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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch zumindest zwei Induktivitäten eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers, wobei die zumindest zwei Induktivitäten magnetisch gekoppelt sind, mit einem ersten Ein- und/oder Ausgang zur Verbindung mit einem ersten Netz und mit einem zweiten Ein- und/oder Ausgang zur Verbindung mit einem zweiten Netz. Ferner betrifft die Erfindung einen mehrphasigen Gleichspannungswandler zum Transportieren elektrischer Energie von einem ersten Netz zu einem zweiten Netz mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
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Bei Gleichspannungswandlern, insbesondere bei bidirektionalen Gleichspannungswandlern, z. B. in bidirektionalen Aufwärts-Abwärts-Wandlern, ist es grundsätzlich bekannt, den Gleichspannungswandler mehrphasig aufzubauen. Durch eine derartige mehrphasige Auslegung eines Gleichspannungswandlers kann durch Überlagerung der Rippelströme der einzelnen Phasen der Summenrippelstrom verkleinert werden. Ferner ist es bekannt, die verwendeten Induktivitäten magnetisch zu koppeln, um den Rippel-Strom der einzelnen Phasen noch weiter zu minimieren.
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Hierbei ist jedoch zu beachten, dass übliche Steuerverfahren für Gleichspannungswandler bei einem derartigen mehrphasigen Gleichspannungswandler mit gekoppelten Induktivitäten nicht mehr anwendbar sind. So ist beispielsweise im bekannten sogenannten Current-Mode der Strom in den jeweiligen Induktivitäten Ausgangspunkt für die Schaltungselektronik des Gleichspannungswandlers. Dabei wird davon ausgegangen, dass der magnetische Fluss in der jeweiligen Induktivität und der Strom, der durch die Induktivität fließt, proportional zueinander sind. Bei einem mehrphasigen Gleichspannungswandler mit gekoppelten Induktivitäten ist jedoch der Strom in der jeweiligen Induktivität durch die Kopplung nicht mehr proportional zum Fluss in der jeweiligen Induktivität, sondern ist vom magnetischen Gesamtfluss durch alle Induktivitäten abhängig. Mehrphasige Gleichspannungswandler mit gekoppelten Induktivitäten können somit nicht stabil im Current Mode betrieben werden. Auch der bekannte sogenannte Voltage Mode, bei dem die Ausgangsspannung an der Induktivität als Grundlage für die Steuerung eines Gleichspannungswandlers dient, kann nicht für eine allgemeine Steuerung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers mit gekoppelten Induktivitäten verwendet werden. Insbesondere ist der Voltage Mode, bei dem die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zur Regelung verwendet wird, langsamer als der Current Mode. Daher ist der Voltage Mode nicht für alle Einsatzbereiche geeignet, insbesondere ist er beispielsweise für den Automobilbereich nur sehr bedingt einsetzbar.
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Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich für mehrphasige Gleichspannungswandler, die mit einem Puls-Pause-Verhältnis von über 50% und/oder nahe der magnetischen Sättigung der Induktivitäten der einzelnen Phasen betrieben werden. In diesen Fällen steigt die in der Induktivität gespeicherte elektrische Energie, und damit der magnetische Fluss, nur noch sehr langsam an. Die Steuerzeitpunkte für das alternierende Ansteuern der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungswandlers können in diesen Fällen nur sehr ungenau bestimmt werden, wodurch der Betrieb unstabil wird und deutlichen Schwankungen unterworfen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, die oben beschriebenen Nachteile von bekannten mehrphasigen Gleichspannungswandlern mit gekoppelten Induktivitäten zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung für einen Gleichspannungswandler sowie einen Gleichspannungswandler bereitzustellen, die in einfacher und kostengünstiger Weise einen stabilen und sicheren Betrieb eines Gleichspannungswandlers auch bei hohen Puls-Pause-Verhältnissen und/oder nahe der magnetischen Sättigung der Induktivitäten der einzelnen Phasen ermöglichen.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch zumindest zwei Induktivitäten eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch einen mehrphasigen Gleichspannungswandler zum Transportieren elektrischer Energie von einem ersten Netz zu einem zweiten Netz gemäß Anspruch 7. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Sämtliche Vorteile und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben werden, gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen mehrphasigen Gleichspannungswandler und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den verschiedenen Aspekten der Erfindung stets wechselseitig aufeinander Bezug genommen wird bzw. genommen werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch zumindest zwei Induktivitäten eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers, wobei die zumindest zwei Induktivitäten magnetisch gekoppelt sind, mit einem ersten Ein- und/oder Ausgang zur Verbindung mit einem ersten Netz und mit einem zweiten Ein- und/oder Ausgang zur Verbindung mit einem zweiten Netz, wobei das erste Netz eine erste Spannung und das zweite Netz eine zweite Spannung aufweist, die Schaltungsanordnung aufweisend zumindest zwei Schaltungen, gelöst. Insbesondere umfassen die Schaltungen dabei jeweils
- – erste Mittel zum Erzeugen eines ersten Signals, die einen Gleichanteil des magnetischen Flusses durch eine Induktivität nachbilden, wobei die ersten Mittel jeweils erste Elemente zum Erzeugen des ersten Signals umfassen,
- – zweite Mittel zum Erzeugen eines zweiten Signals, die zumindest abschnittsweise den Wechselanteil des magnetischen Flusses durch eine Induktivität nachbilden, und
- – dritte Mittel zum Zusammenfügen des jeweiligen ersten Signals und des jeweiligen zweiten Signals zu einem den magnetischen Fluss durch eine Induktivität zumindest abschnittsweise nachbildenden dritten Signal,
wobei jeweils die zweiten Mittel jeder Schaltung je zumindest ein Kompensationselement zur Kompensation einer magnetischen Sättigung der jeweiligen Induktivität aufweisen und wobei mittels des Kompensationselements ein konstanter oder ein periodisch linear steigender Strom erzeugbar ist.
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Anstelle einer direkten Messung des jeweiligen Flusses durch die Induktivitäten wird aus anderen, mit einfachen Mitteln erfassbaren elektrischen Größen mittels der Schaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der Fluss durch jede einzelne Induktivität nachgebildet. Dabei ist diese Nachbildung des Flusses durch jede Induktivität deutlich weniger aufwendig und damit kostengünstiger als die direkte Messung des magnetischen Flusses in jeder Induktivität. Diese Nachbildung ist ferner in vielen Fällen von so guter Qualität, dass eine genaue Messung des Flusses unterbleiben kann. Jede der Schaltungen ermöglicht die zumindest abschnittsweise Emulation bzw. Nachbildung des magnetischen Flusses durch eine einzelne der Induktivitäten. Dies ist insbesondere bei gekoppelten Induktivitäten eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers von Bedeutung, da bei einem derartigen Gleichspannungswandler der durch die Induktivitäten fließende Strom nicht zu dem tatsächlich in der Induktivität vorherrschenden magnetischen Fluss proportional ist. Eine Steuerung eines derartigen mehrphasigen Gleichspannungswandlers mit gekoppelten Induktivitäten beispielsweise im sogenannten Current Mode ist somit nicht möglich.
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Durch das Kompensationselement in den zweiten Mitteln jeder der Schaltungen ist es insbesondere möglich, den mehrphasigen Gleichspannungswandler bei hohen Puls-Pause-Verhältnissen und/oder nahe der magnetischen Sättigung der Induktivitäten der einzelnen Phasen zu betreiben. Die Kompensationselemente können dabei beispielsweise das zweite Signal dahingehend verändern, dass ein Erkennen der idealen Steuerzeitpunkte für das alternierende Ansteuern der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspanungswandlers leichter und damit genauer ermöglicht ist. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Steigung des zweiten Signals, also die Änderung des zweiten Signals mit der Zeit, bei hohen Puls-Pause-Verhältnissen und/oder nahe der magnetischen Sättigung der Induktivitäten erhöht wird. Dadurch können die Steuerzeitpunkte der einzelnen Phasen deutlich genauer bestimmt werden. Ein Betrieb eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers, der mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung ausgestattet ist wird dadurch deutlich sicherer und stabiler.
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Bevorzugt kann bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung vorgesehen sein, dass jeder der zumindest zwei Induktivitäten je eine der zumindest zwei Schaltungen der Schaltungsanordnung zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich, jede der Induktivitäten individuell zu steuern, wobei für jede der Induktivitäten separat durch eine der Schaltungen der Schaltungsanordnung der durch die Induktivität fließende magnetische Fluss zumindest abschnittsweise nachgebildet wird. Damit ist es möglich, eine besonders stabile und sichere Steuerung für einen mehrphasigen Gleichspannungswandler mit gekoppelten Induktivitäten bereitzustellen und somit die Vorteile eines derartigen Gleichspannungswandlers, insbesondere die Verringerung des durch Schaltvorgänge im Gleichspannungswandler bedingten sogenannten Rippel-Stroms und der damit einhergehenden Spannungsfluktuationen, zu nutzen.
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Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen sein, dass die jeweiligen zweiten Mittel Elemente aufweisen, wobei die Elemente zum Integrieren einer an der jeweiligen Induktivität anliegenden Spannung ausgebildet sind. Das zweite, den Wechselanteil des magnetischen Flusses durch die jeweilige Induktivität angebende, Signal kann man gewinnen, indem man ein Signal integriert, das die Spannung über der Induktivität nachbildet. Dies ist möglich, weil die Spannung über einer Induktivität der Ableitung des Stroms durch diese Induktivität entspricht. Die zweiten Mittel weisen somit vorteilhaft Elemente zum Integrieren einer an der jeweiligen Induktivität anliegenden Spannung auf. Diese Elemente zum Integrieren können beispielsweise eine durch die an der jeweiligen Induktivität anliegenden Spannung steuerbare Stromquelle und in Reihe zur steuerbaren Stromquelle eine Parallelschaltung aus einem steuerbaren Schaltelement und einen Kondensator aufweisen. Dieses steuerbare Schaltelement kann von einem Steuerungsmittel so angesteuert werden, dass es bei steigendem Fluss durch die jeweilige Induktivität geöffnet ist, so dass der Kondensator aufgeladen wird, und dass er bei fallendem Fluss durch die jeweilige Induktivität geschlossen ist, um den Kondensator zu entladen. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den für die Steuerung des Gleichspannungswandlers wichtigen ansteigenden Teil des Flusses in der jeweiligen Induktivität durch das zweite Signal, dass das Ergebnis der Integration ist, nachzubilden.
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Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann das Kompensationselement eine Konstantstromquelle umfassen, die so in dem zweiten Mittel angeordnet ist, dass der von ihr getriebene Strom – je nach Schalterstellung des Schaltelements parallel zu dem Kondensator – durch den Kondensator oder durch das Schaltelement treibt.
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Das Kompensationselement einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann ein Widerstandsbauelement mit vorzugsweise rein ohmschen Widerstand umfassen. Über dem Widerstandbauelement kann eine konstante Spannung abfallen, zum Beispiel eine Versorgungsspannung der steuerbaren Stromquelle, wodurch ein konstanter Strom getrieben wird.
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Ebenso ist es möglich, dass das Kompensationselement einen Sägezahngenerator umfasst. Der Sägezahngenerator kann eine steuerbare Stromquelle umfassen, die von einem Integrator gesteuert wird. Der Integrator kann eine Reihenschaltung aus einer Konstantstromquelle, einem Kondensator und einem zu dem Kondensator parallel geschaltetem steuerbaren Schaltelement umfassen.
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Insbesondere bei hohen Puls-Pause-Verhältnissen und/oder nahe der magnetischen Sättigung der jeweiligen Induktivitäten der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungswandlers, bei denen ohne Kompensation ein langsamer, annähernd linearer Anstieg des zweiten Signals vorliegt, kann durch die zweiten Kompensationselemente eine deutliche Vergrößerung der Steigung des zweiten Signals erreicht werden. Damit ist das Erkennen der idealen Schaltzeitpunkte für das alternierende Ansteuern der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspanungswandlers noch leichter und damit noch genauer ermöglicht.
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Darüber hinaus können bei einer bevorzugten Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen sein, dass in einem Abwärtsbetrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers die Differenz der ersten und der zweiten Spannung als die an der jeweiligen Induktivität anliegende Spannung verwendbar ist und in einem Aufwärtsbetrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers die erste Spannung als die an der jeweiligen Induktivität anliegende Spannung anwendbar ist. Dabei wird verwendet, dass bei einem mehrphasigen Gleichspannungswandler jede Induktivität mit einem der beiden Netze derart leitend verbunden ist, dass sich in der Leitung maximal Schaltelemente befinden. Somit liegt an der jeweiligen Induktivität entweder die Spannung eines der Netze oder die Differenz der beiden Spannungen der beiden Netze an, wobei hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit die jeweiligen Induktivitäten mit dem ersten Netz verbunden sein können. Auf diese Art und Weise kann die an den jeweiligen Induktivitäten anliegende Spannung besonders einfach generiert werden, da die Spannung nicht gemessen werden muss, sondern aus den Netzspannungen, die einfach erfassbare elektrische Größen darstellen, erfasst werden kann.
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Bevorzugt kann bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen sein, dass die jeweiligen ersten Elemente der ersten Mittel jeweils einen Messwiderstand umfassen, wobei der jeweilige Messwiderstand einerseits mit der jeweiligen Induktivität und je einem ersten Kondensator und andererseits mit dem ersten Ein- und/oder Ausgang verbunden ist. Der Messwiderstand wird dabei dazu verwendet, nur den Gleichanteil des magnetischen Flusses durch eine Induktivität nachzubilden und den gemessenen Strom in das erste, den Gleichanteil des Flusses entsprechende Signal umzuformen. Eine Erfassung des Wechselanteils des Flusses durch die Induktivität mittels des Messwiderstandes ist nicht notwendig bzw. nicht möglich. Die sich bei einer derartigen Messung des Wechselanteils üblicherweise ergebenden Probleme können somit umgangen werden. Der Messwiderstand ist dabei vorzugsweise an einer Stelle angeordnet, an der vorzugsweise nur ein Gleichstrom fließt. Dies kann beispielsweise der Strom durch den ersten Ein- und/oder Ausgang sein.
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Auf der Grundlage dieser Überlegungen zur Ausgestaltung der ersten Mittel zur Erzeugung der den Gleichanteil des Flusses durch die Induktivität entsprechenden ersten Spannung, werden die ersten Elemente zum Erzeugen des ersten Signals vorgeschlagen, die einen Mittelwert des Flusses durch die Induktivität, also den Gleichanteil erfassen. Aus dem erfassten Strom wird das erste Signal erzeugt, das dem Gleichanteil des Flusses durch die jeweilige Induktivität entspricht. Diese ersten Elemente sind Teil der ersten Mittel zum Erzeugen des ersten Signals. Beispielsweise können derartige erste Mittel zwei antiparallel geschaltete Transkonduktanzverstärker sein. Durch weitere elektrische Bauteile, wie beispielsweise Kondensatoren, kann das erste Signal noch weiter verbessert, insbesondere geglättet werden.
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Ferner können bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen sein, dass die dritten Mittel zum Erzeugen eines, der Summe des jeweiligen ersten und des jeweiligen zweiten Signals entsprechenden, dritten Signals ausgebildet sind. Die jeweils ersten und zweiten Signale der ersten und zweiten Mittel der der jeweiligen Induktivität zugeordneten Schaltung bilden zumindest abschnittsweise den Gleichanteil und den Wechselanteil des magnetischen Flusses in der jeweiligen Induktivität nach. Durch eine Addition der beiden Signale durch die dritten Mittel ergibt sich somit eine zumindest abschnittsweise Emulation des gesamten Flusses durch die jeweilige Induktivität. Dieses Gesamtsignal kann dann verwendet werden, um den Gleichspannungswandler, insbesondere jede einzelne Induktivität des mehrphasigen Gleichspannungswandlers, anzusteuern.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen mehrphasigen Gleichspannungswandler zum Transportieren elektrischer Energie von einem ersten Netz zu einem zweiten Netz, wobei das erste Netz eine erste Spannung und das zweite Netz eine zweite Spannung aufweist, aufweisend zumindest zwei Induktivitäten, wobei die Induktivitäten magnetisch gekoppelt und alternierend ansteuerbar sind, gelöst. Insbesondere ist der erfindungsgemäße mehrphasige Gleichspannungswandler dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch die zumindest zwei Induktivitäten eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist. Sämtliche Vorteile, die im Zusammenhang mit einer Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch die zumindest zwei Induktivitäten eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers beschrieben worden sind, gelten somit selbstverständlich auch für einen mehrphasigen Gleichspannungswandler, der eine derartige Schaltungsanordnung aufweist.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 eine Schaltungsanordnung zum Generieren eines Spannungssignals und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1, 2 und 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine mögliche Ausgestaltung einer Phase 100 eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers gezeigt. Die restlichen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungswandlers sind analog aufgebaut, wobei insbesondere die Induktivitäten L1, L2 ..., Ln der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungswandlers magnetisch gekoppelt sind.
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Insbesondere ist eine Schaltung 120 einer Schaltungsanordnung gezeigt, die dieser Phase 100 des mehrphasigen Gleichspannungswandlers zugeordnet ist. Im oberen linken Abschnitt der 1 ist der Leistungsteil der Phase 100 des mehrphasigen Gleichspannungswandlers gezeigt. Beim dargestellten Beispiel handelt es sich um einen bidirektionalen Aufwärts-Abwärts-Gleichspannungswandler. In diesem Leistungsteil bzw. in dieser Phase 100 des Gleichspannungswandlers wird eine Spannung U(N1) eines ersten Netzes N1 in die Spannung U(N2) eines zweiten Netzes N2 umgewandelt oder umgekehrt die Spannung U(N2) des zweiten Netzes N2 in die Spannung U(N1) des ersten Netzes N1 umgewandelt. Der Energiefluss kann durch eine entsprechende Ansteuerung von steuerbaren Schaltelementen W1, W2 dieser Phase 100 des Gleichspannungswandlers gesteuert werden. Neben den steuerbaren Schaltelementen W1, W2 umfasst diese Phase 100 des Gleichspannungswandlers in bekannter Anordnung parallel zu den Schaltelementen W1, W2 angeordnete Dioden D1, D2, einen ersten Kondensator C1, eine Induktivität L1 und einen zweiten Kondensator C2.
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An einem ersten Ein- und Ausgang kann die Spannung U(N1) gegenüber der Masse anliegen, ebenso wie an einem zweiten Ein- und Ausgang die Spannung U(N2). Der zweite Ein- und Ausgang ist über einen Messwiderstand R sowohl mit der Induktivität L1 als auch dem zweiten Kondensator C2 verbunden. Die Steuerung der steuerbaren Schaltelemente W1, W2 erfolgt durch ein Steuerungsmittel S. Die Phase 100 eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers umfasst neben dem Leistungsteil eine Schaltung 120 einer Schaltungsanordnung, mit welcher der Fluss durch die Induktivität L1 dieser Phase 100 des Gleichspannungswandlers zumindest abschnittsweise nachgebildet werden kann.
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Diese Schaltung 120 umfasst erste Mittel 1 zum abschnittsweisen Nachbilden eines Gleichanteils des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1. Neben diesen ersten Mitteln 1 umfasst die Schaltung 120 zweite Mittel 2 zum zumindest teilweisen Nachbilden eines Wechselanteils des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1 sowie dritte Mittel 3 zum Zusammenführen der beiden Nachbildungen und zum Erzeugen eines Signals U3, dass zumindest abschnittsweise den gesamten magnetischen Fluss in der Induktivität L1 nachbildet.
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Die ersten Mittel 1 umfassen erste Elemente 11 zum Erzeugen des ersten Signals U1, das dem Gleichanteil des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1 entspricht. Die ersten Elemente 11 umfassen dazu zwei antiparallel geschaltete Transkonduktanzverstärker OTA1a, OTA1b, deren Eingänge die über dem Messwiderstand R abfallende Spannung zugeführt ist. Je nach Stromrichtung des durch den Messwiderstands R fließenden Stroms wird durch den einen oder durch den anderen Transkonduktanzverstärker OTA1a, OTA1b ein Strom erzeugt, der durch eine Parallelschaltung aus einem Kondensator C3 und einem Widerstand R3 geglättet und in eine Spannung gewandelt wird. Die über dieser Parallelschaltung abfallende Spannung wird als erstes Signal U1 zur Verfügung gestellt und entspricht dem Gleichanteil des magnetischen Flusses der Induktivität L1.
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Im zweiten Mittel 2 wird aus einer Spannung U(L1) der Wechselanteil des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1 zumindest abschnittsweise nachgebildet. Die dazu verwendete Spannung U(L1) wird in der in der 2 dargestellten Schaltung erzeugt.
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In 2 ist die Schaltung gezeigt, mit der Spannungen U(L1 ... Ln) erzeugt werden können, die der Spannung an den Induktivitäten L1, ..., Ln des mehrphasigen Gleichspannungswandlers entsprechen. Dabei wird verwendet, dass in einem Aufwärtsbetrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers die an den Induktivitäten L1, ..., Ln anliegende Spannung der Netzspannung des ersten Netzes und im Abwärtsbetrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers der Differenz der Netzspannungen des ersten und des zweiten Netzes entspricht. Die Schaltung zum Erzeugen der Spannung U(L1 ... Ln) an den Induktivitäten L1, ..., Ln enthält daher ein steuerbares Schaltelement Boost, welches geschlossen ist, wenn der mehrphasige Gleichspannungswandler im Aufwärtsbetrieb betrieben wird. Dadurch ist der zweite Ein- und Ausgang des mehrphasigen Gleichspannungswandlers direkt mit dem Ausgang der Schaltung verbunden, wodurch die Spannung U(L1 ... Ln) der Netzspannung des zweiten Netzes entspricht. Alternativ dazu kann in einem Abwärtsbetrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers das steuerbare Schaltelement Buck geschlossen sein, wodurch der Ausgang der Schaltung mit dem Ausgang eines Subtrahierers SUB verbunden wird. Die Eingänge dieses Subtrahierers SUB sind mit den beiden Ein- und Ausgängen des mehrphasigen Gleichspannungswandlers derart verbunden, dass eine Differenz der zweiten und der ersten Spannung am Ausgang des Subtrahierers SUB anliegt. Somit wird im Abwärtsbetrieb die an den Induktivitäten L1, ..., Ln anliegende Spannung U(L1 ... Ln) durch die Differenz der beiden Netzspannungen moduliert. Die vorgestellte Schaltung stellt dabei eine besonders einfache Art und Weise dar, die an den Induktivitäten L1, ..., Ln anliegende Spannung U(L1 ... Ln) zu bilden, da keine direkte Messung der Spannung an den jeweiligen Induktivitäten L1, ..., Ln nötig ist.
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Im zweiten Mittel 2 wird die Spannung U(L1) mit Elementen 21 zum Integrieren integriert, um ein zweites Signal U2 zu erzeugen. Die an der Induktivität L1 anliegende Spannung U(L1) steuert dazu eine steuerbare Stromquelle G1, deren Strom über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator C und einem weiteren steuerbaren Schaltelement SW_C geführt wird.
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Ferner weist das zweite Mittel 2 ein Kompensationselement 22 zur Kompensation einer magnetischen Sättigung der jeweiligen Induktivität L1 auf. Das Kompensationselement 22 umfasst dabei insbesondere eine zweite Stromquelle G2, die eine Konstantstromquelle ist. Anstelle einer Konstantstromquelle könnte parallel zu der steuerbaren Stromquelle G1 ein Widerstandsbauelement mit einem ohmschen Widerstand eingesetzt werden, über dem die Versorgungsspannung Vcc der Stromquelle G1 abfällt und einen konstanten Strom treibt. Der Strom der zweiten Stromquelle G2 bzw. der über das Widerstandsbauelement fließende Strom wird ebenfalls über die Parallelschaltung aus einem Kondensator C und einem weiteren steuerbaren Schaltelement SW_C geführt.
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Das Öffnen und Schließen des Schaltelements SW_C erfolgt synchron zum Schalten der Schaltelemente W1 und W2 der Phase 100 des mehrphasigen Gleichspannungswandlers. Je nachdem, ob das steuerbare Schaltelement SW_C geöffnet oder geschlossen ist, wird Kondensator C entweder bei geöffnetem steuerbaren Schaltelement SW_C aufgeladen, oder über das geschlossene steuerbare Schaltelement SW_C entladen. Als Ladestrom fließt die Summe des Stroms aus der steuerbaren Stromquelle G1 und der zweiten Stromquelle G2. Der Strom aus der zweiten Stromquelle erhöht dabei den Strom aus der steuerbaren Stromquelle G1 um einen konstanten Wert. Die Spannung über dem Kondensator C bildet das zweite Signal U2, welches den ansteigenden Teil des Wechselanteils des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1 nachbildet.
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Dadurch dass der Strom aus der zweiten Stromquelle den Strom aus der steuerbaren Stromquelle G1 erhöht, kann, insbesondere bei hohen Puls-Pause-Verhältnissen und/oder nahe der magnetischen Sättigung der Induktivitäten, erreicht werden, dass das zweite Signal U2 genügend deutlich ansteigt, um den idealen Steuerzeitpunkt für das alternierende Ansteuern der einzelnen Phasen 100 des mehrphasigen Gleichspanungswandlers leichter und damit genauer zu erkennen. Dadurch wird ein noch stabilerer und sichererer Betrieb eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers mit einer erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung 110 sichergestellt. Das erste Signal U1 und das zweite Signal U2 werden mittels eines Mittels 3 zum Zusammenfügen zu dem den Fluss durch die Induktivität L1 nachbildenden Signal U3 zusammengeführt. Die beiden Signale U1 und U2 werden dabei durch einen Addierer 31 des dritten Mittels 3 zu diesem dritten Signal U3 zusammengeführt. Das Steuerungsmittel S hat vorzugsweise einen Eingang, welcher die Richtung der Energieübertragung durch den Gleichspannungswandler anzeigt, das heißt, ob es sich um einen Aufwärts- oder Abwärtswandler handelt. Außerdem kann das Steuermittel S einen Eingang aufweisen, über den dem Steuermittel S ein pulsweitenmoduliertes Signal zugeführt wird. Dieses Signal kann von einem PWM-Modulator M aus dem den magnetischen Fluss durch die Induktivität L1 nachbildenden Signal U3 und einem Reglersignal erzeugt werden. Im Steuerungsmittel S werden somit, basierend auf dem den magnetischen Fluss durch die Induktivität L1 nachbildenden Signal U3, die Schaltsignale TG beziehungsweise BG für die steuerbaren Schaltelemente W1, W2 im Leistungsteil der Phase 100 und das Steuersignal für das steuerbare Schaltelement SW_C im zweiten Mittel 2 erzeugt. Dadurch ist eine sichere und stabile Steuerung der Phase 100 des mehrphasigen Gleichspannungswandlers ermöglicht. Da jede der Phasen 100 des mehrphasigen Gleichspannungswandlers mit einer derartigen Schaltung 120 der Schaltungsanordnung 110 ausgestattet ist, kann ein stabiler und sicherer Betrieb eines derartigen Gleichspannungswandlers sichergestellt werden.
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Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich in seiner Funktion und in seinem Aufbau vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 lediglich im Hinblick des zweiten Mittels 2, nämlich im Hinblick auf das Kompensationselement 22, welches von einem Sägezahngenerator gebildet wird.
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Der Sägezahngenerator umfasst eine zweite steuerbare Stromquelle G3, die einen Strom erzeugt, der mit der Zeit linear wächst und periodisch auf null gesetzt wird. Die Periode des so erzeugten sägezahnförmigen Stromverlaufs entspricht vorteilhaft der Schaltperiode des steuerbaren Schaltelements SW_C. Die zweite steuerbare Stromquelle G3 wird von einer Spannung gesteuert, die über einem zweiten Kondensator C4 abfällt. Dieser Kondensator C4 wird von einer Konstantstromquelle G4 periodisch aufgeladen und entladen. Dazu wird ein zweites steuerbares Schaltelement SW_C2, das parallel zu dem zweiten Kondensator C4 angeordnet ist, periodisch geöffnet und geschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- N1
- Erster Ein- und Ausgang eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- N2
- Zweiter Ein- und Ausgang eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- C1
- N1-seitiger Kondensator einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- C2
- N2-seitiger Kondensator der ersten Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- D1, 2
- Dioden einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- W1, 2
- Steuerbare Schaltelemente einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- L1, L2, ... Ln
- Induktivität einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- R
- Messwiderstand einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- OTA1a, OTA1b
- Transkonduktanzverstärker einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- R3
- Widerstand zur Strom-Spannungs-Wandlung einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- C3
- Glättungskondensator einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- G1
- Erste Steuerbare Stromquelle einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- G2
- Zweite Stromquelle einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- G3
- Dritte steuerbare Stromquelle einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- G2
- Vierte Stromquelle einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- C
- Integrationskondensator einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- SW_C
- Steuerbares Schaltelement einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- SW_C2
- Zweites steuerbares Schaltelement einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 1
- Erste Mittel einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 11
- Erste Elemente der ersten Mittel einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 2
- Zweite Mittel einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 21
- Elemente der zweiten Mittel einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 22
- Kompensationselement
- 3
- Dritte Mittel einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 31
- Addierer im dritten Mittel einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 100
- Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 110
- Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- 120
- Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- Boost
- Schalter für Aufwärtsbetrieb
- Buck
- Schalter für Abwärtsbetrieb
- U(L1 ... Ln)
- Spannung an der Induktivität (L1, ..., Ln) einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- SUB
- Subtrahierer
- U1
- Erstes Signal
- U2
- Zweites Signal
- U3
- Drittes Signal
- M
- PWM-Modulator einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
- S
- Steuerung einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
