DE102012221670A1 - DC/DC-Wandler mit wirkungsgradgeführter Anpassung der Arbeitsfrequenz - Google Patents

DC/DC-Wandler mit wirkungsgradgeführter Anpassung der Arbeitsfrequenz Download PDF

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Abstract

Ein DC/DC-Wandler weist einen Wechselrichter (1) auf, dem über Eingangsanschlüsse (2) eine Eingangs-Gleichspannung (U1) zugeführt wird und der die Eingangs-Gleichspannung (U1) in eine Wechselspannung (U1') umsetzt. Der DC/DC-Wandler weist einen dem Wechselrichter (1) nachgeordneten Transformator (5) auf, dem die Wechselspannung (U1') zugeführt wird und der die Wechselspannung (U1') in eine transformierte Wechselspannung (U2') transformiert. Der DC/DC-Wandler weist einen dem Transformator (5) nachgeordneten Gleichrichter (8) auf, dem die transformierte Wechselspannung (U2') zugeführt wird und der die transformierte Wechselspannung (U2') in eine Ausgangs-Gleichspannung (U2) umsetzt und die Ausgangs-Gleichspannung (U2) über Ausgangsanschlüsse (9) abgibt. Dem Wechselrichter (1) ist eine Steuereinrichtung (14) zugeordnet, die den Wechselrichter (1) mit einer Arbeitsfrequenz (f) und einem Tastverhältnis (V) ansteuert. Der Steuereinrichtung (14) wird die Ausgangs-Gleichspannung (U2) zugeführt. Die Steuereinrichtung (14) führt das Tastverhältnis (V) zur Anpassung der Ausgangs-Gleichspannung (U2) an eine Sollspannung (U2*) nach. Der Steuereinrichtung (14) werden für eine vom Wechselrichter (1) über die Eingangsanschlüsse (2) aufgenommene Eingangsleistung (P1) und für eine vom Gleichrichter (8) über die Ausgangsanschlüsse (9) abgegebene Ausgangsleistung (P2) charakteristische Größen (U1, I1, U2, I2) zugeführt. Die Steuereinrichtung (14) ermittelt anhand der für die Eingangsleistung (P1) und die Ausgangsleistung (P2) charakteristischen Größen (U1, I1, U2, I2) einen Wirkungsgrad (η) des DC/DC-Wandlers. Die Steuereinrichtung (14) variiert die Arbeitsfrequenz (f) so, dass der Wirkungsgrad (η) des DC/DC-Wandlers ein Maximum erreicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler,
    • – wobei der DC/DC-Wandler einen Wechselrichter aufweist, dem über Eingangsanschlüsse eine Eingangs-Gleichspannung zugeführt wird und der die Eingangs-Gleichspannung in eine Wechselspannung umsetzt,
    • – wobei der DC/DC-Wandler einen dem Wechselrichter nachgeordneten Transformator aufweist, dem die Wechselspannung zugeführt wird und der die Wechselspannung in eine transformierte Wechselspannung transformiert,
    • – wobei der DC/DC-Wandler einen dem Transformator nachgeordneten Gleichrichter aufweist, dem die transformierte Wechselspannung zugeführt wird und der die transformierte Wechselspannung in eine Ausgangs-Gleichspannung umsetzt und die Ausgangs-Gleichspannung über Ausgangsanschlüsse abgibt,
    • – wobei dem Wechselrichter eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, die den Wechselrichter mit einer Arbeitsfrequenz und einem Tastverhältnis ansteuert,
    • – wobei der Steuereinrichtung die Ausgangs-Gleichspannung zugeführt wird und die Steuereinrichtung das Tastverhältnis zur Anpassung der Ausgangs-Gleichspannung an eine Sollspannung nachführt.
  • DC/DC-Wandler der obenstehend beschriebenen Art sind allgemein bekannt. Sie werden in der Regel mit einer festen Arbeitsfrequenz betrieben, die meist zwischen 100 kHz und 300 kHz liegt. Mittels des Tastverhältnisses wird die Höhe der Ausgangs-Gleichspannung festgelegt bzw. nachgeführt.
  • Das statische Schalten mit einer festen Arbeitsfrequenz führt in der Praxis zu erheblichen Schaltverlusten. Die Ursache für das Auftreten der Schaltverluste liegt im nicht idealen Schaltverhalten des Wechselrichters. Insbesondere weist der Wechselrichter in der Praxis meist Transistoren auf, welche ihrerseits unvermeidbare parasitäre Kapazitäten aufweisen. Weiterhin weist der Transformator eine parasitäre Streuinduktivität auf. Die parasitären Kapazitäten und die parasitäre Streuinduktivität führen dazu, dass während der Totzeit – also der Zeit innerhalb eines einzelnen Arbeitstaktes, während derer der Wechselrichter gesperrt ist – die Wechselspannung am Wechselrichter oszilliert. Wenn der Wechselrichter nun wieder einschaltet, werden die parasitären Kapazitäten über den Wechselrichter entladen und bewirken dadurch eine hohe Stromspitze. Zusammen mit der am Wechselrichter anliegenden Spannung werden dadurch Schaltverluste bewirkt.
  • Um die Schaltverluste zu minimieren, können die Schaltzeitpunkte zum Nulldurchgang – oder zumindest in die Nähe des Nulldurchgangs – der oszillierenden Spannung verschoben werden. Eine derartige Verschiebung kann beispielsweise durch eine dynamische Anpassung der Arbeitsfrequenz erreicht werden. Um eine derartige dynamische Anpassung der Arbeitsfrequenz realisieren zu können, ist im Stand der Technik ein Erkennungskreis erforderlich, der Nulldurchgänge der oszillierenden Spannung erfasst. Ein derartiger Erkennungskreis ist aufwändig und nicht bei jedem DC/DC-Wandler zu implementieren.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen DC/DC-Wandler der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass eine dynamische Anpassung der Arbeitsfrequenz auf einfache Weise implementiert werden kann.
  • Die Aufgabe wird durch einen DC/DC-Wandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs 2.
  • Erfindungsgemäß wird ein DC/DC-Wandler der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
    • – dass der Steuereinrichtung für eine vom Wechselrichter über die Eingangsanschlüsse aufgenommene Eingangsleistung und für eine vom Gleichrichter über die Ausgangsanschlüsse abgegebene Ausgangsleistung charakteristische Größen zugeführt werden,
    • – dass die Steuereinrichtung anhand der für die Eingangsleistung und die Ausgangsleistung charakteristischen Größen einen Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers ermittelt und
    • – dass die Steuereinrichtung die Arbeitsfrequenz variiert, so dass der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers ein Maximum erreicht.
  • Ganz besonders einfach gestaltet sich die Realisierung dadurch, dass die für die Eingangsleistung und die Ausgangsleistung charakteristischen Größen die Eingangs-Gleichspannung, die Ausgangs-Gleichspannung, ein über die Eingangsanschlüsse fließender Eingangsstrom und ein über die Ausgangsanschlüsse fließender Ausgangsstrom sind. Denn dadurch müssen lediglich Gleich-Größen (also Gleichspannungen und Gleichströme) erfasst und ausgewertet werden. Eine Erfassung von Wechselgrößen (Wechselspannungen und Wechselströmen) ist nicht erforderlich.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
  • 1 ein Blockschaltbild eines DC/DC-Wandlers,
  • 2 eine mögliche Implementierung eines DC/DC-Wandlers und
  • 3 ein Zeitdiagramm.
  • Gemäß 1 weist ein DC/DC-Wandler einen Wechselrichter 1 auf. Dem Wechselrichter 1 wird über Eingangsanschlüsse 2 eine Eingangs-Gleichspannung U1 zugeführt. Die Eingangs-Gleichspannung U1 kann beispielsweise 400 V betragen. Der Wechselrichter 1 setzt die Eingangs-Gleichspannung U1 in eine Wechselspannung U1' um. Der Wechselrichter 1 kann beispielsweise gemäß 2 zwei Schalttransistoren 3 und zwei Kondensatoren 4 aufweisen, wobei die beiden Schalttransistoren 3 in Reihe geschaltet sind und die beiden Kondensatoren 4 ebenfalls in Reihe geschaltet sind und die beiden Reihenschaltungen einander parallel geschaltet sind.
  • Der DC/DC-Wandler weist weiterhin einen Transformator 5 auf. Der Transformator 5 ist dem Wechselrichter 1 nachgeordnet. Dem Transformator 5 – genauer: einer Primärwicklung 6 des Transformators 5 – wird die vom Wechselrichter 1 generierte Wechselspannung U1' zugeführt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise gemäß 2 je ein Ende der Primärwicklung 6 mit einem Anschlusspunkt zwischen den beiden Schalttransistoren 3 und einem Anschlusspunkt zwischen den beiden Kondensatoren 4 verbunden sein. Der Transformator 5 transformiert die ihm zugeführte Wechselspannung U1' in eine transformierte Wechselspannung U2'. Der Transformator 5 gibt die transformierte Wechselspannung U2' über eine Sekundärwicklung 7 des Transformators 5 ab.
  • Der DC/DC-Wandler weist weiterhin einen Gleichrichter 8 auf. Der Gleichrichter 8 ist dem Transformator 5 nachgeordnet. Dem Gleichrichter 8 wird vom Transformator 5 die transformierte Wechselspannung U2' zugeführt. Der Gleichrichter 8 setzt die transformierte Wechselspannung U2' in eine Ausgangs-Gleichspannung U2 von beispielsweise 12 V um. Die Ausgangsgleichspannung U2 gibt der Gleichrichter 5 über Ausgangsanschlüsse 9 an eine Last 10 ab.
  • Gemäß 2 kann der Gleichrichter 8 beispielsweise eine Gleichrichterbrücke mit vier Dioden 11 aufweisen, denen ein Stützkondensator 12 nachgeschaltet ist. Gegebenenfalls kann zwischen der Gleichrichterbrücke und dem Stützkondensator 12 eine Drossel 13 angeordnet sein.
  • Dem Wechselrichter 1 ist eine Steuereinrichtung 14 zugeordnet. Die Steuereinrichtung 14 steuert den Wechselrichter 1 – beispielsweise gemäß 2 die Transistoren 3 – mit Steuersignalen S an, die eine Arbeitsfrequenz f und ein Tastverhältnis V aufweisen. Die Arbeitsfrequenz f liegt in der Regel zwischen 100 kHz und 300 kHz. Sie kann jedoch alternativ andere Werte aufweisen. Das Tastverhältnis V liegt stets zwischen 0 und 1 (Grenzen mit inbegriffen). Es ist auf eine Periode T bezogen und gibt – siehe 3 – an, zu welchem Anteil der Wechselrichter 1 Strom an den Transformator 5 ausgibt. Ein Tastverhältnis V von 0 bedeutet, dass der Wechselrichter 1 permanent gesperrt ist. Ein Tastverhältnis V von 1 bedeutet, dass der Wechselrichter 1 – mit Ausnahme unvermeidbarer Umschaltzeiten – stets Strom an den Transformator 5 ausgibt. Durch Anpassen des Tastverhältnisses V kann insbesondere eine Anpassung der Ausgangs-Gleichspannung U2 an eine Sollspannung U2* erfolgen. Die Steuereinrichtung 14 kann beispielsweise gemäß 1 einen Spannungsregler 15 implementieren, der das Tastverhältnis V als Stellgröße entsprechend der Abweichung der Ausgangs-Gleichspannung U2 von der Sollspannung U2* nachführt.
  • Gemäß den 1 und 2 werden der Steuereinrichtung 14 Größen U1, I1 zugeführt, die für eine vom Wechselrichter 1 über die Eingangsanschlüsse 2 aufgenommene Eingangsleistung P1 charakteristisch sind. Insbesondere können der Steuereinrichtung 14 als hierfür charakteristische Größen die Eingangs-Gleichspannung U1 und ein über die Eingangsanschlüsse 2 fließender Eingangsstrom I1 zugeführt werden. In analoger Weise werden der Steuereinrichtung 14 Größen U2, I2 zugeführt, die für eine vom Gleichrichter 8 über die Ausgangsanschlüsse 9 abgegebene Ausgangsleistung P2 charakteristisch sind. Insbesondere können der Steuereinrichtung 14 als hierfür charakteristische Größen die Ausgangs-Gleichspannung U2 und ein über die Ausgangsanschlüsse 9 fließender Ausgangsstrom I2 zugeführt werden.
  • Die Steuereinrichtung 14 ermittelt anhand der ihr zugeführten für die Eingangsleistung P1 und die Ausgangsleistung P2 charakteristischen Größen U1, I1, U2, I2 einen Wirkungsgrad η des DC/DC-Wandlers. Weiterhin variiert die Steuereinrichtung 14 die Arbeitsfrequenz f im Laufe der Zeit t und ermittelt erneut den sich nun mehr ergebenden Wirkungsgrad η. Verbessert sich der Wirkungsgrad η, variiert die Steuereinrichtung 14 die Arbeitsfrequenz f in die gleiche Richtung wie zuvor. Verschlechtert sich der Wirkungsgrad, variiert die Steuereinrichtung 14 die Arbeitsfrequenz f in die umgekehrte Richtung. Dadurch wird erreicht, dass der Wirkungsgrad η des DC/DC-Wandlers ein Maximum erreicht und danach – mit geringen Schwankungen – um das Maximum pendelt.
  • Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere wird auf sehr einfache Weise erreicht, dass der Wirkungsgrad η des DC/DC-Wandlers optimiert wird, ohne dass die Nulldurchgänge der im gesperrten Zustand des Wechselrichters 1 zwischen dem Wechselrichter 1 und dem Transformator 5 oszillierenden Wechselspannung erfasst werden müssen.
  • Die vorliegende Erfindung ist prinzipiell bei beliebigen DC/DC-Wandlern anwendbar, insbesondere auch bei DC/DC-Wandlern der Kilowatt-Klasse.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (2)

  1. DC/DC-Wandler, – wobei der DC/DC-Wandler einen Wechselrichter (1) aufweist, dem über Eingangsanschlüsse (2) eine Eingangs-Gleichspannung (U1) zugeführt wird und der die Eingangs-Gleichspannung (U1) in eine Wechselspannung (U1') umsetzt, – wobei der DC/DC-Wandler einen dem Wechselrichter (1) nachgeordneten Transformator (5) aufweist, dem die Wechselspannung (U1') zugeführt wird und der die Wechselspannung (U1') in eine transformierte Wechselspannung (U2') transformiert, – wobei der DC/DC-Wandler einen dem Transformator (5) nachgeordneten Gleichrichter (8) aufweist, dem die transformierte Wechselspannung (U2') zugeführt wird und der die transformierte Wechselspannung (U2') in eine Ausgangs-Gleichspannung (U2) umsetzt und die Ausgangs-Gleichspannung (U2) über Ausgangsanschlüsse (9) abgibt, – wobei dem Wechselrichter (1) eine Steuereinrichtung (14) zugeordnet ist, die den Wechselrichter (1) mit einer Arbeitsfrequenz (f) und einem Tastverhältnis (V) ansteuert, – wobei der Steuereinrichtung (14) die Ausgangs-Gleichspannung (U2) zugeführt wird und die Steuereinrichtung (14) das Tastverhältnis (V) zur Anpassung der Ausgangs-Gleichspannung (U2) an eine Sollspannung (U2*) nachführt, dadurch gekennzeichnet, – dass der Steuereinrichtung (14) für eine vom Wechselrichter (1) über die Eingangsanschlüsse (2) aufgenommene Eingangsleistung (P1) und für eine vom Gleichrichter (8) über die Ausgangsanschlüsse (9) abgegebene Ausgangsleistung (P2) charakteristische Größen (U1, I1, U2, I2) zugeführt werden, – dass die Steuereinrichtung (14) anhand der für die Eingangsleistung (P1) und die Ausgangsleistung (P2) charakteristischen Größen (U1, I1, U2, I2) einen Wirkungsgrad (η) des DC/DC-Wandlers ermittelt und – dass die Steuereinrichtung (14) die Arbeitsfrequenz (f) variiert, so dass der Wirkungsgrad (η) des DC/DC-Wandlers ein Maximum erreicht.
  2. DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Eingangsleistung (P1) und die Ausgangsleistung (P2) charakteristischen Größen (U1, I1, U2, I2) die Eingangs-Gleichspannung (U1), die Ausgangs-Gleichspannung (U2), ein über die Eingangsanschlüsse (2) fließender Eingangsstrom (I1) und ein über die Ausgangsanschlüsse (9) fließender Ausgangsstrom (I2) sind.
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