ersten Netz zum zweiten Netz als Aufwärts-Wandler, d.h. die Spannung im ersten Netz ist geringer als die Spannung im zweiten Netz. Bei umgekehrter Transportrichtung der Energie können die Wandlerschaltungen auch als Abwärts-Wandler betrieben werden.
Die Drosseln L1, L2, L3 sind miteinander gekoppelt, was dadurch erreicht wird, dass die Drosseln auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Steuer- und Regelmittel
2: Steuermittel einer ersten Wandlerschaltung
3: Steuermittel einer zweiten Wandlerschaltung
4: Steuermittel einer dritten Wandlerschaltung
5: Stromsensor der ersten Wandlerschaltung
6: Stromsensor der zweiten Wandlerschaltung
7: Stromsensor der dritten Wandlerschaltung
M1: erstes Schaltelement der ersten Wandlerschaltung
M3: erstes Schaltelement der zweiten Wandlerschaltung
M5: erstes Schaltelement der dritten Wandlerschaltung
M2: zweites Schaltelement der ersten Wandlerschaltung
M4: zweites Schaltelement der zweiten Wandlerschaltung
M6: zweites Schaltelement der dritten Wandlerschaltung
L1: Drossel der ersten Wandlerschaltung
L2: Drossel der zweiten Wandlerschaltung
L3: Drossel der dritten Wandlerschaltung
R1: Messwiderstand der ersten Wandlerschaltung
R2: Messwiderstand der zweiten Wandlerschaltung
R3: Messwiderstand der dritten Wandlerschaltung
8: Taktgenerator der ersten Wandlerschaltung
9: Taktgenerator der zweiten Wandlerschaltung
10: Taktgenerator der dritten Wandlerschaltung
K: gemeinsamer Kern der Drosseln L1, L2, L3
BN1: erster Anschluss des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers
BN2: zweite Anschluss des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers
C1: Kondensator des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers
C2: Kondensator des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007043603 A1 [0003]

Claims

Mehrphasen-Gleichspannungswandler zum Transportieren von Energie zwischen zwei Netzen – mit mehreren Wandlerschaltungen, wobei jede Wandlerschaltung wenigstens ein erstes steuerbares Schaltelement (M1, M3, M5) und eine Drossel (L1, L2, L3) aufweist, – mit einem Regel- oder Steuermittel (1) und – mit einem PWM-Generator je Wandlerschaltung zur Erzeugung eines PWM-Signals zur Ansteuerung des ersten steuerbaren Schaltelements der zugeordneten Wandlerschaltung, wobei die PWM-Generatoren geeignet und eingerichtet sind, die PWM-Signale so zu erzeugen, dass die ersten Schaltelemente (M1, M3, M5) der Wandlerschaltungen mit unterschiedlichen Phasen einschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrphasen-Spannungswandler – je Wandlerschaltung einen Stromsensor (5, 6, 7) zur Erfassung eines Stroms durch die Drossel (L1, L2, L3) der Wandlerschaltung oder einen Stromemulator zur Emulation eines Stroms durch die Drossel (L1, L2, L3) der Wandlerschaltung aufweist und – je Wandlerschaltung einen Regler aufweist, der mit dem Regel- oder Steuermittel (1) und mit dem der Wandlerschaltung zugeordneten Stromsensor (5, 6, 7) oder Stromemulator sowie dem der Wandlerschaltung zugeordneten PWM-Generator verbunden ist, – wobei die Regler zum Regeln des Stroms durch die Drossel (L1, L2, L3) der zugeordneten Wandlerschaltungen geeignet und eingerichtet sind.
Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln (L1, L2, L3) der Wandlerschaltungen gekoppelt sind.
Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regler vom Regel- oder Steuermittel (1) mit je einer Führungsgröße beaufschlagbar sind.
Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Generatoren unmittelbar mit einem Stellgrößen-Ausgang der der gleichen Wandlerschaltung zugeordneten Regler verbunden sind.
Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltungen je nach Transportrichtung der Energie Aufwärtswandler-Schaltungen und Abwärtswandler-Schaltungen sind.