DE102015100023A1

DE102015100023A1 - Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweise Nachbilden eines magnetischen Flusses durch Induktivitäten eines Gleichspannungswandlers mit mehreren Phasen

Info

Publication number: DE102015100023A1
Application number: DE102015100023.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Daub
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2016-07-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweise Nachbilden eines magnetischen Flusses durch Induktivitäten (L1, L2, ...) eines Gleichspannungswandlers mit mehreren Phasen, wobei die Induktivitäten (L1, L2, ...) magnetisch gekoppelt sind, mit einem ersten Ein- und/oder Ausgang (U(NETZ1)) zur Verbindung mit einem ersten Netz und mit einem zweiten Ein- und/oder Ausgang (U(NETZ2)) zur Verbindung mit einem zweiten Netz, wobei das erste Netz eine erste Spannung und das zweite Netz eine zweite Spannung aufweist, die Schaltungsanordnung Schaltungen aufweist, wobei je eine Schaltung einer Phase zugeordnet ist und die Schaltungen jeweils – erste Mittel (1) zum Erzeugen eines ersten Signals (K1_int, K2_int, ...) umfassen, das einen mittleren Strom durch die der Schaltung zugeordnete Phase nachbildet, wobei die ersten Mittel (1) jeweils erste Elemente (11) zum Erzeugen des ersten Signals (K1_int, K2_int, ...) umfassen, und – zweite Mittel (2) zum Erzeugen von Signalen umfassen, die zumindest abschnittsweise den magnetischen Fluss durch eine Induktivität (L1, L2, ...) nachbilden, wobei die zweiten Mittel (2) aller oder einiger Schaltungen 1, 2, SUMje einen Regler (22) aufweisen, wobei die Regler (22) derart mit den übrigen Teilen der zweiten Mittel (2) zusammenwirken, dass die mittleren Ströme durch die Phasen des Gleichspannungswandlers mit mehreren Phasen gleich sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch Induktivitäten eines Gleichspannungswandlers mit mehreren Phasen, wobei die 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.
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 des Gleichspannungswandlers 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.
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.
Bekannt ist daher, den sogenannten Fluss Mode zur Regelung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers zu nutzen. Dazu benötigt man eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch Induktivitäten eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers, wobei die Induktivitäten magnetisch gekoppelt sind. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Ein- und/oder Ausgang zur Verbindung mit einem ersten Netz und einen zweiten Ein- und/oder Ausgang zur Verbindung mit einem zweiten Netz auf, wobei das erste Netz eine erste Spannung und das zweite Netz eine zweite Spannung aufweist. Die Schaltungsanordnung weist ferner Schaltungen auf, wobei je eine Schaltung einer Phase des mehrphasigen Gleichspannungswandlers zugeordnet ist und die Schaltungen jeweils

– erste Mittel zum Erzeugen eines ersten Signals umfassen, das einen mittleren Strom durch die der Schaltung zugeordneten Phase nachbildet, wobei die ersten Mittel jeweils erste Elemente zum Erzeugen des ersten Signals umfassen, und
– zweite Mittel zum Erzeugen von Signalen umfassen, die zumindest abschnittsweise den magnetischen Fluss durch eine Induktivität nachbilden.

Das von den ersten Mitteln erzeugte erste Signal kann zugleich auch einen Gleichanteil des magnetischen Flusses durch die Induktivität der der Schaltung zugeordneten Phase des Gleichspannungswandlers nachbilden. Die zweiten Mittel umfassen dann nur Mittel zum Nachbilden des Wechselanteils des magnetischen Flusses durch die Induktivität der der Schaltung zugeordneten Phase.
Eine Schwierigkeit ergibt sich bei mehrphasigen Gleichspannungswandlern durch Bauteiltoleranzen. Diese können einen großen Einfluss auf die Flussnachbildung, insbesondere auf die Nachbildung des Wechselanteils des magnetischen Flusses haben.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
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 eine möglichst von Bauteiltoleranzen unbeeinflusste Nachbildung des magnetischen Flusses durch die Induktivitäten der Phasen ermöglichen und die Ströme durch die Phasen des Gleichspannungswandlers so einstellen, dass sie gleich sind.
Diese Aufgabe wird erfindungemäß dadurch gelöst, dass die zweiten Mittel aller oder einiger Schaltungen je einen Regler aufweisen, wobei die Regler mit den übrigen Teilen der zweiten Mittel zusammenwirken. Die Regler beeinflussen die Nachbildung der magnetischen Flüsse in den zweiten Mitteln der übrigen Schaltungen so, dass die mittleren Ströme durch die Phasen des Gleichspannungswandlers mit mehreren Phasen gleich sind. Voranstehende Aufgabe wird also gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch 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 14. 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.
Die zweiten Mittel jeder Schaltung können Elemente zum Integrieren umfassen. Diese Elemente zum Integrieren sind vorzugsweise so geschaltet, dass sie die Spannung über der Induktivität der zugeordneten Phase und eine Emulation dieser Spannung integrieren können.
Die Elemente zum Integrieren der zweiten Mittel einer ersten der Schaltungen können mit einer anderen Zeitkonstante integrieren als die Elemente zum Integrieren der zweiten Mittel der übrigen Schaltungen. Die unterschiedlichen Zeitkonstanten sorgen dafür, dass selbst bei identischen Eingangsgrößen unterschiedliche Integrationsergebnisse von den Elementen zum Integrieren der ersten Schaltung im Vergleich zu den Elementen zum Integrieren der übrigen Schaltungen geliefert werden. In der Folge liefern die zweiten Mittel der ersten Schaltung und die zweiten Mittel der übrigen Schaltung unterschiedliche Ergebnisse, selbst wenn alle zweiten Mittel die gleichen Eingangsgrößen hätten. Man kann dieses als bewusste Einrichtung eines systematischen Fehlers entweder in den zweiten Mitteln der ersten Schaltung oder in den zweiten Mitteln der übrigen Schaltungen bezeichnen. Um den auf die beschriebene Art und Weise herbeigeführten Fehler oder einen auf andere Art und Weise herbeigeführten Fehler auszugleichen, kann dann in den zweiten Mitteln der Schaltungen, in denen der Fehler vorgesehen ist, der Regler vorgesehen werden.
Zum Beispiel kann die Zeitkonstante der Elemente zum Integrieren der ersten Schaltung kleiner oder größer sein als die Zeitkonstanten der Elemente zum Integrieren der übrigen Schaltungen. Zum Beispiel kann die Zeitkonstante der Elemente zum Integrieren der ersten Schaltung um den Faktor 0,9 kleiner sein als die Zeitkonstanten der Elemente zum Integrieren der übrigen Schaltungen.
Gemäß der Erfindung können die zweiten Mittel der ersten Schaltung ohne bewusst herbeigeführten Fehler vorgesehen sein. Die zweiten Mittel können dann eine von einem bewusst herbeigeführten Fehler unbeeinflusste Nachbildung des Flusses durch die Induktivität der Phase liefern. Der von den ersten Mitteln dieser Schaltung gelieferte Mittelwert für den Strom durch die Phase kann dann als Bezugsgröße gewählt werden, die von den Strömen durch die anderen Phasen erreicht werden soll. Da die erste Schaltung die Bezugsgröße liefert, müssen die zweiten Mittel der ersten Schaltung keinen Regler aufweisen. Dagegen können die zweiten Mittel aller übrigen der Schaltungen den genannten Regler aufweisen.
Die erste Schaltung kann der Phase zugeordnet sein, die die Induktivität hat, die auf einem mittleren Schenkel eines Transformators angeordnet ist, welche die Induktivitäten des Mehrphasen-Gleichstromwandlers umfasst, die über Joche und Schenkel des Transformators magnetisch gekoppelt sind.
Die Regler der zweiten Mittel jeder der übrigen Schaltungen können Elemente aufweisen, welche in Abhängigkeit einer Differenz des ersten Signals der ersten Schaltung, also dem Signal für den mittleren Strom durch die Induktivität der der ersten Schaltung zugeordneten Phase, mit dem ersten Signal der jeweiligen übrigen Schaltung, also dem Signal für den mittleren Strom durch die Induktivität der der jeweiligen übrigen Schaltung zugeordneten Phase, ein drittes Signal erzeugen. Dieses dritte Signal kann den Elementen zum Integrieren der zweiten Mittel derselben übrigen Schaltung zugeführt werden. Dadurch kann die Nachbildung des Flusses durch die Induktivität beeinflusst werden, die zur der Phase gehört, die der jeweiligen übrigen Schaltung zugeordnet wird.
Die Regler der zweiten Mittel der übrigen Schaltungen sind vorzugsweise Regler, die den Strom durch die Phase regeln, der die jeweilige Schaltung zugeordnet ist.
Die Elemente zum Erzeugen des dritten Signals können einen Differenzintegrator umfassen. Der Differenzintegrator kann einen Operationsverstärker umfassen, an dessen Eingängen das erste Signal der ersten Schaltung und das erste Signal der jeweiligen übrigen Schaltung anliegen.
Der Ausgang des Operationsverstärkers kann über einen Kondensator zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zurückgekoppelt sein. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers kann über einen Kondensator mit dem Bezugspotential verbunden sein. Der Ausgang des Operationsverstärkers kann eine zweite steuerbare Stromquelle steuern, die einen Strom liefert, der den Elementen zum Integrieren der zweiten Mittel derselben übrigen Schaltung zugeführt wird.
Bei drei Phasen können Zeitkonstanten der Differenzintegratoren gleich sein. Bei fünf oder mehr Phasen ist es möglich, dass unter den übrigen Schaltungen Paare gebildet werden, bei denen die Zeitkonstanten der Elemente zum Integrieren gleich sind.
Die Zeitkonstanten der Differenzintegratoren können sehr viel kleiner sein als die Perioden, mit denen Schaltelemente der Leistungsteile der Phasen des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers betrieben werden.
Die Schaltungen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können dritte Mittel zum Zusammenfügen des jeweiligen ersten Signals und des jeweiligen zweiten Signals zu einem den magnetischen Fluss durch eine Induktivität zumindest abschnittsweise nachbildenden vierten Signals aufweisen.
Ferner ist es möglich, dass jeweils die zweiten Mittel jeder Schaltung je zumindest ein Kompensationselement zur Kompensation einer magnetischen Sättigung der jeweiligen Induktivität aufweisen. Mittels des Kompensationselements kann zum Beispiel ein konstanter oder ein periodisch linear steigender Strom erzeugbar sein.
Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird anstelle einer direkten Messung des jeweiligen Flusses durch die Induktivitäten 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.
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 Gleichspannungswandlers 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.
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.
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.
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.
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.
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 geschaltetes steuerbares Schaltelement umfassen.
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 Gleichspannungswandlers noch leichter und damit noch genauer ermöglicht.
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.
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.
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.
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. Der auf diese Art und Weise erfasste Gleichanteil des Flusses durch die Induktivität entspricht dem mittleren Strom, weshalb das von den ersten Mitteln gelieferte erste Signal auch als Eingangsgröße für die Regler verwendet werden kann.
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, vierten 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.
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.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer ersten Schaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
2 eine Schaltungsanordnung zum Generieren eines Spannungssignals und
3 ein Ausführungsbeispiel einer übrigen Schaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1, 2 und 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In den 1 und 3 sind mögliche Ausgestaltungen zweier Phasen 100 eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers gezeigt. Die restlichen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungswandlers sind analog der 1 aufgebaut, wobei insbesondere die Induktivitäten L1, L2, ... der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungswandlers magnetisch gekoppelt sind.
Insbesondere ist eine Schaltung 1, 2, SUMeiner Schaltungsanordnung 110 gezeigt, die dieser Phase 100 des mehrphasigen Gleichspannungswandlers zugeordnet ist. Im oberen linken Abschnitt der 1 und der 3 ist der Leistungsteil einer Phase 100 eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers gezeigt. Beim dargestellten Beispiel handelt es sich um einen bidirektionalen Aufwärts-Abwärts-Gleichspannungswandler. In Leistungsteilen bzw. Phasen 100 des Gleichspannungswandlers wird eine Spannung eines ersten Netzes in die Spannung eines zweiten Netzes umgewandelt oder umgekehrt die Spannung des zweiten Netzes in die Spannung des ersten Netzes umgewandelt. Der Energiefluss kann durch eine entsprechende Ansteuerung von steuerbaren Schaltelementen TG1, BG1, TG2, BG2, ... der Phasen 100 des Gleichspannungswandlers gesteuert werden. Neben den steuerbaren Schaltelementen TG1, BG1, TG2, BG2, ... umfassen die Phasen 100 des Gleichspannungswandlers in bekannter Anordnung parallel zu den Schaltelementen TG1, BG1, TG2, BG2, ... angeordnete Dioden D1, D2, einen ersten Kondensator C1, eine Induktivität L1, L2, ... und einen zweiten Kondensator C2.
An einem ersten Ein- und Ausgang U(Netz1) kann eine Spannung gegenüber Masse anliegen, ebenso wie an einem zweiten Ein- und Ausgang U(Netz2). Der erste Ein- und Ausgang U(Netz1) ist über einen Messwiderstand R sowohl mit der Induktivität L1, L2, ... als auch mit dem ersten Kondensator C1 verbunden. Die Steuerung der steuerbaren Schaltelemente TG1, BG1, TG2, BG2, ... erfolgt durch Steuerungsmittel S1, S2. Die Phasen 100 eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers umfassen neben den Leistungsteilen eine Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUMeiner Schaltungsanordnung, mit welcher der Fluss durch die Induktivität L1, L2, ... dieser Phase 100 des Gleichspannungswandlers zumindest abschnittsweise nachgebildet werden kann.
Diese Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUMumfasst erste Mittel 1 zum abschnittsweisen Nachbilden eines Gleichanteils des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1, L2, ..., L2, ... sowie zur Erfassung des mittleren Stroms durch die der Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUMzugeordneten Phase. Neben diesen ersten Mitteln 1 umfasst die Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUMzweite Mittel 2 zum zumindest teilweisen Nachbilden eines Wechselanteils des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1, L2, ..., L2, ... sowie dritte Mittel SUM zum Zusammenführen der beiden Nachbildungen und zum Erzeugen eines Signals U_1(Fluss), U_2(Fluss), ... dass zumindest abschnittsweise den gesamten magnetischen Fluss in der Induktivität L1, L2, ... nachbildet.
Die ersten Mittel 1 umfassen erste Elemente 11 zum Erzeugen des ersten Signals K1_int, K2_int, ..., das dem Gleichanteil des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1, L2, ... 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 Messwiderstand 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 über einen Operationsverstärker OP1 als erstes Signal K1_int, K2_int, ... zur Verfügung gestellt und entspricht dem Gleichanteil des magnetischen Flusses der Induktivität L1, L2, ... sowie dem mittleren Strom durch die Induktivität L1, L2, ....
Im zweiten Mittel 2 wird aus einer Spannung U(U_L) der Wechselanteil des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1, L2, ... zumindest abschnittsweise nachgebildet. Die dazu verwendete Spannung U(U_L) wird in der in der 2 dargestellten Schaltung erzeugt.
In 2 ist die Schaltung gezeigt, mit der die Spannung U(U_L) erzeugt werden kann, die der Spannung an den Induktivitäten L1, L2, ... des mehrphasigen Gleichspannungswandlers entspricht. Dabei wird verwendet, dass in einem Aufwärtsbetrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers die an den Induktivitäten L1, L2, ... 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(U_L) an den Induktivitäten L1, L2, ... enthalten daher ein steuerbares Schaltelement sw_Boost, welches geschlossen ist, wenn der mehrphasige Gleichspannungswandler im Aufwärtsbetrieb betrieben wird. Dadurch ist der erste Ein- und Ausgang U(Netz1) des mehrphasigen Gleichspannungswandlers über eine Operationsverstärkerschaltung Op2, R8, R9 mit der Verstärkung 1 mit dem Ausgang der Schaltung verbunden, wodurch die Spannung U(U_L) der Netzspannung des ersten Netzes entspricht.
Alternativ dazu kann in einem Abwärtsbetrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers ein steuerbares Schaltelement sw_Buck geschlossen sein, wodurch der Ausgang der Schaltung mit dem Ausgang eines Subtrahierers OP3, R5, R6, R4, R7 verbunden wird. Die Eingänge dieses Subtrahierers OP3, R5, R6, R4, R7 sind mit den beiden Ein- und Ausgängen U(Netz1), U(Netz2) des mehrphasigen Gleichspannungswandlers derart verbunden, dass eine Differenz der zweiten und der ersten Spannung am Ausgang des Subtrahierers OP3, R5, R6, R4, R7 anliegt. Somit wird im Abwärtsbetrieb die an den Induktivitäten L1, L2, ... anliegende Spannung durch die Differenz der beiden Netzspannungen moduliert. Die vorgestellte Schaltung stellt dabei eine besonders einfache Art und Weise dar, die an den Induktivitäten L1, L2, anliegende Spannung zu bilden, da keine direkte Messungen der Spannung an den jeweiligen Induktivitäten L1, L2, ... nötig ist.
Im zweiten Mittel 2 (1, 3) wird die Spannung U(U_L) mit Elementen 21 zum Integrieren integriert, um ein zweites Signal Integral_1(U_L), Integral_2(U_L), ... zu erzeugen. Die an der Induktivität L1, L2, ... anliegende Spannung U(U_L) steuert dazu eine steuerbare Stromquelle G1, G2, ..., deren Strom über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator C10, C20, ... und einem weiteren steuerbaren Schaltelement SW_C10, SW_C20, ... geführt wird.
Ferner weist das zweite Mittel 2 der in der 3 dargestellten übrigen Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUM einen Regler 22 auf. Der Regler 22 umfasst einen Differenzintegrator, der aus einem Operationsverstärker OP10, Kondensatoren C7, C8 und Widerständen R12, R13 gebildet ist. An dem invertierenden Eingang liegt über den Widerstand R12 das Signal K2_int an, also das Signal für den mittleren Strom durch die Induktivität der Phase, der der ersten Schaltung zugeordnet ist (1). Gleichzeitig wird der Ausgang des Operationsverstärkers OP10 über den Kondensator C7 zum invertierenden Eingang geführt. Der Operationsverstärker OP10 ist also über den Kondensator C7 rückgekoppelt. Am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärker OP10 liegt das von den ersten Mittel derselben Phase erzeugte erste Signal K1_int an, der auch das zweite Mittel der übrigen Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUM zugeordnet ist. Damit liegt das Signal für den mittleren Strom durch die Phase des Gleichspannungswandlers an, der die in der 3 dargestellte Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUM zugeordnet ist.
Das vom Operationsverstärker OP10 gelieferte Ausgangssignal steuert eine zweite steuerbare Stromquelle G1komp.
Das Öffnen und Schließen des Schaltelements SW_C10, SW_C20, ... erfolgt synchron zum Schalten der Schaltelemente TG1, BG1, TG2, BG2, ... der Phasen 100 des mehrphasigen Gleichspannungswandlers. Je nachdem, ob das steuerbare Schaltelement SW_C10, SW_C20, ... geöffnet oder geschlossen ist, wird Kondensator C10, C20, ... entweder bei geöffnetem steuerbaren Schaltelement SW_C10, SW_C20, ... aufgeladen, oder über das geschlossene steuerbare Schaltelement SW_C10, SW_C20, ... entladen. Als Ladestrom fließt die Summe des Stroms aus der steuerbaren Stromquelle G1 und der zweiten Stromquelle G1komp, wenn es sich bei dem zweiten Mittel um das zweite Mittel einer übrigen Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUMhandelt (3), beziehungsweise nur der Strom aus der steuerbaren Stromquelle G2, wenn es sich bei dem zweiten Mittel um das zweite Mittel der ersten Schaltung 1, 2, SUM 1, 2, SUMhandelt (1). Die Spannung über dem Kondensator C10, C20, ... bildet das zweite Signal Integral_1(U_L), Integral_2(U_L), ..., welches den Wechselanteil des magnetischen Flusses durch die Induktivität L1, L2, ... nachbildet.
Das erste Signal K1_int, K2_int, ... und das zweite Signal Integral_1(U_L), Integral_2(U_L), ... werden mittels eines Mittels 3 zum Zusammenfügen zu dem den Fluss durch die Induktivität L1, L2, ... nachbildenden Signal U_1(FLUSS), U_2(FLUSS), ... zusammengeführt. Die beiden Signale K1_INT, K2_INT, ... und INTEGRAL_1(U_L), INTEGRAL_2(U_L), ... werden dabei durch einen Addierer des dritten Mittels SUM zu diesem dritten Signal U_1(Fluss), U_2(Fluss), ... zusammengeführt. Das Steuerungsmittel S1, S2, ... 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 S1, S2, ... einen Eingang aufweisen, über den dem Steuermittel S1, S2, ... ein pulsweitenmoduliertes Signal PWM_1, PWM_2, ... zugeführt wird. Dieses Signal kann von einem PWM-Modulator M1, M2, ... aus dem den magnetischen Fluss durch die Induktivität L1, L2, ... nachbildenden Signal U_1(Fluss), U_2(Fluss), ... und einem Reglersignal erzeugt werden. Im Steuerungsmittel S1, S2, ... werden somit, basierend auf dem den magnetischen Fluss durch die Induktivität L1, L2, ... nachbildenden Signal U_1(Fluss), U_2(Fluss), ..., die Schaltsignale für die steuerbaren Schaltelemente TG1, BG1, BG1, BG2, ... in den Leistungsteilen der Phasen 100 und das Steuersignal für das steuerbare Schaltelement SW_C10, SW_C20, ... im zweiten Mittel 2 erzeugt.
Bezugszeichenliste

U(NETZ1): Erster Ein- und Ausgang eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
U(NETZ2): Zweiter Ein- und Ausgang eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
C1: U(NETZ1)-seitiger Kondensator einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
C2: U(NETZ2)-seitiger Kondensator der ersten Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
D1, D2: Dioden einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
TG1, BG1, TG2, BG2: Steuerbare Schaltelemente einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
L1, L2, ...: Induktivität einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
R: Messwiderstand 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
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
2: Zweite Mittel einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
21: Elemente zum Integrieren der zweiten Mittel
22: Regler
G1, G2: Steuerbare Stromquelle des zweiten Mittels
G1komp: Steuerbare Stromquelle des zweiten Mittels
SW_C10, SW_C20: Steuerbares Schaltelement eines zweiten Mittels
SUM: Dritte Mittel einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
100: Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
sw_Boost: Schalter für Aufwärtsbetrieb
sw_Buck: Schalter für Abwärtsbetrieb
U(L1, L2, ... Ln): Spannung an der Induktivität (L1, L2, ..., ..., Ln) einer Phase eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
K1_INT, K2_INT, ...: Erstes Signal
INTEGRAL_1(U_L), INTEGRAL_2(U_L), ...: Zweites Signal
M1, M2, ...: PWM-Modulator einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers
S1, S2, ...: Steuerung einer Schaltung einer Schaltungsanordnung eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers

Claims

Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweise Nachbilden eines magnetischen Flusses durch Induktivitäten (L1, L2, ...) eines Gleichspannungswandlers mit mehreren Phasen, wobei die Induktivitäten (L1, L2, ...) magnetisch gekoppelt sind, mit einem ersten Ein- und/oder Ausgang (U(NETZ1)) zur Verbindung mit einem ersten Netz und mit einem zweiten Ein- und/oder Ausgang (U(NETZ2)) zur Verbindung mit einem zweiten Netz, wobei das erste Netz eine erste Spannung und das zweite Netz eine zweite Spannung aufweist, die Schaltungsanordnung Schaltungen aufweist, wobei je eine Schaltung einer Phase zugeordnet ist und die Schaltungen jeweils – erste Mittel (1) zum Erzeugen eines ersten Signals (K1_int, K2_int, ...) umfassen, das einen mittleren Strom durch die der Schaltung zugeordnete Phase nachbildet, wobei die ersten Mittel (1) jeweils erste Elemente (11) zum Erzeugen des ersten Signals (K1_int, K2_int, ...) umfassen, und – zweite Mittel (2) zum Erzeugen von Signalen umfassen, die zumindest abschnittsweise den magnetischen Fluss durch eine Induktivität (L1, L2, ...) nachbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel (2) aller oder einiger Schaltungen 1, 2, SUMje einen Regler (22) aufweisen, wobei die Regler (22) derart mit den übrigen Teilen der zweiten Mittel (2) zusammenwirken, dass die mittleren Ströme durch die Phasen des Gleichspannungswandlers mit mehreren Phasen gleich sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel (2) jeder Schaltung (1, 2, SUM) Elemente (21) zum Integrieren umfassen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (21) zum Integrieren der zweiten Mittel einer ersten der Schaltungen (1, 2, SUM) mit einer anderen Zeitkonstante integrieren als die Elemente (21) zum Integrieren der zweiten Mittel der übrigen Schaltungen (1, 2, SUM).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante der Elemente zum Integrieren der ersten Schaltung (1, 2, SUM) kleiner ist als die Zeitkonstanten der Elemente zum Integrieren der übrigen Schaltungen (1, 2, SUM).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante der Elemente zum Integrieren der ersten Schaltung (1, 2, SUM) größer ist als die Zeitkonstanten der Elemente zum Integrieren der übrigen Schaltungen (1, 2, SUM).
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel (2) der ersten Schaltung der Schaltungen (1, 2, SUM) keinen Regler (22) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel (2) aller übrigen der Schaltungen (1, 2, SUM) den in Anspruch 1 genannten Regler (22) aufweisen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regler (22) der zweiten Mittel jeder übrigen Schaltungen (1, 2, SUM) Elemente (OP10, R12, R13, C7, C8) aufweisen, welche in Abhängigkeit einer Differenz des ersten Signals (K2_int) der ersten Schaltung mit dem ersten Signal (K1_int) der jeweiligen übrigen Schaltung (1, 2, SUM) ein drittes Signal erzeugen, welches den Elementen (21) zum Integrieren derselben übrigen Schaltung (1, 2, SUM) zugeführt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (OP10, R12, R13, C7, C8) zum Erzeugen des dritten Signals einen Differenzintegrator umfassen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzintegrator einen Operationsverstärker (OP10) umfasst, an dessen Eingängen das erste Signals (K2_int) der ersten Schaltung und das erste Signal (K1_int) der jeweiligen übrigen Schaltung (1, 2, SUM) anliegen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Operationsverstärkers (OP10) über einen Kondensator (C7) zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP10) zurückgekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OP10) über einen Kondensator (C8) mit dem Bezugspotential verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Operationsverstärkers (OP10) eine zweite steuerbare Stromquelle (G1komp) steuert, die einen Strom liefert, der den Elementen (21) zum Integrieren derselben übrigen Schaltung (1, 2, SUM) zugeführt wird.
Mehrphasiger 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 Induktivitäten (L1, L2, ...), wobei die Induktivitäten (L1, L2, ...) magnetisch gekoppelt und alternierend ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler eine Schaltungsanordnung zum zumindest abschnittsweisen Nachbilden eines magnetischen Flusses durch die Induktivitäten (L1, L2, ...) des mehrphasigen Gleichspannungswandlers nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.