DE102012111063A1 - DC-DC-Wandler und Verfahren zur Steuerung eines DC-DC-Wandlers - Google Patents

DC-DC-Wandler und Verfahren zur Steuerung eines DC-DC-Wandlers Download PDF

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Abstract

Aufgabe Die einfache Durchführung der Umschaltung vom Motorbetrieb auf den regenerativen Betrieb oder der Umschaltung vom regenerativen Betrieb auf die Motorbetrieb in einem DC/DC-Wandler. [Lösung] Es wird ein DC/DC-Wandler mit einem Spannungszwischenkreis-Stromrichter auf der Primärseite eines Transformators und einem Stromzwischenkreis-Stromrichter auf der Sekundärseite des Transformators bereitgestellt. Eine Steuereinheit erzeugt eine erste Stellgröße auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen eines Spannungszwischenkreis-Stromrichters, erzeugt eine zweite Stellgröße auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und erzeugt außerdem auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters und des Spannungszwischenkreis-Stromrichters einen Befehlswert für eine PWM-Regelung oder PFM-Regelung. Die Steuereinheit steuert des Weiteren den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts.

Description

  • [Bezeichnung der Erfindung]
  • DC/DC-Wandler und Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers
  • [Technisches Gebiet]
  • Die vorliegende Erfindung betrifft DC/DC-Wandler.
  • [Technischer Hintergrund]
  • Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler wird verwendet, um den Motorbetrieb und den regenerativen Betrieb z. B. für einen Elektromotor sowie das Laden und Entladen eines Akkumulators durchzuführen (Patentschrift 1).
  • [Schriften zum Stand der Technik]
  • [Patentschriften]
  • [Patentschrift 1]
    • JP 2008-35675 A
  • [Zusammenfassung der Erfindung]
  • [Aufgabe der Erfindung]
  • Bei herkömmlichen bidirektionalen DC/DC-Wandlern konnte jedoch die Umschaltung vom Motorbetrieb auf den regenerativen Betrieb oder die Umschaltung vom regenerativen Betrieb auf den Motorbetrieb nicht einfach durchgeführt werden. Da eine Regelung sowohl für den Motorbetrieb als auch für den regenerativen Betrieb erforderlich ist, bestand z. B. auch das Problem, dass das Regelungssystem kompliziert wurde.
  • Deshalb zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, einen DC/DC-Wandler bereitzustellen, der die Umschaltung vom Motorbetrieb auf den regenerativen Betrieb oder die Umschaltung vom regenerativen Betrieb auf den Motorbetrieb einfach durchführen kann.
  • [Mittel zur Lösung der Aufgabe]
  • Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, umfasst ein erster DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und eine Steuereinheit, um bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein erstes Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters eine erste Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, ein zweites Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters eine zweite Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, und ein drittes Regelungssystem, um auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms einen Befehlswert für eine PWM-Regelung zu erzeugen, umfasst, wobei sie den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts steuert.
  • Im ersten DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Befehlswert, der vom dritten Regelungssystem erzeugt wird, auch ein Befehlswert für eine PFM-Regelung sein. Ferner kann der Strom, der vom Strommesskreis erkannt wird, ein Ein- und Ausgangsstrom an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters sein. Zudem kann die Stellgröße, die vom ersten Regelungssystem erzeugt wird, auf einen ersten bestimmten Bereich begrenzt werden, und die Stellgröße, die vom zweiten Regelungssystem erzeugt wird, kann auf einen zweiten bestimmten Bereich begrenzt werden.
  • Ein zweiter DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und eine Steuereinheit, um den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und der Stromzwischenkreis-Stromrichters bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen ersten Steuermodus, um den Stromwert des Stroms, der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters ausgegeben wird, einem ersten Sollwert zu nähern, und einen zweiten Steuermodus, um den Stromwert des Stroms, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters zugeführt wird, einem zweiten Sollwert zu nähern, umfasst, wobei sie bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators im ersten Steuermodus und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators im zweiten Steuermodus betrieben wird.
  • Ein dritter DC/DC-Wandler der vorliegenden Erfindung umfasst einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und eine Steuereinheit, um bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass diese Steuereinheit einen ersten Steuermodus, um den Stromwert des Stroms, der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters ausgegeben wird, einem ersten Sollwert zu nähern, und einen zweiten Steuermodus, um den Stromwert des Stroms, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters zugeführt wird, einem zweiten Sollwert zu nähern, umfasst, wobei sie bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators im ersten Steuermodus und bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators im zweiten Steuermodus betrieben wird.
  • Ein erstes Verfahren zur Steuerung eines bidirektionalen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers, der einen auf der Primärseite eines Transformators angeordneten Spannungszwischenkreis-Stromrichter und einen auf der Sekundärseite des Transformators angeordneten Stromzwischenkreis-Stromrichter umfasst und in der Lage ist, die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: das Erzeugen einer ersten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen einer zweiten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen eines Befehlswerts für eine PWM-Regelung auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgabestroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und das Steuern des Betriebs des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts, wobei die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße Stellgrößen bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters sind.
  • Im ersten Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Befehlswert, der auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters erzeugt wird, auch ein Befehlswert für eine PFM-Regelung sein.
  • Ein zweites Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers, der einen auf der Primärseite eines Transformators angeordneten Spannungszwischenkreis-Stromrichter und einen auf der Sekundärseite des Transformators angeordneten Stromzwischenkreis-Stromrichter umfasst und in der Lage ist, die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: das Erzeugen einer ersten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen einer zweiten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen eines Befehlswerts für eine PWM-Regelung auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgabestroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, und das Steuern des Betriebs des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts, wobei die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße Stellgrößen bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters sind.
  • Im zweiten Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Befehlswert, der auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters erzeugt wird, auch ein Befehlswert für ein PFM-Regelung sein.
  • Ein DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein DC/DC-Wandler, umfassend einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der mit der Primärseite des Transformators verbunden ist und die Leistungsumsetzung durchführt, indem er die Spannung regelt, die auf der Primärseite des Transformators angelegt wird, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der mit der Sekundärseite des Transformators verbunden ist und die Leistungsumsetzung durchführt, indem er den Strom regelt, der auf der Sekundärseite des Transformators anliegt, eine Steuereinheit, die den Spannungszwischenkreis-Stromrichter und den Stromzwischenkreis-Stromrichter auf der Basis des Erkennungswerts der Spannung, die an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters erzeugt wird, und des Stromwerts des im Spannungszwischenkreis-Stromrichter oder im Stromzwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss im Kern des Transformators durch Einschalten eines Schalters des Stromzwischenkreis-Stromrichters kompensiert wird, und dass eine Periode, in welcher ein im Stromzwischenkreis-Stromrichter eingebautes induktives Element mit Energie aufgefüllt wird, im Schaltbetrieb enthalten ist.
  • Der Stromzwischenkreis-Stromrichter des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er ein induktives Element, der mit einer Mittelabzapfung der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist, ein erstes Schaltelement, das zwischen einem Ende der Sekundärwicklung und der Minuspolseite der Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters verbunden ist, und ein zweites Schaltelement, das zwischen dem anderen Ende der Sekundärwicklung und der Minuspolseite der Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters verbunden ist, umfasst.
  • Die Steuereinheit des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erstes Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters eine erste Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, ein zweites Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters eine zweite Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, und ein drittes Regelungssystem, um auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms einen Befehlswert für eine Regelung zu erzeugen, umfasst, wobei sie den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts steuert.
  • Das dritte Regelungssystem in der Steuereinheit des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Basis des Stromwerts eines im Stromzwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms einen Befehlswert für eine PWM-Regelung erzeugt.
  • Das dritte Regelungssystem in der Steuereinheit des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Basis des Stromwerts eines im Stromzwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms einen Befehlswert für eine PFM-Regelung erzeugt.
  • Das dritte Regelungssystem in der Steuereinheit des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Basis des Stromwerts eines im Spannungszwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms einen Befehlswert für eine PWM-Regelung erzeugt.
  • Das dritte Regelungssystem in der Steuereinheit des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Basis des Stromwerts eines im Spannungszwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms einen Befehlswert für eine PFM-Regelung erzeugt.
  • Ein DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße, die vom ersten Regelungssystem erzeugt wird, auf einen bestimmten ersten Bereich begrenzt wird, und dass die Stellgröße, die vom zweiten Regelungssystem erzeugt wird, auf einen bestimmten zweiten Bereich begrenzt wird.
  • Die Steuereinheit des DC/DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ersten Steuermodus, um den Stromwert des von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters oder Spannungszwischenkreis-Stromrichters ausgegebenen Stroms einem ersten Sollwert zu nähern, und einen zweiten Steuermodus, um den Stromwert des den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters oder Spannungszwischenkreis-Stromrichters zugeführten Stroms einem zweiten Sollwert zu nähern, umfasst, wobei sie bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators im ersten Steuermodus betrieben wird und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators im zweiten Steuermodus betrieben wird.
  • Ein Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers, der einen auf der Primärseite eines Transformators angeordneten Spannungszwischenkreis-Stromrichter und einen auf der Sekundärseite des Transformators angeordneten Stromzwischenkreis-Stromrichter umfasst und in der Lage ist, die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: das Erzeugen einer ersten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen einer zweiten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen eines Befehlswerts auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgabestroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters oder des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, und das Steuern des Schaltbetriebs des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts, wobei die Steuerung den Ein- und Ausgangsstrom an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters oder des Spannungszwischenkreis-Stromrichters regelt.
  • [Wirkung der Erfindung]
  • Wie oben erklärt, kann bei der vorliegenden Erfindung die Umschaltung vom Motorbetrieb auf den regenerativen Betrieb und die Umschaltung vom regenerativen Betrieb auf den Motorbetrieb einfach durchgeführt werden.
  • [Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Schaltschema, das den schematischen Aufbau des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2, des Transformators 3 und des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 von 1 zeigt.
  • 3 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau der Steuereinheit 5 von 1 zeigt.
  • 4 ist ein Zeitdiagramm, das die Wellenform der Gate-Treibersignale S1, S2, Sa bis Sd von 1 zeigt.
  • 5 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau einer Steuereinheit, die in einer zweiten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt.
  • 6 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau einer Steuereinheit, die in einer dritten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt.
  • 7 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau einer Steuereinheit, die in einer vierten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt.
  • 8 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau eines Stromversorgungssystems zeigt, in dem der DC/DC-Wandler von 1 verwendet wird.
  • 9 ist ein Schaltschema, das den schematischen Aufbau eines Stromzwischenkreis-Stromrichters 62 und eines Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4, die in einer fünften Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zeigt.
  • 10 ist eine Figur, bei der in das Zeitdiagramm von 4, das die Wellenform der Gate-Treibersignale S1, S2, Sa bis Sd zeigt, die Perioden T1 bis T4 eingetragen wurden.
  • [Ausführungsformen der Erfindung]
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die Figuren erläutert.
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In 1 umfasst dieser DC/DC-Wandler einen Transformator 3, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4, der eine Leistungsumsetzung durchführt, indem er eine auf der Primärseite des Transformators 3 anliegende Spannung regelt, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter 2, der eine Leistungsumsetzung durchführt, indem er einen auf der Sekundärseite des Transformators 3 fließenden Strom regelt, und eine Steuereinheit 5 zur Steuerung des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 und des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2.
  • Wenn die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 erfolgt, wird der Strom, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird, durch den Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 in Wechselstrom umgewandelt. Dieser Wechselstrom wird über den Transformator 3 vom Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 empfangen. Dann wird der Wechselstrom, der vom Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 über den Transformator 3 empfangen wurde, durch den Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 in Gleichstrom umgewandelt. Dieser Gleichstrom wird von den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 ausgegeben.
  • Wenn die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 erfolgt, wird der Gleichstrom, der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 zugeführt wird, durch den Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 in Wechselstrom umgewandelt. Dieser Wechselstrom wird über den Transformator 3 vom Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 empfangen. Dann wird der Wechselstrom, der vom Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 über den Transformator 3 empfangen wurde, durch den Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 in Gleichstrom umgewandelt. Dieser Gleichstrom wird von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegeben.
  • Hierin wird die Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 als Spannung V2 bezeichnet, die Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 wird als Spannung V1 bezeichnet, und der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegebene Strom wird als Strom I bezeichnet. Der Wert von Strom I nimmt dabei einen positiven Wert an, wenn der Strom von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegeben wird, und nimmt einen negativen Wert an, wenn der Strom den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird. Die Steuereinheit 5 regelt die Zunahme und Abnahme des Stroms I, indem sie die Spannung V1, die Spannung V2 und den Strom I abfragt.
  • Wenn die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 erfolgt, fragt die Steuereinheit 5 die Spannung V1, die Spannung V2 und den Strom I ab, um die Zunahme und Abnahme des Stroms (I) zu regeln, der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegeben wird. Wenn zum Beispiel die Spannung V2 erhöht werden soll oder die Spannung V1 gesenkt werden soll, werden der Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 und der Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 so gesteuert, dass der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegebene Strom (I) zunimmt, und wenn die Spannung V2 gesenkt werden soll oder die Spannung V1 erhöht werden soll, werden der Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 und der Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 so gesteuert, dass der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegebene Strom (I) abnimmt. Andererseits, wenn die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 erfolgt, werden die Spannung V1, die Spannung V2 und der Strom I abgefragt, um die Zunahme und Abnahme des Stroms (–I) zu regeln, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird. Wenn zum Beispiel die Spannung V1 erhöht werden soll, werden der Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 und der Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 so gesteuert, dass der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführte Strom (–I) zunimmt (der Absolutwert des Stroms I, der ein negativer Wert ist, größer wird), und wenn die Spannung V1 gesenkt werden soll, werden der Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 und der Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 so gesteuert, dass der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführte Strom (–I) abnimmt (der Absolutwert des Stroms I, der ein negativer Wert ist, kleiner wird).
  • 2 ist ein Schaltschema, das den schematischen Aufbau des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2, des Transformators 3 und des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 von 1 darstellt. In der Ausführungsform von 2 wurde als Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 eine Gegentaktstruktur verwendet, und als Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 wurde eine Vollbrückenstruktur verwendet.
  • Der Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 weist als Hauptkomponenten die Schaltelemente Q1, Q2 und ein induktives Element L auf. Das Schaltelement Q1 ist zwischen einem Ende der Sekundärwicklung des Transformators 3 und der Minuspolklemmenseite verbunden, das Schaltelement Q2 ist zwischen dem anderen Ende der Sekundärwicklung des Transformators 3 und der Minuspolklemmenseite verbunden. Ferner ist zwischen der Mittelabzapfung der Sekundärwicklung und der Pluspolklemmenseite des Transformators 3 ein induktives Element L verbunden.
  • Hierin bestehen die Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 aus einer Pluspolklemme und einer Minuspolklemme, wobei die Spannung zwischen der Pluspolklemme und der Minuspolklemme der Spannung V2 entspricht.
  • Der Spannungszwischenkreis-Stromrichter 4 weist als Hauptkomponenten Schaltelemente Qa bis Qd und einen Glättungskondensator C auf. Die Schaltelemente Qa, Qb sind miteinander in Reihe geschaltet, und die Schaltelemente Qc, Qd sind miteinander in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der Schaltelemente Qa, Qb und die Reihenschaltung der Schaltelemente Qc, Qd sind miteinander parallelgeschaltet, und zwischen dem Verbindungspunkt der Schaltelemente Qa, Qb und dem Verbindungspunkt der Schaltelemente Qc, Qd ist die Primärwicklung des Transformators 3 verbunden. Ferner sind die Reihenschaltung der Schaltelemente Qa, Qb, die Reihenschaltung der Schaltelemente Qc, Qd und der Glättungskondensator C zwischen der Pluspolklemmenseite und der Minuspolklemmenseite verbunden. Hierin bestehen Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 aus einer Pluspolklemme und einer Minuspolklemme, wobei die Spannung zwischen der Pluspolklemme und der Minuspolklemme der Spannung V1 entspricht.
  • Als Schaltelemente Q1, Q2, Qa bis Qd können Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren oder IGBTs verwendet werden. Auch Body-Dioden können als Schaltelemente Q1, Q2, Qa bis Qd gebildet werden.
  • 3 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau der Steuereinheit 5 von 1 zeigt.
  • In 3 besteht die Steuereinheit 5 aus einem ersten Spannungsregelungssystem 101, einem zweiten Spannungsregelungssystem 102 und einem Stromregelungssystem 103. Das Stromregelungssystem 103 ist dem ersten Spannungsregelungssystem 101 und dem zweiten Spannungsregelungssystem 102 nachgeschaltet. Der Ausgabewert, der vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegeben wird, und der Ausgabewert, der vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 ausgegeben wird, werden daher in das Stromregelungssystem 103 eingegeben.
  • Im ersten Spannungsregelungssystem 101 ist einem Subtrahierer 11 eine Totzone 12 (Totzonenschaltung) nachgeschaltet, der Totzone 12 ist ein Konstantspannungsregler 13 nachgeschaltet, und dem Konstantspannungsregler 13 ist ein Begrenzer 14 nachgeschaltet. Der Konstantspannungsregler 13 vergleicht die Spannung V1 mit ihrem Sollwert V1_ref, erzeugt auf der Basis des Vergleichsergebnisses die Stellgröße des Stroms I und gibt diese Stellgröße aus. Mit der Totzone 12 kann ein zulässiger Variationsbereich der Spannung V1 so eingestellt werden, dass der Konstantspannungsregler 13 nicht betrieben wird, wenn die Spannung innerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Der Begrenzer 14 ist angeordnet, um den Bereich der Stellgröße, die vom Konstantspannungsregler 13 ausgegeben wird, zu begrenzen. Wenn die vom Konstantspannungsregler 13 ausgegebene Stellgröße innerhalb des im Begrenzer 14 eingestellten Bereichs liegt, wird die vom Konstantspannungsregler 13 ausgegebene Stellgröße vom ersten Spannungsregelungssystem 101 unverändert ausgegeben. Andererseits, wenn die vom Konstantspannungsregler 13 ausgegebene Stellgröße außerhalb des im Begrenzer 14 eingestellten Bereichs liegt, wird vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ein im Begrenzer 14 eingestellter unterer Grenzwert oder oberer Grenzwert ausgegeben.
  • Im zweiten Spannungsregelungssystem 102 ist einem Subtrahierer 21 ein Konstantspannungsregler 23 nachgeschaltet, und dem Konstantspannungsregler 23 ist ein Begrenzer 24 nachgeschaltet. Der Konstantspannungsregler 23 vergleicht die Spannung V2 mit ihrem Sollwert V2_ref, erzeugt auf der Basis des Vergleichsergebnisses die Stellgröße des Stroms I und gibt diese Stellgröße aus. Der Begrenzer 24 ist angeordnet, um den Bereich der Stellgröße, die vom Konstantspannungsregler 23 ausgegeben wird, zu begrenzen. Wenn die vom Konstantspannungsregler 23 ausgegebene Stellgröße innerhalb des im Begrenzer 24 eingestellten Bereichs liegt, wird die vom Konstantspannungsregler 23 ausgegebene Stellgröße vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 unverändert ausgegeben. Andererseits, wenn die vom Konstantspannungsregler 23 ausgegebene Stellgröße außerhalb des im Begrenzer 24 eingestellten Bereichs liegt, wird vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 ein im Begrenzer 24 eingestellter unterer Grenzwert oder oberer Grenzwert ausgegeben.
  • Im Stromregelungssystem 103 ist einem Addierer 31 ein Addierer/Subtrahierer 32 nachgeschaltet, dem Addierer/Subtrahierer 32 ist ein Konstantstromregler 33 nachgeschaltet, und dem Konstantstromregler 33 ist ein Begrenzer 34 nachgeschaltet. Der Konstantstromregler 33 vergleicht den Wert der Addition aus der Stellgröße, die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegeben wurde, und der Stellgröße, die vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 ausgegeben wurde, mit dem Strom I. Dann erzeugt er auf der Basis des Vergleichsergebnisses einen Befehlswert für die relative Einschaltdauer in einer PWM (Pulsbreitenmodulation)-Regelung und gibt diesen Befehlswert aus. Der Begrenzer 34 ist angeordnet, um den Bereich des Befehlswerts, der vom Konstantstromregler 33 ausgegeben wird, zu begrenzen. Wenn der vom Konstantstromregler 33 ausgegebene Befehlswert innerhalb des im Begrenzer 24 eingestellten Bereichs liegt, wird der vom Konstantstromregler 33 ausgegebene Befehlswert vom Stromregelungssystem 103 unverändert ausgegeben. Andererseits, wenn der vom Konstantstromregler 33 ausgegebene Befehlswert außerhalb des im Begrenzer 34 eingestellten Bereichs liegt, wird ein im Begrenzer 34 eingestellter unterer Grenzwert oder oberer Grenzwert vom Stromregelungssystem 103 ausgegeben. Im Falle einer PFM(Pulsfrequenzmodulation)-Regelung erzeugt der Konstantstromregler 33 einen Befehlswert für eine Frequenz in einer PFM(Pulsfrequenzmodulation)-Regelung. Die Regelparameter des Konstantstromreglers 33 können bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 auf einen gemeinsamen Wert eingestellt werden.
  • Bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 können die Begrenzer 14, 24, 34 wie folgt eingestellt werden.
    Begrenzer 14: unterer Grenzwert = –ΔI, oberer Grenzwert = ΔI
    Begrenzer 24: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = I_ref
    Begrenzer 34: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = maximale relative Einschaltdauer
  • Hier ist I_ref der Sollwert des Stroms I, der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegeben wird, und ΔI kann auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Wenn die Bereiche der Begrenzer 14, 24, 34 auf diese Weise eingestellt wurden, wird die Ausgabe des ersten Spannungsregelungssystems 101, des zweiten Spannungsregelungssystems 102 und des Stromregelungssystems 103 wie folgt begrenzt. Wenn die vom Konstantspannungsregler 13 ausgegebene Stellgröße größer ist als ΔI, wird die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegebene Stellgröße gleich ΔI, und wenn die vom Konstantspannungsregler 13 ausgegebene Stellgröße kleiner ist als –ΔI, wird die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegebene Stellgröße gleich –ΔI. Wenn die vom Konstantspannungsregler 23 ausgegebene Stellgröße größer ist als I_ref, wird die vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 ausgegebene Stellgröße gleich I_ref, und wenn die vom Konstantspannungsregler 23 ausgegebene Stellgröße kleiner ist als 0, wird die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegebene Stellgröße gleich 0. Wenn der vom Konstantstromregler 33 ausgegebene Befehlswert größer ist als der Maximalwert der relativen Einschaltdauer, wird der vom Stromregelungssystem 103 ausgegebene Befehlswert gleich dem Maximalwert der relativen Einschaltdauer, und wenn der vom Konstantstromregler 33 ausgegebene Befehlswert kleiner ist als 0, wird der vom Stromregelungssystem 103 ausgegebene Befehlswert gleich 0. Der Maximalwert des Werts der Addition aus der Stellgröße, die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegeben wird, und der Stellgröße, die vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 ausgegeben wird, ist daher I_ref + ΔI und der Minimalwert –ΔI. Demnach variiert der Strom I zwischen I_ref + ΔI und –ΔI.
  • Bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 können die Begrenzer 14, 24, 34 wie folgt eingestellt werden.
    Begrenzer 14: unterer Grenzwert = –I_ref, oberer Grenzwert = 0
    Begrenzer 24: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = 0
    Begrenzer 34: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = maximale relative Einschaltdauer
  • Bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 erfolgt eine Regelung, die den Strom, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird, zu- oder abnehmen lässt. Der Sollwert des Stroms I ist ein negativer Wert.
  • In diesem Beispiel wird die Stellgröße, die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegeben wird, auf den Bereich von –I_ref bis 0 begrenzt. Das heißt, vom ersten Spannungsregelungssystem 101 wird eine Stellgröße ausgegeben, die den Strom, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird, innerhalb eines Bereichs von 0 bis I_ref variieren lässt. Da der untere Grenzwert und der obere Grenzwert des Begrenzers 24 auf 0 eingestellt sind, ist die Stellgröße, die vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 ausgegeben wird, stets gleich 0. Durch den Einstellwert des Begrenzers 24 kann so die Funktion des zweiten Spannungsregelungssystems 102 im Wesentlichen abgeschaltet werden. Das Stromregelungssystem 103 vergleicht die Stellgröße, die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegeben wird, mit dem Strom I und erzeugt auf der Basis des Vergleichsergebnisses einen Befehlswert für die relative Einschaltdauer.
  • Die Arbeitsweise wird für den Fall beschrieben, dass die Begrenzer 14, 24, 34 wie oben angegeben eingestellt wurden.
  • Zuerst wird der Fall der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 beschrieben. Bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 wird der zulässige Variationsbereich der Totzone 12 auf 0 eingestellt. Der Subtrahierer 11 subtrahiert die Spannung V1, die die Erkennungsspannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 ist, vom Sollwert V1_ref und gibt diesen Wert aus. Dieser Subtraktionswert wird über die Totzone 12 in den Konstantspannungsregler 13 eingegeben. Der Konstantspannungsregler 13 erzeugt eine derartige Stellgröße, dass dieser Subtraktionswert sich 0 nähert (eine derartige Stellgröße, dass die Spannung V1 sich dem Sollwert V1_ref nähert). Diese Stellgröße wird vom Begrenzer 14 auf den Bereich von –I_ref bis 0 begrenzt, wonach sie vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegeben wird. Dann wird sie über den Addierer 31 an den Addierer/Subtrahierer 32 ausgegeben.
  • Die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegebene Stellgröße wird über den Addierer 31 in den Addierer/Subtrahierer 32 eingegeben. Der Addierer/Subtrahierer 32 addiert den Ausgabewert des Addierers 31 mit dem Sollwert I_ref des Ladestroms und subtrahiert von diesem Additionswert den Erkennungswert des Stroms I. Dieser Berechnungswert wird in den Konstantstromregler 33 eingegeben. Der Konstantstromregler 33 erzeugt einen derartigen Befehlswert, dass dieser Berechnungswert sich 0 nähert. Der Begrenzer 34 begrenzt diesen Befehlswert auf einen Bereich von 0 bis zur maximalen relativen Einschaltdauer, wonach er die relative Einschaltdauer als Befehl Duty für die relative Einschaltdauer ausgibt.
  • Als nächstes wird der Fall der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 beschrieben. Bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 werden Stellgrößen der Einstellung der Begrenzer 14, 24 entsprechend von sowohl dem ersten Spannungsregelungssystem 101 als auch dem Spannungsregelungssystem 102 ausgegeben. Die Stellgröße, die vom ersten Spannungsregelungssystem 101 ausgegeben wird, wird so eingestellt, dass sie sowohl einen positiven als auch einen negativen Wert annehmen kann.
  • Der zulässige Variationsbereich der Totzone 12 des ersten Spannungsregelungssystems 101 wird auf einen beliebigen Wert über 0 eingestellt. Der Subtrahierer 11 subtrahiert die Spannung V1 vom Sollwert V1_ref. Dieser Subtraktionswert wird über die Totzone 12 in den Konstantspannungsregler 13 eingegeben.
  • Der Konstantspannungsregler 13 erzeugt eine derartige Stellgröße, dass der eingegebene Subtraktionswert sich 0 nähert (eine derartige Stellgröße, dass der Erkennungswert der Spannung V1 sich dem Sollwert der Rail-Spannung V1_ref nähert). Der Begrenzer 14 begrenzt diese Stellgröße auf einen Bereich von –ΔI bis ΔI. Die vom Begrenzer 14 ausgegebene Stellgröße wird in den Addierer 31 eingegeben.
  • Der Subtrahierer 21 subtrahiert die Spannung V2, die die Erkennungsspannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ist, vom Sollwert V2_ref. Dieser Subtraktionswert wird in den Konstantspannungsregler 23 eingegeben.
  • Der Konstantspannungsregler 23 erzeugt eine derartige Stellgröße, dass der eingegebene Subtraktionswert sich 0 nähert (eine derartige Stellgröße, dass die Spannung V2 sich dem Sollwert V2_ref nähert). Der Begrenzer 24 begrenzt diese Stellgröße auf einen Bereich von 0 bis I_ref. Die vom Begrenzer 14 ausgegebene Stellgröße wird in den Addierer 31 eingegeben.
  • Der Addierer 31 addiert die Ausgabewerte aus den Begrenzern 14, 24. Dieser Additionswert wird in den Addierer/Subtrahierer 32 eingegeben. Der Addierer/Subtrahierer 32 addiert den Ausgabewert des Addierers 31 und den Sollwert I_ref und subtrahiert von diesem Additionswert den Strom I, der der Erkennungswert des von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegebenen Stroms ist. Dieser Berechnungswert wird in den Konstantstromregler 33 eingegeben. Der Konstantstromregler 33 erzeugt einen derartigen Befehlswert, dass der Ausgabewert des Addierers/Subtrahierers 32 sich 0 nähert. Der Begrenzer 34 begrenzt diesen Befehlswert auf einen Bereich von 0 bis zur maximalen relativen Einschaltdauer, wonach er die relative Einschaltdauer als Befehl Duty für die relative Einschaltdauer ausgibt.
  • Als nächstes werden die Gate-Treibersignale S1, S2, Sa bis Sd beschrieben, die auf der Basis des Befehls Duty für die relative Einschaltdauer erzeugt werden. Die Schaltelemente Q1, Q2 in 2 werden durch die Gate-Treibersignale S1, S2 angesteuert, die Schaltelemente Qa bis Qd in 2 werden durch die Gate-Treibersignale Sa bis Sd angesteuert.
  • 4 ist ein Zeitdiagramm, das die Wellenform der Gate-Treibersignale S1, S2, Sa bis Sd von 1 zeigt. Die relative Einschaltdauer der Gate-Treibersignale Sa bis Sd wird auf der Basis des Befehls Duty für die relative Einschaltdauer eingestellt. Und die relativen Einschaltdauern der Gate-Treibersignale Sa bis Sd werden so eingestellt, dass sie einander entsprechen. Hierbei sind die Gate-Treibersignale Sa, Sd und die Gate-Treibersignale Sb, Sc um eine Halbperiode phasenverschoben.
  • Das Gate-Treibersignal S1 wird durch Umkehrung der Gate-Treibersignale Sb, Sc erzeugt, und das Gate-Treibersignal S2 wird durch Umkehrung der Gate-Treibersignale Sa, Sd erzeugt. Auf diese Weise ist es möglich, alle Gate-Treibersignale S1, S2, Sa bis Sd auf der Basis des Befehls Duty für die relative Einschaltdauer zu erzeugen.
  • Wenn bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 die Spannung V2 abnimmt, wird das zweite Spannungsregelungssystem 102 in 3 betrieben, um die Spannung V2 zu erhöhen. Wenn die Spannung V1 abnimmt, wird das erste Spannungsregelungssystem 101 betrieben, um die Spannung V1 zu erhöhen. Dieser Betrieb des ersten Spannungsregelungssystems 101 und des zweiten Spannungsregelungssystems 102 wird parallel durchgeführt.
  • Indem der Betrieb des ersten Spannungsregelungssystems 101 und der Betrieb des zweiten Spannungsregelungssystems 102 auf diese Weise parallel durchgeführt wird, kann die Schwankung der Spannung V1 bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators unterdrückt werden. Wenn zum Beispiel die Spannung V2 abgenommen hat, weil die Spannung V1 abgenommen hat, ist es möglich, die Erhöhung der Spannung V2 zu unterdrücken und die Spannung V1 zu erhöhen.
  • Im Folgenden wird das Regelungsverfahren für den Stromwert Bezug nehmend auf 2 und 10 ausführlich beschrieben. 10 ist eine Figur, bei der in das Zeitdiagramm von 4, das die Wellenform der Gate-Treibersignale S1, S2, Sa bis Sd zeigt, die Perioden T1 bis T4 eingetragen wurden.
  • Zuerst wird der Fall erklärt, bei dem die Schaltelemente Q1, Q2 beide eingeschaltet sind. In den Perioden T2, T4, die in 10 gezeigt werden, sind die Schaltelemente Q1, Q2 eingeschaltet. Wenn die Schaltelemente Q1, Q2 eingeschaltet sind, sind die Schaltelemente Qa bis Qd ausgeschaltet, weshalb beide Enden der Primärwicklung des Transformators 3 im offenen Zustand sind. Das heißt, an keiner der beiden Enden der Primärwicklung des Transformators 3 liegt die Spannung V1 an.
  • Wenn die Schaltelemente Q1, Q2 eingeschaltet sind, fließt andererseits in beiden Wicklungen Strom von der Mittelabzapfung der Sekundärwicklung des Transformators 3 zum Schaltelement Q1 und zum Schaltelement Q2. Dabei sind beide Enden der Sekundärwicklung des Transformators 3 im kurzgeschlossenen Zustand, weshalb auf der Sekundärseite des Transformators 3 keine Spannung erzeugt wird.
  • Daher weisen die Eingangsspannung V2 und der Strom I (die Pfeilrichtung in 2 ist positiv) die in Gleichung 1 gezeigte Beziehung auf. In der Gleichung wird dabei die Induktivität des induktiven Elements L durch L ausgedrückt. V2 + L × dI/dt = 0 (Gleichung 1)
  • Der Strom in dieser Periode ändert sich mit einer Änderungsrate (dI/dt), die die Gleichung 1 erfüllt. Wenn folglich der Strom in dieser Periode in Richtung des Pfeils von 2 fließt, nimmt der Strom mit einer Änderungsrate (dI/dt) ab, die die Gleichung 1 erfüllt. Andererseits, wenn der Strom entgegen der Richtung des Pfeils von 2 fließt, nimmt der Strom mit einer Änderungsrate (dI/dt) zu, die die Gleichung 1 erfüllt.
  • Als nächstes wird der Fall erläutert, in dem nur eines der Schaltelemente Q1, Q2 eingeschaltet ist. In der Periode T1, die in 10 gezeigt wird, sind die Schaltelemente Q2, Qb, Qc eingeschaltet, und in der Periode T3 sind die Schaltelemente Q1, Qa, Qd eingeschaltet. Wenn die Schaltelemente Qb, Qc eingeschaltet sind, oder wenn die Schaltelemente Qa, Qd eingeschaltet sind, liegt an beiden Enden der Primärwicklung des Transformators 3 die Spannung V1 an.
  • Die Polarität der anliegenden Spannung V1, wenn die Schaltelemente Qb, Qc eingeschaltet sind, ist jedoch umgekehrt zur Polarität der anliegenden Spannung V1, wenn die Schaltelemente Qa, Qd eingeschaltet sind. Wenn das Wicklungszahlverhältnis auf der Primärseite und auf der Sekundärseite des Transformators n1:n2 ist, ist die Spannung, die in den Perioden T1, T3 auf der Sekundärseite des Transformators 3 erzeugt wird V1 × (n2/n1). Daher gilt in den Perioden T1, T3 die folgende Gleichung 2. V2 + L × dI/dt = V1 × (n2/n1) (Gleichung 2)
  • Der Strom in dieser Periode ändert sich mit einer Änderungsrate (dI/dt), die die Gleichung 2 erfüllt. Wenn folglich der Strom in dieser Periode in Richtung des Pfeils von 2 fließt, nimmt der Strom mit einer Änderungsrate, (dI/dt) zu, die die Gleichung 2 erfüllt. Andererseits, wenn der Strom entgegen der Pfeilrichtung von 2 fließt, nimmt der Strom mit einer Änderungsrate (dI/dt) ab, die die Gleichung 2 erfüllt.
  • Gleichung 1 und Gleichung 2 gelten sowohl für den Fall, dass die Leistung von der Primärseite zur Sekundärseite übertragen wird, als auch für den Fall, dass die Leistung von der Sekundärseite zur Primärseite übertragen wird. Wenn die sekundärseitige Spannung gesenkt werden soll, oder wenn die primärseitige Spannung erhöht werden soll, werden die Perioden T2, T4, d. h. die Zeit, in welcher die Schaltelemente Q1, Q2 beide eingeschaltet sind (die Zeit, in welcher die Schaltelemente Qa bis Qd alle ausgeschaltet sind), verlängert.
  • Umgekehrt, wenn die sekundärseitige Spannung erhöht werden soll, oder wenn die primärseitige Spannung gesenkt werden soll, werden die Perioden T1, T3, d. h. die Zeit, in welcher eines der Schaltelemente Q1, Q2 eingeschaltet ist (die Zeit, in welcher die Schaltelemente Qb, Qc eingeschaltet sind, oder die Zeit, in welcher die Schaltelemente Qa, Qd eingeschaltet sind), verlängert.
  • Die Richtung, in welcher der Strom I fließt, wird auf der Basis der Beziehung von V2 und V1 × (n2/n1) (Spannungsdifferenz) und der Beziehung der Perioden T2, T4 und der Perioden T1, T3 (Verhältnis beider Perioden T1:T2 und T3:T4) bestimmt.
  • Da es in der vorliegenden Erfindung möglich ist, V1 und V2 unabhängig von der Richtung, in welcher der Strom I fließt, durch die gleiche Regelung zu regeln, kann die Umschaltung vom Motorbetrieb auf den regenerativen Betrieb oder vom regenerativen Betrieb auf den Motorbetrieb auf einfache Weise durchgeführt werden.
  • 5 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau einer Steuereinheit, die in einer zweiten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt.
  • In 5 ist statt des Stromregelungssystems 103 von 3 ein Stromregelungssystem 104 angeordnet. In diesem Stromregelungssystem 104 ist dem Addierer/Subtrahierer 32 ein Begrenzer 41 vorgeschaltet.
  • Bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 kann der Begrenzer 41 wie folgt eingestellt werden.
    Begrenzer 41: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = I_ref
  • Hier zeigt ein positiver Wert den Stromwert eines Stroms an, der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegeben wird, und ein negativer Wert zeigt den Stromwert eines Stroms an, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird.
  • Bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 kann der Begrenzer 41 wie folgt eingestellt werden.
    Begrenzer 41: unterer Grenzwert = –I_ref, oberer Grenzwert = 0
  • Dadurch, dass dem Addierer/Subtrahierer 32 ein Begrenzer 41 vorgeschaltet ist, kann der Ausgabewert des Addierers 31 auf einen Bereich von 0 bis I_ref begrenzt werden. Das heißt, die Gesamtsumme aus der Stellgröße, die durch den Betrieb des ersten Spannungsregelungssystems 101 empfangen wird, und der Stellgröße, die vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 empfangen wird, kann auf einen Bereich von 0 bis I_ref begrenzt werden.
  • 6 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau einer Steuereinheit, die in einer dritten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt.
  • In 6 ist statt des Stromregelungssystems 103 von 3 ein Stromregelungssystem 105 angeordnet. In diesem Stromregelungssystem 105 ist statt des Addierers/Subtrahierers 32 ein Subtrahierer 32' angeordnet. In diesem Subtrahierer 32' entfällt die Eingabe des Sollwerts I_ref, und der Erkennungswert des Stroms I wird vom Ausgabewert des Addierers 31 subtrahiert.
  • In diesem Regelungssystem können bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 die Begrenzer 14, 24, 34 wie folgt eingestellt werden.
    Begrenzer 14: unterer Grenzwert = –ΔI, oberer Grenzwert = ΔI
    Begrenzer 24: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = I_ref
    Begrenzer 34: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = maximale relative Einschaltdauer
  • Hier zeigt ein positiver Wert einen Stromwert eines Stroms an, der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegeben wird, und ein negativer Wert zeigt einen Stromwert eines Stroms an, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird. In diesem Fall ist der Bereich des Stroms I der Bereich von –ΔI bis I_ref +ΔI. Der Strom I ist im Bereich von 0 bis I_ref +ΔI ein Strom, der von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ausgegeben wird, und im Bereich von –ΔI bis 0 ist er ein Strom, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird.
  • Bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 kann des Weiteren die Ausgabe der Begrenzer 14, 24, 34 wie folgt begrenzt werden:
    Begrenzer 14: unterer Grenzwert = –I_ref, oberer Grenzwert = 0
    Begrenzer 24: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = 0
    Begrenzer 34: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = maximale relative Einschaltdauer
  • In diesem Fall ist der Bereich des Stroms I der Bereich von – I_ref bis 0. Der Strom I ist der Strom, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird.
  • 7 ist ein Blockschaltbild, das den schematischen Aufbau einer Steuereinheit, die in einer vierten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt.
  • In 7 ist statt des Stromregelungssystems 105 von 6 ein Stromregelungssystem 106 angeordnet. In diesem Stromregelungssystem 106 ist dem Subtrahierer 32' des Stromregelungssystems 105 ein Begrenzer 41 vorgeschaltet.
  • Bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators 3 können die Begrenzer 14, 24, 34, 41 wie folgt eingestellt werden:
    Begrenzer 14: unterer Grenzwert = –ΔI, oberer Grenzwert = ΔI
    Begrenzer 24: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = I_ref
    Begrenzer 34: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = maximale relative Einschaltdauer
    Begrenzer 41: unterer Grenzwert = 0, oberer Grenzwert = I_ref
  • In diesem Fall wird die Gesamtsumme aus der Stellgröße, die durch den Betrieb des ersten Spannungsregelungssystems 101 empfangen wird, und der Stellgröße, die vom zweiten Spannungsregelungssystem 102 empfangen wird, auf einen Bereich von 0 bis I_ref begrenzt.
  • Bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators 3 kann die Ausgabe der Begrenzer 14, 24, 34, 41 wie folgt begrenzt werden.
    Begrenzer 14: Minimalwert = –I_ref, Maximalwert = 0
    Begrenzer 24: Minimalwert = 0, Maximalwert = 0
    Begrenzer 34: Minimalwert = 0, Maximalwert = maximale relative Einschaltdauer
    Begrenzer 41: Minimalwert = –I_ref, Maximalwert = 0
  • In diesem Fall ist der Bereich des Stroms I der Bereich von – I_ref bis 0. Der Strom I ist der Strom, der den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 zugeführt wird.
  • 8 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel eines Stromversorgungssystems, in dem der DC/DC-Wandler von 1 verwendet wird, zeigt.
  • In 8 ist eine Last 53 über einen AC/DC-Wandler 52 mit einer Wechselstromquelle 51 verbunden. Als Last 53 kann zum Beispiel ein mit Gleichstrom betriebenes Elektrogerät oder ein Gleichstrommotor verwendet werden. Auch eine Solarzelle oder ein Stromgenerator kann verwendet werden.
  • Mit der Last 53 ist über einen DC/DC-Wandler 54 ein Kondensator 1 verbunden.
  • Der Wechselstrom, der von der Wechselstromquelle 51 ausgegeben wird, wird vom AC/DC-Wandler 52 in Gleichstrom umgewandelt und an die Last 53 abgegeben.
  • Wenn in der Last 53 erzeugte Energie im Kondensator 1 gespeichert wird, wird die Spannung V1 vom DC/DC-Wandler 54 in die Spannung V2 umgewandelt, und der Kondensator 1 wird mit dieser Spannung V2 aufgeladen. Andererseits, wenn die Wechselstromquelle 51 getrennt wurde, wird die Spannung V2 vom DC/DC-Wandler 54 in die Spannung V1 umgewandelt, und diese umgewandelte Spannung an die Last 53 abgegeben.
  • Hierbei kann durch die Verwendung eines DC/DC-Wandlers 54 mit der in 1 gezeigten Struktur die Schwankung der Spannung V1 beim Aufladen unterdrückt werden. Wenn die Spannung V2 zum Beispiel abgenommen hat, weil die Spannung V1 abgenommen hat, ist es möglich, die Erhöhung der Spannung V2 zu unterdrücken und die Rail-Spannung V1 zu erhöhen.
  • 9 ist ein Schaltschema, das den schematischen Aufbau eines Stromzwischenkreis-Stromrichters 62 und eines Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4, die in einer fünften Ausführungsform des DC/DC-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zeigt. In der Ausführungsform von
  • 9 wurde als Stromzwischenkreis-Stromrichter 62 eine Vollbrückenstruktur als Beispiel genommen.
  • In 9 wurden statt des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 und des Transformators 3 von 1 ein Stromzwischenkreis-Stromrichter 62 und ein Transformator 63 angeordnet. Der restliche Aufbau entspricht dem von 1.
  • Der Stromzwischenkreis-Stromrichter 62 besteht aus Schaltelementen Q11 bis Q14 und einem induktiven Element L2. Die Schaltelemente Q11, Q12 sind miteinander in Reihe geschaltet, und die Schaltelemente Q13, Q14 sind miteinander in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der Schaltelemente Q11, Q12 und die Reihenschaltung der Schaltelemente Q13, Q14 sind miteinander parallelgeschaltet, und zwischen dem Verbindungspunkt der Schaltelemente Q11, Q12 und dem Verbindungspunkt der Schaltelemente Q13, Q14 ist die Sekundärwicklung des Transformators 63 verbunden. Und das induktive Element L2 ist mit dem Verbindungspunkt der Schaltelemente Q11, Q13 verbunden.
  • Als Schaltelemente Q11 bis Q14 können Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren oder IGBTs verwendet werden. Auch Body-Dioden können als Schaltelemente Q11 bis Q14 gebildet werden.
  • Bei diesem DC/DC-Wandler steuert das Gate-Treibersignal S1 von 4 das Gate der Schaltelemente Q12, Q13 an und das Gate-Treibersignal S2 von 4 das Gate der Schaltelemente Q11, Q14. Die restliche Arbeitsweise entspricht der des DC/DC-Wandlers von 1.
  • Der Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 mit der Gegentaktstruktur von 2 ist wirksam, wenn die Spannung V2 niedrig ist oder wenn der Variationsbereich der Spannung V1 eng ist. Mit diesem Stromzwischenkreis-Stromrichter 2 kann die Schaltungsstruktur im Vergleich zum Stromzwischenkreis-Stromrichter 62 mit der Vollbrückenstruktur von 9 vereinfacht werden.
  • Andererseits, wenn die Spannung V2 hoch ist oder wenn der Variationsbereich der Spannung V1 weit ist, wird die Spannungsbeanspruchung der Schaltelemente Q1, Q2 groß, weshalb der Stromzwischenkreis-Stromrichter 62 mit der Vollbrückenstruktur von 9 geeignet ist.
  • In dieser Ausführungsform wird die Regelung durchgeführt, indem ein Ein- und Ausgangsstrom an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 erkannt wird und eine Regelgröße für diesen Strom erzeugt wird, die Regelung kann aber auch durchgeführt werden, indem ein Ein- und Ausgangsstrom an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 erkannt wird und für diesen Strom eine Regelgröße erzeugt wird. Ferner kann die Regelung durchgeführt werden, indem, wenn von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 ein Strom ausgegeben wird, ein Ein- und Ausgangsstrom an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters 2 erkannt wird und eine Regelgröße für diesen Strom erzeugt wird, und die Regelung kann auch durchgeführt werden, indem, wenn von den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 ein Strom ausgegeben wird, ein Ein- und Ausgangsstrom an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters 4 erkannt wird und eine Regelgröße für diesen Strom erzeugt wird.
  • [Industrielle Anwendbarkeit]
  • Der DC/DC-Wandler der vorliegenden Erfindung kann als bidirektionaler DC/DC-Wandler verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kondensator
    2, 62
    Stromzwischenkreis-Stromrichter
    3, 63
    Transformator
    4
    Spannungszwischenkreis-Stromrichter
    5
    Steuereinheit
    L, L2
    induktives Element
    C
    Glättungskondensator
    Q1, Q2, Qa bis Qd, Q11 bis Q14
    Schaltelemente
    11, 21, 32'
    Subtrahierer
    12
    Totzone
    13, 23
    Konstantspannungsregler
    14, 24, 34, 41
    Begrenzer
    31
    Addierer
    32
    Addierer/Subtrahierer
    33
    Konstantstromregler
    51
    Wechselstromquelle
    52
    AC/DC-Wandler
    53
    Last
    54
    DC/DC-Wandler
    101
    Erstes Spannungsregelungssystem
    102
    Zweites Spannungsregelungssystem
    103 bis
    106 Stromregelungssystem
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2008-35675 A [0004]

Claims (21)

  1. DC/DC-Wandler, umfassend: einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters und eine Steuereinheit, um bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein erstes Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters eine erste Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, ein zweites Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters eine zweite Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, und ein drittes Regelungssystem, um auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms einen Befehlswert für eine PWM-Regelung zu erzeugen, umfasst, wobei sie den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts steuert.
  2. DC/DC-Wandler, umfassend: einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und eine Steuereinheit, um bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein erstes Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters eine erste Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, ein zweites Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters eine zweite Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, und ein drittes Regelungssystem, um auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms einen Befehlswert für eine PFM-Regelung zu erzeugen, umfasst, wobei sie den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts steuert.
  3. DC/DC-Wandler, umfassend: einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und eine Steuereinheit, um bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein erstes Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters eine erste Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, ein zweites Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters eine zweite Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, und ein drittes Regelungssystem, um auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Einund Ausgangsstroms einen Befehlswert für eine PWM-Regelung zu erzeugen, umfasst, wobei sie den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis des Befehlswerts steuert.
  4. DC/DC-Wandler, umfassend: einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und eine Steuereinheit, um bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein erstes Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters eine erste Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, ein zweites Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters eine zweite Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, und ein drittes Regelungssystem, um auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Einund Ausgangsstroms einen Befehlswert für eine PFM-Regelung zu erzeugen, umfasst, wobei sie den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts steuert.
  5. DC/DC-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vom ersten Regelungssystem erzeugte Stellgröße auf einen bestimmten ersten Bereich begrenzt wird und die vom zweiten Regelungssystem erzeugte Stellgröße auf einen bestimmten zweiten Bereich begrenzt wird.
  6. DC/DC-Wandler, umfassend: einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und eine Steuereinheit, um bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen ersten Steuermodus, um den Stromwert des von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters ausgegebenen Stroms einem ersten Sollwert zu nähern, und einen zweiten Steuermodus, um den Stromwert des den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters zugeführten Stroms einem zweiten Sollwert zu nähern, umfasst, wobei sie bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators im ersten Steuermodus betrieben wird und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators im zweiten Steuermodus betrieben wird.
  7. DC/DC-Wandler, umfassend: einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite des Transformators angeordnet ist, einen ersten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Strommesskreis zur Erkennung des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, einen zweiten Spannungsmesskreis zur Erkennung der Spannung an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und eine Steuereinheit, um bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite und bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen ersten Steuermodus, um den Stromwert des von den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters ausgegebenen Stroms einem ersten Sollwert zu nähern, und einen zweiten Steuermodus, um den Stromwert des den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters zugeführten Stroms einem zweiten Sollwert zu nähern, umfasst, wobei sie bei der Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators im ersten Steuermodus betrieben wird und bei der Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators im zweiten Steuermodus betrieben wird.
  8. Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers, der einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite eines Transformators angeordnet ist, und einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, umfasst, und der in der Lage ist, die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators und die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators durchzuführen, wobei dieses Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: das Erzeugen einer ersten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen einer zweiten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen eines Befehlswerts für eine PWM-Regelung auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein-/Ausgabestroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und das Steuern des Betriebs des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße Stellgrößen bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters sind.
  9. Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers, der einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite eines Transformators angeordnet ist, und einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, umfasst, und der in der Lage ist, die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators und die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators durchzuführen, wobei dieses Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: das Erzeugen einer ersten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen einer zweiten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen eines Befehlswerts für eine PFM-Regelung auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgabestroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und das Steuern des Betriebs des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße Stellgrößen bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters sind.
  10. Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers, der einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite eines Transformators angeordnet ist, und einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, umfasst, und der in der Lage ist, die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators und die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators durchzuführen, wobei dieses Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: das Erzeugen einer ersten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen einer zweiten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen eines Befehlswerts für eine PWM-Regelung auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein-/Ausgabestroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und das Steuern des Betriebs des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße Stellgrößen bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters sind.
  11. Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers, der einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite eines Transformators angeordnet ist, und einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, umfasst, und der in der Lage ist, die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators und die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators durchzuführen, wobei dieses Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: das Erzeugen einer ersten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen einer zweiten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen eines Befehlswerts für eine PFM-Regelung auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgabestroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, und das Steuern des Betriebs des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellgröße und die zweite Stellgröße Stellgrößen bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters sind.
  12. DC/DC-Wandler, umfassend: einen Transformator, einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der mit der Primärseite des Transformators verbunden ist und die Leistungsumsetzung durchführt, indem er die Spannung regelt, die auf der Primärseite des Transformators angelegt wird, einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der mit der Sekundärseite des Transformators verbunden ist und die Leistungsumsetzung durchführt, indem er den Strom regelt, der auf der Sekundärseite des Transformators anliegt, und eine Steuereinheit, die den Spannungszwischenkreis-Stromrichter und den Stromzwischenkreis-Stromrichter auf der Basis des Erkennungswerts der Spannung, die an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters erzeugt wird, sowie des Stromwerts des im Spannungszwischenkreis-Stromrichter oder im Stromzwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss des Transformators im Kern durch Einschalten eines Schalters des Stromzwischenkreis-Stromrichters kompensiert wird, und dass die Periode, in welcher ein im Stromzwischenkreis-Stromrichter eingebautes induktives Element mit Energie aufgefüllt wird, im Schaltbetrieb enthalten ist.
  13. DC/DC-Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromzwischenkreis-Stromrichter umfasst: ein induktives Element, das mit einer Mittelabzapfung der Sekundärspule des Transformators verbunden ist, ein erstes Schaltelement, das mit einem Ende dieser Sekundärspule und der Minuspolseite der Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters verbunden ist, und ein zweites Schaltelement, das mit dem anderen Ende dieser Sekundärspule und der Minuspolseite der Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters verbunden ist.
  14. DC/DC-Wandler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit umfasst: ein erstes Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters eine erste Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, ein zweites Regelungssystem, um auf der Basis eines Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters eine zweite Stellgröße bezüglich des Ein- und Ausgangsstroms zu erzeugen, und ein drittes Regelungssystem, um auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms einen Befehlswert für eine Regelung zu erzeugen, wobei sie den Betrieb des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts steuert.
  15. DC/DC-Wandler nach Anspruch 14, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Regelungssystem auf der Basis des Stromwerts eines im Stromzwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms einen Befehlswert für eine PWM-Regelung erzeugt.
  16. DC/DC-Wandler nach Anspruch 14, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Regelungssystem auf der Basis des Stromwerts eines im Stromzwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms einen Befehlswert für eine PFM-Regelung erzeugt.
  17. DC/DC-Wandler nach Anspruch 14, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Regelungssystem auf der Basis des Stromwerts eines im Spannungszwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms einen Befehlswert für eine PWM-Regelung erzeugt.
  18. DC/DC-Wandler nach Anspruch 14, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Regelungssystem auf der Basis des Stromwerts eines im Spannungszwischenkreis-Stromrichter fließenden Stroms einen Befehlswert für eine PFM-Regelung erzeugt.
  19. DC/DC-Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vom ersten Regelungssystem erzeugte Stellgröße auf einen bestimmten ersten Bereich begrenzt wird und die vom zweiten Regelungssystem erzeugte Stellgröße auf einen bestimmten zweiten Bereich begrenzt wird.
  20. DC/DC-Wandler nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen ersten Steuermodus, um den Stromwert des von den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters oder des Spannungszwischenkreis-Stromrichters ausgegebenen Stroms einem ersten Sollwert zu nähern, und einen zweiten Steuermodus, um den Stromwert des den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters oder des Spannungszwischenkreis-Stromrichters zugeführten Stroms einem zweiten Sollwert zu nähern, umfasst, wobei sie beim Leistungsumsetzungsbetrieb von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators im ersten Steuermodus und beim Leistungsumsetzungsbetrieb von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators im zweiten Steuermodus betrieben wird.
  21. Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers, der einen Spannungszwischenkreis-Stromrichter, der auf der Primärseite eines Transformators angeordnet ist, und einen Stromzwischenkreis-Stromrichter, der auf der Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, umfasst, und der in der Lage ist, die Leistungsumsetzung von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators und die Leistungsumsetzung von der Sekundärseite zur Primärseite des Transformators durchzuführen, wobei dieses Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Wandlers dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: das Erzeugen einer ersten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen einer zweiten Stellgröße auf der Basis des Spannungswerts an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters, das Erzeugen eines Befehlswerts auf der Basis der ersten Stellgröße, der zweiten Stellgröße und des Ein- und Ausgangsstroms an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters oder des Spannungszwischenkreis-Stromrichters, und das Steuern des Schaltbetriebs des Spannungszwischenkreis-Stromrichters und des Stromzwischenkreis-Stromrichters auf der Basis dieses Befehlswerts, wobei die Regelung den Ein- und Ausgangsstrom an den Ein- und Ausgangsklemmen des Stromzwischenkreis-Stromrichters und des Spannungszwischenkreis-Stromrichters steuert.
DE102012111063A 2011-11-18 2012-11-16 DC-DC-Wandler und Verfahren zur Steuerung eines DC-DC-Wandlers Ceased DE102012111063A1 (de)

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