DE102017116767A1 - Bidirektionaler isolierter gleichspannungswandler - Google Patents

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Abstract

Ein bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler umfasst einen Transformator, eine Sekundärschaltung und eine Steuerschaltung. Wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators übertragen wird, misst die Steuerschaltung eine erste Spannung auf einer Hochspannungsseite des Transformators und eine zweite Spannung auf einer Niederspannungsseite des Transformators in jeder Zykluszeit. Wenn das Spannungsverhältnis ein Referenzwert oder größer ist, berechnet die Steuerschaltung eine erste Periode, während derer die Steuerschaltung das erste Schaltelement einschaltet, und eine nach der ersten Periode gelegene zweite Periode, während derer die Steuerschaltung das zweite Schaltelement einschaltet, von der Zykluszeit, sodass ein Periodenverhältnis größer ist als ein Referenzwert, und steuert sie das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement basierend auf der ersten Periode und der zweiten Periode.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler.
  • In einem bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler wird elektrische Leistung von einer Sekundärseite an eine Primärseite eines Transformators übertragen. Zum Beispiel steuert der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler in einem Vorladebetrieb zwei Schaltelemente, die in einer mit der Sekundärwicklung des Transformators verbundenen Sekundärschaltung bereitgestellt sind, um eine Synchrongleichrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung durchzuführen.
  • Die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2015-228788 offenbart einen derartigen bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler.
  • Es sind Schaltelemente zur Synchrongleichrichtung in der Sekundärschaltung für einen Transformator des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers bereitgestellt. Wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators übertragen wird, werden die Schaltelemente gesteuert, sodass sie eingeschaltet (geschlossen) und ausgeschaltet (geöffnet) werden. Abhängig von einer Betriebszeit bzw. Einschaltdauer der Schaltelemente kann während einer Periode bzw. eines Zeitraums einer Zyklus- bzw. Taktzeit keine elektrische Leistung übertragen werden, was die Effizienz der Übertragung elektrischer Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators verringert.
  • Die vorliegende Erfindung, die angesichts der vorstehend dargelegten Probleme gemacht wurde, ist darauf gerichtet, einen bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler bereitzustellen, der die Periode bzw. den Zeitraum, während derer bzw. dessen keine elektrische Leistung übertragen wird, für eine Zyklus- bzw. Taktzeit während einer Übertragung elektrischer Leistung von einer Sekundärseite an eine Primärseite eines Transformators verkürzt.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler bereitgestellt, der umfasst: einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, eine Sekundärschaltung, die mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist und eine Spule, ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement umfasst; wobei ein erster Anschluss der Spule und ein erster Anschluss des ersten Schaltelements mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators verbunden sind, wobei ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements miteinander verbunden sind, und eine Steuerschaltung, die das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement steuert. Wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators übertragen wird, misst die Steuerschaltung eine erste Spannung VH, die eine Gleichspannung der Primärwicklung auf einer Hochspannungsseite des Transformators bezeichnet, und eine zweite Spannung VL, die eine Gleichspannung der Sekundärwicklung auf einer Niederspannungsseite des Transformators bezeichnet, in jeder Zykluszeit. Die Steuerschaltung berechnet ein Spannungsverhältnis n, oder VH/VL. Wenn das Spannungsverhältnis n ein Referenzwert J, oder 1/(1 + L1/2Lm), oder größer ist, wobei L1 eine Induktivität der Spule bezeichnet und Lm eine Erregerinduktivität des Transformators bezeichnet, berechnet die Steuerschaltung eine erste Periode, während derer die Steuerschaltung das erste Schaltelement einschaltet, und eine zweite Periode, während derer die Steuerschaltung nach der ersten Periode das zweite Schaltelement einschaltet, von der Zykluszeit, sodass ein Periodenverhältnis dn, oder die erste Periode/die zweite Periode, größer ist als ein Referenzwert dJ, oder n(1 + L1/2Lm) – 1, und steuert sie das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement basierend auf der ersten Periode und der zweiten Periode.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler bereitgestellt, der umfasst: einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, eine Sekundärschaltung, die mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist und eine Spule, ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement umfasst; wobei ein erster Anschluss des ersten Schaltelements mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist, wobei ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung verbunden ist, wobei ein erster Anschluss der Spule mit einem dritten Anschluss der Sekundärwicklung, oder einem mittleren Anschluss der Sekundärwicklung, verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements miteinander verbunden sind, und eine Steuerschaltung, die das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement steuert. Wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators übertragen wird, misst die Steuerschaltung eine erste Spannung VH, die eine Gleichspannung der Primärwicklung auf einer Hochspannungsseite des Transformators bezeichnet, und eine zweite Spannung VL, die eine Gleichspannung der Sekundärwicklung auf einer Niederspannungsseite des Transformators bezeichnet, in jeder Zykluszeit oder in einer Hälfte der Zykluszeit. Die Steuerschaltung berechnet ein Spannungsverhältnis n, oder VH/VL. Wenn das Spannungsverhältnis n ein Referenzwert J, oder 1/(1 + L1/2Lm), oder größer ist, wobei L1 eine Induktivität der Spule bezeichnet und Lm eine Erregerinduktivität des Transformators bezeichnet, berechnet die Steuerschaltung eine erste Periode, während derer die Steuerschaltung in einer früheren Halbperiode der Zykluszeit und in einer späteren Halbperiode der Zykluszeit das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement einschaltet, und eine zweite Periode, während derer die Steuerschaltung nach der ersten Periode in der früheren Halbperiode der Zykluszeit das erste Schaltelement ausschaltet und das zweite Schaltelement einschaltet und nach der ersten Periode in der späteren Halbperiode der Zykluszeit das erste Schaltelement einschaltet und das zweite Schaltelement ausschaltet, sodass ein Periodenverhältnis dn, oder die erste Periode/die zweite Periode, größer ist als ein Referenzwert dJ, oder n(1 + L1/2Lm) – 1, und steuert sie das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement basierend auf der ersten Periode und der zweiten Periode:
    Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft veranschaulichen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung kann samt ihren Aufgaben und Vorteilen am besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, bei denen gilt:
  • 1 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2A umfasst drei Schaltbilder A, B, C, die Spulenstrom und Erregerstrom, die in dem bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler gemäß 1 fließen, in drei unterschiedlichen Zuständen von diesem während des Vorladebetriebs zeigen;
  • 2B umfasst drei Schaltbilder D, E, F, die Spulenstrom und Erregerstrom, die in dem bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler gemäß 1 fließen, in drei unterschiedlichen Zuständen von diesem während des Vorladebetriebs zeigen;
  • 3A zeigt die Steuersignale, die Schaltelemente einer Sekundärschaltung steuern, den Spulenstrom, den Erregerstrom und den Strom, der in den Schaltelementen fließt, in zwei unterschiedlichen Fällen, nämlich Fall A, in dem eine Störung in der Übertragung elektrischer Leistung auftritt, und Fall B, in dem eine Störung in der Übertragung elektrischer Leistung vermieden wird, in einer anfänglichen Phase eines Vorladebetriebs des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß 1.
  • 3B ist ein Schaltbild, das die Steuersignale, die Schaltelemente der Sekundärschaltung steuern, den Spulenstrom, den Erregerstrom und den Strom, der in den Schaltelemente fließt, in einer späteren Phase des Vorladebetriebs des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler gemäß 1 zeigt;
  • 4 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5A ist ein Diagramm, das die Steuersignale, die die Schaltelemente der Sekundärschaltung steuern, den Spulenstrom, den Erregerstrom und den Strom, der in den Schaltelementen fließt, in einer anfänglichen Phase eines Vorladebetriebs des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß 4 zeigt;
  • 5B ist ein Diagramm, das die Steuersignale, die die Schaltelemente der Sekundärschaltung steuern, den Spulenstrom, den Erregerstrom und den Strom, der in den Schaltelementen fließt, in dem Vorladebetrieb, in dem eine Störung in der Übertragung elektrischer Leistung vermieden wird, in einer späteren Phase des Vorladebetriebs des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß 4 zeigt;
  • 6 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers eines Halbbrückensystems als eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
  • 7 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers eines Gegentaktsystems als eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • Bezugnehmend auf 1 ist ein bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler 1 ist ein Vorwärtsgleichspannungswandler eines Active-Clamp-Systems, der eine Primärschaltung bzw. einen Primärstromkreis 2, einen Transformator 3, eine Sekundärschaltung bzw. einen Sekundärstromkreis 4 und eine Steuerschaltung 5 umfasst.
  • Die Primärschaltung 2 umfasst ein Schaltelement 11, ein Schaltelement 12, einen Kondensator 13 und einen Kondensator 14. Die Primärschaltung 2 ist auf der Hochspannungsseite der Primärschaltung 2 über ein Relais 7 und ein Relais 8 zu einer Hochspannungsbatterie 6 und auf ihrer Niederspannungsseite zu einer Primärwicklung des Transformators 3 parallel geschaltet. Der positive Anschluss bzw. Pluspol (+) der Hochspannungsbatterie 6 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Relais 7 verbunden. Der negative Anschluss bzw. Minuspol (–) der Hochspannungsbatterie 6 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Relais 8 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Relais 7 ist mit dem ersten Anschluss (1) der Primärwicklung des Transformators 3, dem zweiten Anschluss (2) des Kondensators 13 und dem ersten Anschluss (1) des Kondensators 14 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Relais 8 ist mit dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 12 und dem zweiten Anschluss (2) des Kondensators 14 verbunden. Der erste Anschluss (1) des Schaltelements 11 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Kondensators 13 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Schaltelements 11 ist mit dem zweiten Anschluss (2) der Primärwicklung des Transformators 3 und dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 12 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Relais 7 ist mit dem Steueranschluss P1 der Steuerschaltung 5 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Relais 8 ist mit dem Steueranschluss P2 der Steuerschaltung 5 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 11 ist mit dem Steueranschluss P3 der Steuerschaltung 5 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 12 ist mit dem Steueranschluss P4 der Steuerschaltung 5 verbunden.
  • Die Sekundärschaltung 4 umfasst ein Schaltelement 15 (das erste Schaltelement der vorliegenden Erfindung), ein Schaltelement 16 (das zweite Schaltelement der vorliegenden Erfindung), eine Spule 17 und einen Kondensator 18. Die Sekundärschaltung 4 ist auf der Hochspannungsseite der Sekundärschaltung 4 zu der Sekundärwicklung des Transformators 3 und auf der Niederspannungsseite der Sekundärschaltung 4 zu einer Niederspannungsbatterie 19 parallel geschaltet. Der erste Anschluss (1) des Schaltelements 15 ist mit dem ersten Anschluss (1) der Sekundärwicklung des Transformators 3 und dem ersten Anschluss (1) der Spule 17 verbunden. Der erste Anschluss (1) des Schaltelements 16 ist mit dem zweiten Anschluss (2) der Sekundärwicklung des Transformators 3 verbunden. Der zweite Anschluss (2) der Spule 17 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Kondensators 18 und dem positiven Anschluss bzw. Pluspol (+) der Niederspannungsbatterie 19 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Schaltelements 15 und der zweite Anschluss (2) des Schaltelements 16 sind mit dem zweiten Anschluss (2) des Kondensators 18 und dem negativen Anschluss bzw. Minuspol (–) der Niederspannungsbatterie 19 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 15 ist mit dem Steueranschluss P5 der Steuerschaltung 5 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 16 ist mit dem Steueranschluss P6 der Steuerschaltung 5 verbunden.
  • Die Steuerschaltung 5 erzeugt Signale, die einen Einschalt-(Schließ-) und Ausschalt-(Öffnungs-)Betrieb der Relais 7, 8 und der Schaltelemente 11, 12, 15, 16 steuern, um eine Aufladung der Niederspannungsbatterie 19 durch von der Hochspannungsbatterie 6 gelieferte elektrische Leistung zu steuern (d.h. eine Steuerung durch das Active-Clamp-System) und ein Aufladen des Kondensators 14 durch die Spannung der Niederspannungsbatterie 19 zu steuern (d.h. eine Vorlade-/Vorspannsteuerung durch das Active-Clamp-System). Die Steuerschaltung 5 umfasst eine programmierbare Vorrichtung wie etwa eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU), eine Mehrkern-CPU, ein Field Programmable Array (FPGA) oder ein Programmable Logic Device (PLD).
  • Wenn die Steuerschaltung 5 Signale zum Einschalten der Relais 7, 8 erzeugt, wird die Hochspannungsbatterie 6 mit dem Kondensator 14 verbunden. Wenn die Steuerschaltung 5 Signale zum Ausschalten der Relais 7, 8 erzeugt, wird die Hochspannungsbatterie 6 von dem Kondensator 14 getrennt.
  • Die Schaltelemente 11, 12, 15, 16 können durch eine Halbleiterschaltvorrichtung bereitgestellt sein, wie etwa einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Zum Beispiel, wenn die Schaltvorrichtung ein N-Kanal-MOSFET ist, sind die ersten Anschlüsse (1) der Schaltelemente 11, 12, 15, 16 ein Drainanschluss, und sind die zweiten Anschlüsse (2) ein Sourceanschluss, und sind die dritten Anschlüsse (3) ein Gateanschluss. Es ist zu beachten, dass ein Steuersignal SIG1, das von dem Steueranschluss P5 der Steuerschaltung 5 erzeugt wird, ein Signal zum Steuern eines Ein-/Ausschaltbetriebs des Schaltelements 15 ist, und ein Steuersignal SIG2, das von dem Steueranschluss P6 der Steuerschaltung 5 erzeugt wird, ein Signal zum Steuern eines Ein-/Ausschaltbetriebs des Schaltelements 16 ist.
  • Im Folgenden wird der Vorladebetrieb unter Bezugnahme auf 2A, 2B und 3A beschrieben. 2A und 2B sind Schaltbilder, die einen Spulenstrom IL1 und einen Erregerstrom ILm in dem Vorladebetrieb des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigen. Die Diagramme in 3A zeigen Steuersignale SIG1, SIG2, die die Schaltelemente 15, 16 der Sekundärschaltung 4 steuern, Spulenstrom IL1, Erregerstrom ILm und Ströme I15, I16, die in den jeweiligen Schaltelementen 15, 16 fließen, in einem Fall A, in dem eine Störung bzw. Fehlfunktion in der Übertragung elektrischer Leistung auftritt, und in dem anderen Fall B, in dem eine Störung bzw. Fehlfunktion in der Übertragung elektrischer Leistung vermieden wird, in der anfänglichen Phase des Vorladebetriebs des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Bei Durchführung der Vorladung, oder Übertragung von elektrischer Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 3, erzeugt die Steuerschaltung 5 Signale zum Ausschalten der Relais 7, 8, und wird die Abfolge von Schritten S1 bis S4, die nachstehend beschrieben werden, für jede Zyklus- bzw. Taktzeit T wiederholt, um dadurch ein Aufladen des Kondensators 14 zu steuern.
  • In Schritt S1 berechnet, bevor ein Start der nächsten Zykluszeit T beginnt, die Steuerschaltung 5 die Periode td1 in der Zykluszeit T, während derer das Schaltelement 15 eingeschaltet wird/ist, die Periode td2 in der Zykluszeit T, während derer das Schaltelement 16 nach der Periode td1 eingeschaltet wird/ist, und Periode td3 in der Zykluszeit T, während derer die Schaltelemente 15, 16 nach der Periode td2 ausgeschaltet werden/sind.
  • In Schritt S2 erzeugt die Steuerschaltung 5 Signale zum Einschalten der Schaltelemente 11, 15 und Ausschalten der Schaltelemente 12, 16. Als Folge hiervon, wie es in dem Schaltbild A von 2A gezeigt ist, fließt der Spulenstrom IL1 (gestrichelte Linie) von dem positiven Anschluss der Niederspannungsbatterie 19 über die Spule 17 und das Schaltelement 15 zu dem negativen Anschluss der Niederspannungsbatterie 19, sodass Energie in der Spule 17 angesammelt wird. Der Erregerstrom ILm (durchgezogene Linie) fließt von dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3 über die Erregerinduktivität Lm zu dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3. In diesem Fall, wie es in der Periode T1 des Diagramms A von 3A gezeigt ist, steigt der Spulenstrom IL1 (gestrichelte Linie) mit einem Gradienten, der durch VL/L1 bestimmt wird, und fällt der Erregerstrom ILm (durchgezogene Linie) mit einem Gradienten, der durch –(VR/N)/Lm bestimmt wird, sodass er zu Null Ampere wird. Wenn die elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 3 übertragen wird, fließt der Strom I1 (durchgezogene Linie) in der Pfeilrichtung. In der vorstehenden Beschreibung bezeichnet VL eine Gleichspannung auf der Niederspannungsseite der Sekundärwicklung des Transformators 3, die der zweiten Spannung VL der vorliegenden Erfindung entspricht. L1 bezeichnet die Induktivität der Spule 17. VR bezeichnet die Spannung des Kondensators 13. N bezeichnet das Verhältnis der Anzahl von Windungen der Primär- und der Sekundärwicklung des Transformators 3, und in dem in 1 gezeigten Beispiel ist das Verhältnis auf N:1 festgelegt.
  • Wenn der Erregerstrom ILm unter Null Ampere fällt, wie es in dem Schaltbild B von 2A gezeigt ist, wird die Richtung umgekehrt, in der der Erregerstrom ILm fließt. Das heißt, dass der Erregerstrom ILm von dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3 über die Erregerinduktivität Lm zu dem ersten Anschluss des Transformators 3 fließt. Wie es in der Periode T2 des Diagramms A von 3A gezeigt ist, steigt der Spulenstrom IL1 weiter mit einem Gradienten, der durch VL/L1 bestimmt wird, und fällt der Erregerstrom ILm weiter mit einem Gradienten, der durch –(VR/N)/Lm bestimmt wird. Als Folge hiervon wird die Richtung, in der der Strom I1 fließt, gegenüber der Richtung umgekehrt, bevor der Erregerstrom ILm zu Null Ampere wird, wie es in dem Diagramm B von 2A gezeigt ist.
  • In Schritt S3 erzeugt die Steuerschaltung 5 Signale zum Einschalten der Schaltelemente 12, 16 und Ausschalten der Schaltelemente 11, 15 während der berechneten Periode td2. In diesem Fall, wie es in dem Schaltbild C von 2A gezeigt ist, fließt der Spulenstrom IL1 in der Periode T3 von dem positiven Anschluss der Niederspannungsbatterie 19 über die Spule 17, die Sekundärwicklung des Transformators 3 und das Schaltelement 16 zu dem negativen Anschluss der Niederspannungsbatterie 19. Der Erregerstrom ILm fließt von dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3 über die Erregerinduktivität Lm zu dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3, sodass ein Teil der in der Spule 17 angesammelten Energie in den Kondensator 14 übertragen wird. Das heißt, dass elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 3 übertragen wird. Die Ströme I1, I2 fließen in den Pfeilrichtungen, sodass der Kondensator 14 aufgeladen wird. In diesem Fall, wie es in der Periode T3 in dem Diagramm A von 3A gezeigt ist, steigt der Spulenstrom IL1 mit einem Gradienten, der durch (VL – (VH/N))/L1 bestimmt wird. Der Erregerstrom ILm steigt mit einem Gradienten, der durch (VH/N)/Lm bestimmt wird, und wird zu Null Ampere. In der vorstehenden Beschreibung bezeichnet VH eine Gleichspannung auf der Hochspannungsseite der Primärwicklung des Transformators 3, die der ersten Spannung VH der vorliegenden Erfindung entspricht.
  • Wenn der Erregerstrom ILm zu Null Ampere oder höher wird, wird die Richtung umgekehrt, in der der Erregerstrom ILm fließt, wie es in dem Schaltbild D von 2B gezeigt ist, und fließt der Erregerstrom ILm von dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3 über die Erregerinduktivität Lm zu dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3. Das heißt, wie es in der Periode T4 des Diagramms A von 3A gezeigt ist, steigt der Spulenstrom IL1 weiter mit einem Gradienten, der durch (VL – (VH/N))/L1 bestimmt wird, und steigt der Erregerstrom ILm weiter mit einem Gradienten, der durch (VH/N)/Lm bestimmt wird. Dann wird die Richtung, in der der Strom I1 fließt, die in dem Schaltbild D von 2B gezeigt ist, gegenüber der Richtung umgekehrt, bevor der Erregerstrom ILm zu Null Ampere wird.
  • Wenn jedoch während der Verarbeitung des Schritts S3 unter Verwendung der Perioden td1 und td2, die in dem Schritt S1 berechnet werden, in der Periode td2 eine Zeit vorliegt, die den Ausdruck 1 erfüllt, der nachstehend gezeigt ist, tritt eine Störung bzw. Fehlfunktion in der Übertragung elektrischer Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 3 auf. n = VH/VL ≥ 1/(1 + L1/2Lm) Ausdruck 1
  • Der Grund für die vorgenannte Störung bzw. Fehlfunktion liegt darin, dass, wenn Ausdruck 1 erfüllt ist, der Spulenstrom IL1 und der Erregerstrom ILm mit einem Gradienten steigen, der durch VL/(Lm + L1) bestimmt wird, wie es in der Periode T4* des Diagramms A von 3A gezeigt ist, sodass der Spulenstrom IL1 und der Erregerstrom ILm in einander entgegengesetzten Richtungen fließen, wie es in dem Schaltbild E von 2B gezeigt ist, und die Werte des Spulenstroms IL1 und des Erregerstroms ILm im Wesentlichen gleich werden (IL1 = ILm). Als Folge hiervon hebt der Spulenstrom IL1 den Erregerstrom ILm auf, sodass keine elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 3 übertragen wird.
  • Aus diesem Grund wird die Periode T4*, in der keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt, in dem Schritt S1' anstelle des vorstehend beschriebenen Schritts S1 durchgeführt wird. In Schritt S1' wird in jeder Zykluszeit T bestimmt, ob Ausdruck 1 erfüllt ist. Wenn Ausdruck 1 erfüllt ist, werden die Periode td1' (die erste Periode der vorliegenden Erfindung) und die Periode td2' (die zweite Periode der vorliegenden Erfindung) berechnet, in denen nachstehend beschriebener Ausdruck 2 erfüllt ist. td1'/td2' > n(1 + L1/2Lm) – 1 Ausdruck 2
  • Das heißt, wenn die Erfüllung von Ausdruck 1 bestimmt wird, werden Perioden td1', td2' und Periode td3 (die dritte Periode der vorliegenden Erfindung), die Ausdruck 2 erfüllen, berechnet, bevor die nächste Zykluszeit T startet. Wenn die nächste Zykluszeit T startet, verwendet die Steuerschaltung 5 diese Perioden td1', td2' und td3 bei Steuerung der Schaltelemente 15, 16. Die Verarbeitung in Schritt S1' und der Vorladebetrieb unter Verwendung der Perioden td1', td2' werden nachstehend beschrieben.
  • In dem Schritt S4 schaltet die Steuerschaltung 5 in der berechneten Periode td3 das Schaltelement 11 ein und die Schaltelemente 12, 15, 16 aus, sodass der Ausschaltzustandsverlust der Schaltelemente 15, 16 die in der Spule 17 verbleibende Energie ver-/aufbraucht. Wenn in einer anfänglichen Phase einer Vorladung die Spannung VH niedrig ist, oder die Spannung des Kondensators 14 niedriger ist als eine vorbestimmte Spannung, zum Beispiel wenn die Spannung Null Volt beträgt, ist das Produkt ET auf der Positivspannungsseite der Spule 17 höher als das Produkt ET auf der Negativspannungsseite der Spule 17. Es ist zu beachten, dass das Produkt ET auf der Positivspannungsseite der Spule 17 das Produkt der Spannung VL und der Zeitdauer meint, während derer das Schaltelement 15 eingeschaltet ist und das Schaltelement 16 ausgeschaltet ist, und auch, dass das Produkt ET auf der Negativspannungsseite der Spule 17 das Produkt der Spannung VH/N und der Zeitdauer meint, während derer das Schaltelement 15 ausgeschaltet ist und das Schaltelement 16 eingeschaltet ist. Als Folge hiervon wird der Spulenstrom IL1 so erhöht, dass er zu groß ist, um gesteuert zu werden. Um einen solchen Anstieg des Spulenstroms IL1 zu verhindern, wird der Schritt S4 durchgeführt, um den Anstieg des Spulenstroms IL1 zu unterbinden. Wie es in dem Schaltbild F von 2B und auch in der Periode T5 des Diagramms A von 3A gezeigt ist, fließt kein Spulenstrom IL1. Der Erregerstrom ILm fließt von dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3 über die Erregerinduktivität Lm zu dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators 3. Der Erregerstrom ILm fällt mit einem Gradienten, der durch –(VR/N)/Lm bestimmt wird.
  • Im Folgenden wird der Vorladebetrieb beschrieben, in dem eine Störung bzw. Fehlfunktion in der Übertragung elektrischer Leistung verhindert wird. In dem Schritt S1', wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite des Transformators 3 an die Primärseite des Transformators 3 übertragen wird, misst die Steuerschaltung 5 die Spannung VH und die Spannung VL, bevor die nächste Zykluszeit T beginnt, und berechnet sie das Spannungsverhältnis n, oder VH/VL.
  • Dann vergleicht die Steuerschaltung 5 das Verhältnis n mit einem Referenzwert J, der 1/(1 + L1/2Lm) entspricht (siehe Ausdruck 1), für jede Zykluszeit T, bevor die nächste Zykluszeit T startet. Wenn das Verhältnis n gleich J oder größer ist (n ≥ J), berechnet die Steuerschaltung 5 die Periode td1', während derer das Schaltelement 15 in der Zykluszeit T eingeschaltet wird/ist, die Periode td2', während derer das Schaltelement 16 nach der Periode td1' in der Zykluszeit T eingeschaltet wird/ist, und die Periode td3, während derer die Schaltelemente 15, 16 nach der Periode td2' in der Zykluszeit T ausgeschaltet werden/sind. In den Perioden td1' und td2', oder der Periode (T – td3), die durch Subtraktion der Periode td3 von der Zykluszeit T berechnet wird, ist Ausdruck 2 erfüllt. Das heißt, dass die Perioden td1', td2' eine Periode darstellen, die die Steuerschaltung 5 so berechnet, dass das durch td1'/td2' bestimmte Periodenverhältnis größer ist als der durch n(1 + L1/2Lm) – 1 bestimmte Referenzwert (dn > dJ).
  • Perioden td1', td2' und td3 können aus einer Datentabelle bestimmt werden. Zum Beispiel werden Perioden td1', td2' und td3 basierend auf Versuchs- oder Simulationsdaten im Vorfeld in Form einer Datentabelle für jeden unterschiedlichen Wert von Verhältnis n erhalten. Die Referenzdatentabelle des Verhältnisses n und der Perioden td1', td2' und td3 wird in einem Speicher der Steuerschaltung 5 gespeichert. Die entsprechenden Perioden td1', td2' und td3 können erhalten werden, indem das Verhältnis n verwendet wird, das basierend auf der Spannung VH und der Spannung VL berechnet wird, die tatsächlich gemessen werden, und auf die vorgenannten Datentabelle Bezug genommen wird.
  • Der Referenzwert J wird im Vorfeld zum Beispiel basierend auf der Induktivität L1 der Spule 17 und der Erregerinduktivität Lm des Transformators 3 berechnet und in dem Speicher der Steuerschaltung 5 gespeichert. Der Referenzwert dJ wird im Vorfeld zum Beispiel basierend auf dem Verhältnis n, der Induktivität L1 der Spule 17 und der Erregerinduktivität Lm des Transformators 3 berechnet und in dem Speicher der Steuerschaltung 5 gespeichert.
  • Wenn das Verhältnis n kleiner ist als der Referenzwert J (n < J), liegt in Schritt S1' kein Auftreten einer Periode vor, während derer keine elektrische Leistung übertragen wird, und kann die Steuerschaltung 5 daher die Schaltelemente 15, 16 ein-/ausschalten, sodass elektrische Leistung effektiv übertragen wird.
  • Wenn Ausdruck 2 erfüllt ist, schaltet die Steuerschaltung 5 die Schaltelemente 15, 16 in den Perioden td1', td2' und td3 so ein/aus, dass keine Aufhebung des Spulenstroms IL1 durch den Erregerstrom ILm erfolgt, wie es in dem Schaltbild E von 2B und der Periode T4* in dem Diagramm A von 3A gezeigt ist. Das heißt, wie es in der Zykluszeit T umfassend die Perioden T1', T2', T3', T4' und T5 in dem Diagramm B von 3A gezeigt ist, kann die Periode T4*, während derer keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt werden. Die Beseitigung der Periode T4* ermöglicht es den Transformator 3, elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite mit verbesserter Effizienz zu übertragen.
  • Im Folgenden wird ein weiteres Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf 3B beschrieben. 3B ist ein Diagramm, das die Steuersignale SIG1, SIG2, die die Schaltelemente 15, 16 der Sekundärschaltung 4 steuern, den Spulenstrom IL1, den Erregerstrom ILm und die Ströme I15, I16, die in den jeweiligen Schaltelementen 15, 16 fließen, in eine späteren Phase des Vorladebetriebs des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
  • In Schritten S1 und S1' des ersten Ausführungsbeispiels berechnet die Steuerschaltung 5 die Perioden td1', td2' unter Berücksichtigung der Periode td3 (= T5), in der Schritt S4 durchgeführt wird. Gemäß dem weiteren Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels nähern sich das Produkt ET die auf der Positivspannungsseite und das Produkt ET auf der Negativspannungsseite der Spule 17 dem gleichen Wert, wenn die Spannung des Kondensators 14 in einer späteren Phase der Vorladung erhöht wird, oder wenn die Spannung des Kondensators 14 auf mehr als eine vorbestimmte Spannung erhöht wird. Dann wird der Spulenstrom IL1 stabil, ohne dass er steigt, sodass die Steuerschaltung 5 die Schaltelemente 15, 16 nicht ausschalten muss, um die in der Spule 17 verbleibende Energie zu ver-/aufbrauchen. Als Folge hiervon muss die Steuerschaltung 5 ein Ein-/ Ausschalten der Schaltelemente 15, 16 nicht unter Berücksichtigung der Periode td3 steuern.
  • Dann vergleicht die Steuerschaltung 5 das Verhältnis n mit dem Referenzwert J oder 1/(1 + L1/2Lm) (siehe Ausdruck 1) für jede Zykluszeit T. Wenn das Verhältnis n auf dem Referenzwert J oder größer ist (n ≥ J), berechnet die Steuerschaltung 5 die Periode td1'' (die erste Periode der vorliegenden Erfindung), während derer das Schaltelement 15 in der Zykluszeit T vor der nächsten Zykluszeit T eingeschaltet wird/ist, und die Periode td2'' (die zweite Periode der vorliegenden Erfindung), während derer das Schaltelement 16 in der Zykluszeit T nach der Periode td1'' eingeschaltet wird/ist. Die Perioden td1'' und td2'' werden durch die Steuerschaltung 5 so berechnet, dass das Periodenverhältnis dn' oder td1''/td2'' größer ist als der Referenzwert dJ oder n(1 + L1/2Lm) – 1(dn' > dJ).
  • Alternativ können die Perioden td1'' und td2'' aus einer Datentabelle bestimmt werden. Zum Beispiel werden Perioden td1'', td2'' basierend auf Versuchs- oder Simulationsdaten im Voraus in Form einer Datentabelle für jeden unterschiedlichen Wert von Verhältnis n erhalten. Die Referenzdatentabelle des Verhältnisses n und der Perioden td1'', td2'' wird in einem Speicher der Steuerschaltung 5 gespeichert. Die entsprechenden Perioden td1'', td2'' können erhalten werden, indem das Verhältnis n verwendet wird, das basierend auf der Spannung VH unter Spannung VL berechnet wird, die tatsächlich gemessen werden, und auf die vorgenannten Datentabelle Bezug genommen wird.
  • Somit steuert in einer späteren Phase des Vorladebetriebs, wenn die Spannung des Kondensators 14 erhöht ist, oder im Speziellen wenn die Spannung des Kondensators 14 größer ist als eine vorbestimmte Spannung und dn' > dJ gilt, die Steuerschaltung 5 einen Ein-/Ausschaltbetrieb der Schaltelemente 15, 16 während der Perioden td1'', td2'', sodass die Periode T5 beseitigt wird. Als Folge hiervon kann der Schaltverlust der Schaltelemente 15, 16 verringert werden. Wenn die Spannung des Kondensators 14 im Verlauf des Vorladebetriebs steigt, kann die Periode T4*, in der keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt werden, wie es aus der Zykluszeit T umfassend die Perioden T1'', T2'', T3'', T4'', die in 3B gezeigt ist, zu sehen ist. Die Beseitigung der Periode T4* ermöglicht es dem Transformator 3, elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite von diesem mit erhöhter Effizienz zu übertragen.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Im Folgenden wird ein bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler 41 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler 41 ist ein Vorwärtsgleichspannungswandler eines Vollbrückensystems, der eine Primärschaltung bzw. einen Primärstromkreis 42, einen Transformator 43, eine Sekundärschaltung bzw. einen Sekundärstromkreis 44 und eine Steuerschaltung 45 umfasst.
  • Die Primärschaltung 42 umfasst Schaltelemente 46, 47, 48, 49 und einen Kondensator 50. Die Primärschaltung 42 ist auf der Hochspannungsseite der Primärschaltung 42 über das Relais 7 und das Relais 8 zu der Hochspannungsbatterie 6 und auf der Niederspannungsseite der Primärschaltung 42 zu einer Primärwicklung des Transformators 43 parallel geschaltet. Der positive Anschluss bzw. Pluspol (+) der Hochspannungsbatterie 6 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Relais 7 verbunden. Der negative Anschluss bzw. Minuspol (–) der Hochspannungsbatterie 6 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Relais 8 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Relais 7 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 46, dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 48 und dem ersten Anschluss (1) des Kondensators 50 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Relais 8 ist mit dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 47, dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 49 und dem zweiten Anschluss (2) des Kondensators 50 verbunden. Der erste Anschluss (1) der ersten Wicklung des Transformators 43 ist mit dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 46 und dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 47 verbunden. Der zweite Anschluss (2) der ersten Wicklung des Transformators 43 ist mit dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 48 und dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 49 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Relais 7 ist mit einem Steueranschluss P41 der Steuerschaltung 45 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Relais 8 ist mit dem Steueranschluss P42 der Steuerschaltung 45 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 46 ist mit dem Steueranschluss P43 der Steuerschaltung 45 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 47 ist mit dem Steueranschluss P44 der Steuerschaltung 45 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 48 ist mit dem Steueranschluss P45 der Steuerschaltung 45 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 49 ist mit dem Steueranschluss P46 der Steuerschaltung 45 verbunden.
  • Die Sekundärschaltung 44 umfasst ein Schaltelement 51 (das erste Schaltelement der vorliegenden Erfindung), ein Schaltelement 52 (das zweite Schaltelement der vorliegenden Erfindung), eine Spule 53 und einen Kondensator 54. Die Sekundärschaltung 44 ist auf der Hochspannungsseite der Sekundärschaltung 44 zu der Sekundärwicklung des Transformators 43 und auf der Niederspannungsseite der Sekundärschaltung 44 zu der Niederspannungsbatterie 19 parallel geschaltet. Der erste Anschluss (1) des Schaltelements 51 ist mit dem ersten Anschluss (1) der Sekundärwicklung des Transformators 43 verbunden. Der erste Anschluss (1) des Schaltelements 52 ist mit dem zweiten Anschluss (2) der Sekundärwicklung des Transformators 43 verbunden. Der erste Anschluss (1) der Spule 53 ist mit dem mittleren dritten Anschluss (3) der Sekundärwicklung des Transformators 43 verbunden. Der zweite Anschluss (2) der Spule 53 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Kondensators 54 und dem positiven Anschluss bzw. Pluspol (+) der Niederspannungsbatterie 19 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Schaltelements 51 und der zweite Anschluss (2) des Schaltelements 52 sind mit dem zweiten Anschluss (2) des Kondensators 54 und dem negativen Anschluss bzw. Minuspol (–) der Niederspannungsbatterie 19 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 51 ist mit dem Steueranschluss P47 der Steuerschaltung 45 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 52 ist mit dem Steueranschluss P48 der Steuerschaltung 45 verbunden.
  • Die Steuerschaltung 45 steuert einen Ein-/Ausschaltbetrieb der Relais 7, 8 und der Schaltelemente 46, 47, 48, 49, 51, 52 zur Steuerung einer Aufladung der Niederspannungsbatterie 19 durch von der Hochspannungsbatterie 6 gelieferte elektrischer Leistung (d.h. eine Steuerung durch das Vollbrückensystem) und eine Aufladung des Kondensators 50 durch die Spannung der Niederspannungsbatterie 19 (d.h. eine Vorlade-/Vorspannsteuerung durch das Vollbrückensystem). Die Steuerschaltung 45 umfasst eine programmierbare Vorrichtung wie etwa eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) und eine Mehrkern-CPU.
  • Wenn die Steuerschaltung 45 Signale zum Einschalten der Relais 7, 8 erzeugt, wird die Hochspannungsbatterie 6 mit dem Kondensator 50 verbunden. Wenn die Steuerschaltung 45 Signale zum Ausschalten der Relais 7, 8 erzeugt, wird die Hochspannungsbatterie 6 von dem Kondensator 50 getrennt.
  • Die Schaltelemente 46, 47, 48, 49, 51, 52 können durch eine Halbleiterschaltvorrichtung wie etwa einen MOSFET und einen IGBT bereitgestellt sein. Zum Beispiel, wenn die Schaltvorrichtung ein N-Kanal-MOSFET ist, sind die ersten Anschlüsse (1) der Schaltelemente 46, 47, 48, 49, 51, 52 ein Drainanschluss, und sind die zweiten Anschlüsse (2) ein Sourceanschluss, und sind die dritten Anschlüsse (3) ein Gateanschluss. Es ist zu beachten, dass ein Steuersignal SIG3, das von dem Steueranschluss P47 der Steuerschaltung 45 erzeugt wird, ein Signal zum Steuern eines Ein-/Ausschaltbetriebs des Schaltelements 51 ist, und ein Steuersignal SIG4, das von dem Steueranschluss P48 der Steuerschaltung 45 erzeugt wird, ein Signal zum Steuern eines Ein-/Ausschaltbetriebs des Schaltelements 52 ist.
  • Im Folgenden wird der Vorladebetrieb des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 5A. 5A ist ein Diagramm, das die Steuersignale SIG3, SIG4, die die Schaltelemente 51, 52 der Sekundärschaltung 44 steuern, den Spulenstrom IL1, den Erregerstrom ILm und die Ströme I51, I61, die in den jeweiligen Schaltelementen 51 und 61 fließen, wenn die Störung bzw. Fehlfunktion in der Übertragung elektrischer Leistung verhindert wird, in der anfänglichen Phase des Vorladebetriebs des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers 41 zeigt.
  • Bei Durchführung der Vorladung, oder Übertragung von elektrischer Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 43, erzeugt die Steuerschaltung 45 Signale zum Ausschalten der Relais 7, 8, und wird eine Abfolge von Schritten S11 bis S17, die nachstehend beschrieben werden, für jede Zykluszeit T wiederholt, um dadurch den Kondensator 50 auf eine vorbestimmte Spannung aufzuladen.
  • In Schritt S1 empfängt die Steuerschaltung 45, wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 3 übertragen wird, Daten von der Spannung VH und der Spannung VL für jede Zykluszeit T oder jede Halbzykluszeit T/2, bevor die nächste Zykluszeit T oder die nächste Halbzykluszeit T/2 startet, und berechnet sie das Spannungsverhältnis n oder VH/VL.
  • Wenn Ausdruck 1 erfüllt ist, fließen der Spulenstrom IL1 und der Erregerstrom ILm unter Veränderung mit dem gleichen Gradienten in unterschiedlichen Richtungen zueinander in jeder Zykluszeit T/2 und mit dem gleichen Wert (oder IL1 = ILm). Daher heben sich der Spulenstrom IL1 und der Erregerstrom ILm gegenseitig auf, sodass keine elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 43 übertragen wird. Die Steuerschaltung 45 vergleicht das Verhältnis n mit dem Referenzwert J oder 1/(1 + L1/2Lm) (siehe Ausdruck 1) für jede Zykluszeit T oder jede Halbzykluszeit T/2, bevor die nächste Zykluszeit T oder die nächste Zykluszeit T/2 startet. Wenn Ausdruck 1 erfüllt ist, berechnet die Steuerschaltung 5 Periode tdA (die erste Periode der vorliegenden Erfindung) und Periode tdB (die zweite Periode der vorliegenden Erfindung), in denen nachstehend dargelegter Ausdruck 3 erfüllt ist. tdA/tdB > n(1 + L1/2Lm) – 1 Ausdruck 3
  • In der Periode (T/2 – tdd), die durch Subtraktion der Periode tdd (der dritten Periode der vorliegenden Erfindung) von der Zykluszeit T/2 erhalten wird, berechnet die Steuerschaltung 45 die Perioden tdA und tdB, gemäß denen das Periodenverhältnis dnn, oder tdA/tdB, größer ist als der Referenzwert dJ oder n(1 + L1/2Lm) – 1(dnn > dJ).
  • Periode tdA ist die Periode (tda & tdc), während derer die Steuerschaltung 45 die Schaltelemente 51, 52 in der früheren Hälfte der Zykluszeit T (der Periode für T/2, gezählt bzw. gerechnet vom Beginn der Zykluszeit T) und in der späteren Periode der Zykluszeit T (der Periode für T/2, gezählt bzw. gerechnet vom Beginn der späteren Hälfte der Zykluszeit T bis zum Ende der Zykluszeit T) einschaltet. Das heißt, dass in der Periode tdA Energie in der Spule 53 angesammelt wird.
  • Wie es in 5A gezeigt ist, schaltet die Steuerschaltung 45 das Schaltelement 51 während der Periode tda in der früheren Hälfte der Zykluszeit T ein, und schaltet sie das Schaltelement 52 während der Periode tda in der späteren Hälfte der Zykluszeit T ein. Die Steuerschaltung 45 schaltet das Schaltelement 51 während der Periode tdc in der späteren Hälfte der Zykluszeit T ein, und sie schaltet das Schaltelement 52 während der Periode tdc in der früheren Hälfte der Zykluszeit T ein.
  • Die Steuerschaltung 45 schaltet während der Periode tdB oder der Periode (tdb – tdd) in der früheren Hälfte der Zykluszeit T das Schaltelement 51 aus und das Schaltelement 52 ein. Die Steuerschaltung 45 schaltet in der Periode tdB oder der Periode (tdb – tdd) in der späteren Hälfte der Zykluszeit T das Schaltelement 51 ein und das Schaltelement 51 aus. Das heißt, dass in der Periode tdB ein Teil der in der Spule 53 angesammelten Energie von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 43 übertragen und der Kondensator 50 dementsprechend aufgeladen wird. Wie es in 5A gezeigt ist, schaltet die Steuerschaltung 45 während der Periode tdb in der früheren Hälfte der Zykluszeit T das Schaltelement 51 aus, und schaltet sie während der Periode tdb in der späteren Hälfte der Zykluszeit T das Schaltelement 52 aus.
  • Die Steuerschaltung 45 schaltet während der Periode tdd in der früheren Hälfte und der späteren Hälfte der Zykluszeit T die Schaltelemente 51, 52 aus. Das heißt, wie es in 5A gezeigt ist, dass die Periode tdd eine Periode ist, während derer der Ausschaltzustandsverlust der Schaltelemente 51, 52 die in der Spule 53 verbleibende Energie ver-/aufbraucht.
  • In Schritt S12 schaltet die Steuerschaltung 45 während der Periode Ta oder der Periode tdA in der früheren Hälfte der Zykluszeit T die Schaltelemente 51, 52 ein, wie es in 5A gezeigt ist, und wird dementsprechend Energie in der Spule 53 angesammelt.
  • In Schritt S13 schaltet die Steuerschaltung 45 in den Perioden Tb und Tc das Schaltelement 51 aus und das Schaltelement 52 ein, wie es in 5A gezeigt ist, sodass der Kondensator 50 aufgeladen wird. In der Periode Tc ist Ausdruck 3 erfüllt, sodass elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 43 übertragen wird.
  • In Schritt S14 schaltet die Steuerschaltung 45 in der Periode Td oder der Periode tdd in der früheren Hälfte der Zykluszeit T die Schaltelemente 51, 52 aus, wie es in 5A gezeigt ist, sodass der Ausschaltzustandsverlust der Schaltelemente 51, 52 die in der Spule 53 verbleibende Energie ver-/aufbraucht.
  • In Schritt S15 schaltet die Steuerschaltung 45 in der Periode Te oder der Periode tdA in der späteren Hälfte der Zykluszeit T die Schaltelemente 51, 52 ein, wie es in 5A gezeigt ist, sodass Energie in der Spule 53 angesammelt wird.
  • In Schritt S16 schaltet die Steuerschaltung 45 in den Perioden Tf und Tg das Schaltelement 52 aus und das Schaltelement 51 ein, wie es in 5A gezeigt ist, sodass der Kondensator 50 aufgeladen wird. In der Periode Tg ist Ausdruck 3 erfüllt, sodass elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 43 übertragen wird.
  • In Schritt S17 schaltet die Steuerschaltung 45 in der Periode Th oder der Periode tdd in der späteren Hälfte der Zykluszeit T die Schaltelemente 51, 52 aus, wie es in 5A gezeigt ist, sodass der Ausschaltzustandsverlust der Schaltelemente 51, 52 die in der Spule 53 verbleibende Energie ver-/aufbraucht.
  • Perioden tdA, tdB, tdd und Perioden tda, tdb, tdc können aus einer Datentabelle bestimmt werden. Zum Beispiel werden Perioden tdA, tdB, tdd und Perioden tda, tdb, tdc basierend auf Versuchs- oder Simulationsdaten im Vorfeld in Form einer Datentabelle für jedes unterschiedliche Verhältnis n erhalten. Die Referenzdatentabelle des Verhältnisses n, der Perioden tdA, tdB, tdd und der Perioden tda, tdb, tdc werden in dem Speicher der Steuerschaltung 5 gespeichert. Die entsprechenden Perioden tdA, tdB, tdd und die entsprechenden Perioden tda, tdb, tdc können erhalten werden, indem das Verhältnis n verwendet wird, das basierend auf der Spannung VH unter Spannung VL berechnet wird, die tatsächlich gemessen werden, und auf die vorgenannte Datentabelle Bezug genommen wird.
  • Der Referenzwert J wird im Vorfeld zum Beispiel basierend auf der Induktivität L1 der Spule 53 und der Erregerinduktivität Lm des Transformators 43 berechnet und in dem Speicher der bei Steuerschaltung 45 gespeichert. Der Referenzwert dJ wird im Vorfeld zum Beispiel basierend auf dem Verhältnis n, der Induktivität L1 der Spule 53 und der Erregerinduktivität Lm des Transformators 43 berechnet und in dem Speicher der Steuerschaltung 45 gespeichert.
  • Die Steuerschaltung 45 vergleicht das Verhältnis n mit dem Referenzwert J für jede Zykluszeit T oder für jede Halbzykluszeit T/2. Wenn das Verhältnis n kleiner ist als der Referenzwert J (n < J), kann die Steuerschaltung 45 die Schaltelemente 15, 16 selbst dann ein-/ausschalten, wenn Ausdruck 3 nicht erfüllt ist, und wird dementsprechend elektrische Leistung effektiv übertragen.
  • Wenn Ausdruck 3 erfüllt ist, kann die Steuerschaltung 45 die Schaltelemente 51, 52 in den Perioden tdA, tdB, tdd und tda, tdb, tdc ein-/ausschalten, um zu verhindern, dass sich der Spulenstrom IL1 und der Erregerstrom ILm gegenseitig aufheben. Das heißt, dass die Periode bzw. der Zeitraum, während derer bzw. dessen keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt werden kann, wie es aus der Zykluszeit T umfassend die Perioden Ta, Tb, Tc, Td, Te, Tf, Tg und Th, die in 5A gezeigt ist, zu erkennen ist. Die Verkürzung einer solchen Periode ermöglicht es dem Transformator 43, elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite von diesem mit verbesserter Effizienz zu übertragen.
  • Im Folgenden wird ein modifiziertes Beispiel 1 des zweiten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf 5B beschrieben. 5B ist ein Diagramm, das die Steuersignale SIG3, SIG4, die die Schaltelemente 51, 52 der Sekundärschaltung 44 steuern, den Spulenstrom IL1, den Erregerstrom ILm und die jeweiligen Ströme I51, I52, die in den Schaltelementen 51, 52 in dem Vorladebetrieb fließen, in einem Fall, in dem eine Störung bzw. Fehlfunktion in der Übertragung elektrischer Leistung verhindert wird, in einer späteren Phase des Vorladebetriebs des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
  • In der Verarbeitung in Schritt S1 in dem bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel berechnet die Steuerschaltung 45 die Perioden tdA, tdB, tdd und tda, tdb, tdc unter Berücksichtigung der Periode tdd (= Td), in der Schritt S4 durchgeführt wird. Wenn die Spannung des Kondensators 50 im Verlauf des Vorladebetriebs erhöht wird, oder wenn die Spannung des Kondensators 50 auf mehr als eine vorbestimmte Spannung erhöht wird, nähern sich das Produkt ET auf der Positivspannungsseite der Spule 53 und das Produkt ET auf der Negativspannungsseite der Spule 53 dem gleichen Wert, sodass der Spulenstrom IL1 stabil wird, ohne dass er steigt. Daher muss die Steuerschaltung 45 die in der Spule 53 verbleibende Energie nicht ver-/aufbrauchen, indem sie die Schaltelemente 51, 52 ausschaltet. Als Folge hiervon muss die Steuerschaltung 45 den Ein-/Ausschaltbetrieb der Schaltelemente 15, 16 nicht unter Berücksichtigung der Periode tdd steuern.
  • Dann vergleicht die Steuerschaltung 45 das Verhältnis n mit dem Referenzwert J oder 1/(1 + L1/2Lm) (siehe Ausdruck 1). Wenn das Verhältnis n der Referenzwert J oder größer ist (n ≥ J), berechnet die Steuerschaltung 45 die Periode tdA' (die erste Periode der der vorliegenden Erfindung), während derer die Schaltelemente 51, 52 in der Zykluszeit T oder der Halbzykluszeit T/2 vor der nächsten Zykluszeit T oder der nächsten Halbzykluszeit T/2 eingeschaltet werden/sind, die Periode tdB' (die zweite Periode der vorliegenden Erfindung), während derer das Schaltelement 52 in der Zykluszeit T oder der Halbzykluszeit T/2 nach der Periode tdA' eingeschaltet wird/ist, sowie die Perioden tda', tdb'.
  • Perioden tdA' und tdB' sind solche Perioden, die durch die Steuerschaltung 45 berechnet werden und die Bedingung erfüllen, dass das Periodenverhältnis dnn, oder tdA'/tdB', größer ist als der Referenzwert dJ oder n(1 + L1/2Lm) – 1(dnn' > dJ).
  • Perioden tdA', tdB', tda' und tdb' können aus einer Datentabelle bestimmt werden. Zum Beispiel werden Perioden tätig tdA', tdB', tda' und tdb' basierend auf Versuchs- oder Simulationsdaten im Vorfeld in Form einer Datentabelle für jeden unterschiedlichen Wert von Verhältnis n erhalten. Die Referenzdatentabelle des Verhältnisses n und der Perioden tdA', tdB', tda' und tdb' wird in einem Speicher der Steuerschaltung 45 gespeichert. Die entsprechenden Perioden tdA', tdB', tda' und tdb' können erhalten werden, indem das Verhältnis n verwendet wird, das basierend auf der Spannung VH unter Spannung VL berechnet wird, die tatsächlich gemessen werden, und auf die vorgenannte Datentabelle Bezug genommen wird.
  • Wenn die Spannung des Kondensators 50 im Verlauf des Vorladebetriebs erhöht wird, oder wenn die Spannung des Kondensators 50 auf mehr als eine vorbestimmte Spannung erhöht wird und dnn' > dJ gilt, steuert die Steuerschaltung 45 den Ein-/Ausschaltbetrieb der Schaltelemente 51, 52 in den Perioden tdA', tdB' und den Perioden tda' tdb', sodass die Periode Td beseitigt werden kann, wie es in 5B gezeigt ist, und kann der Schaltverlust der Schaltelemente 51, 52 dementsprechend verringert werden. Selbst wenn die Spannung des Kondensators 50 im Verlauf des Vorladebetriebs erhöht wird, kann die Periode bzw. der Zeitraum, während derer bzw. dessen keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt werden, wie es aus der Zykluszeit T umfassend die Perioden Ta', Tb', Tc', Te', Tf', Tg', die in 5B gezeigt ist, zu erkennen ist. Die Beseitigung der Periode bzw. des Zeitraums, während derer bzw. dessen keine elektrische Leistung übertragen wird, ermöglicht es dem Transformator 43, die elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite von diesem mit verbesserter Effizienz zu übertragen.
  • Im Folgenden wird ein modifiziertes Beispiel 2 des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Eine Steuerung des Vorladebetriebs kann auf einen bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler eines Halbbrückensystems angewandt werden, der in 6 gezeigt ist. 6 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers 61 eines Halbbrückensystems, der als das modifizierte Beispiel 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient. Der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler 61 umfasst eine Primärschaltung bzw. einen Primärstromkreis 62, den Transformator 43, die Sekundärschaltung bzw. den Sekundärstromkreis 44 und eine Steuerschaltung 63.
  • Die Primärschaltung 62 umfasst ein Schaltelement 64, ein Schaltelement 65, einen Kondensator 66 und einen Kondensators 67. Die Primärschaltung 62 ist auf der Hochspannungsseite der Primärschaltung 62 über das Relais 7 und das Relais 8 zu der Hochspannungsbatterie 6 und auf der Niederspannungsseite der Primärschaltung 62 zu einer Primärwicklung des Transformators 43 parallel geschaltet. Der positive Anschluss bzw. Pluspol (+) der Hochspannungsbatterie 6 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Relais 7 verbunden. Der negative Anschluss bzw. Minuspol (–) der Hochspannungsbatterie 6 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Relais 8 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Relais 7 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 64 und dem ersten Anschluss (1) des Kondensators 66 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Relais 8 ist mit dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 65 und dem zweiten Anschluss (2) des Kondensators 67 verbunden. Der erste Anschluss (1) der ersten Wicklung des Transformators 43 ist mit dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 64 und dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 65 verbunden. Der zweite Anschluss (2) der ersten Wicklung des Transformators 43 ist mit dem zweiten Anschluss (2) des Kondensators 66 und dem ersten Anschluss (1) des Kondensators 67 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Relais 7 ist mit einem Steueranschluss P41 der Steuerschaltung 63 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Relais 8 ist mit dem Steueranschluss P42 der Steuerschaltung 63 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 64 ist mit dem Steueranschluss P61 der Steuerschaltung 63 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 65 ist mit dem Steueranschluss P62 der Steuerschaltung 63 verbunden.
  • Die Sekundärschaltung 44 hat die gleiche Konfiguration wie diejenige, die in 4 gezeigt ist, und umfasst ein Schaltelement 51 (das erste Schaltelement der vorliegenden Erfindung), ein Schaltelement 52 (das zweite Schaltelement der vorliegenden Erfindung), eine Spule 53 und einen Kondensator 54. Die Steuerschaltung 63 erzeugt Signale zum Steuern des Ein-/Ausschaltbetriebs der Relais 7, 8 und der Schaltelemente 64, 65, 51, 52, um dadurch eine Aufladung der Niederspannungsbatterie 19 durch die von der Hochspannungsbatterie 6 gelieferte elektrische Leistung zu steuern (oder eine Steuerung durch ein Halbbrückensystems) und auch eine Aufladung der Kondensatoren 66, 67 durch die Spannung der Niederspannungsbatterie 19 zu steuern (oder eine Vorlade-/Vorspannsteuerung durch ein Halbbrückensystem). Die Steuerschaltung 63 umfasst eine programmierbare Vorrichtung wie etwa eine CPU und eine Mehrkern-CPU.
  • Die Schaltelemente 64, 65 können durch eine Halbleiterschaltvorrichtung wie etwa einen MOSFET und einen IGBT bereitgestellt sein. Zum Beispiel, wenn die Schaltvorrichtung ein N-Kanal-MOSFET ist, sind die ersten Anschlüsse (1) der Schaltelemente 64, 65 ein Drainanschluss, und sind die zweiten Anschlüsse (2) ein Sourceanschluss, und sind die dritten Anschlüsse (3) ein Gateanschluss.
  • Bei Durchführung des Vorladebetriebs, oder Übertragung von elektrischer Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 43, erzeugt die Steuerschaltung 63 Signale zum Ausschalten der Relais 7, 8, und werden daraufhin Schritt S11 bis Schritt S17, die vorstehend beschrieben wurden, für jede Zykluszeit T oder für jede Halbzykluszeit T/2 ausgeführt, sodass die Kondensatoren 66, 67 auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen werden.
  • Wenn Ausdruck 3 in dem modifizierten Beispiel 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erfüllt ist, schaltet die Steuerschaltung 63 in den Perioden tdA, tdB, tdd und den Perioden tda, tdb, tdc die Schaltelemente 51, 52 ein/aus, sodass keine Aufhebung des Spulenstroms IL1 und des Erregerstroms ILm erfolgt. Das heißt, dass die Periode bzw. der Zeitraum, während derer bzw. dessen keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt werden kann, wie es aus der Zykluszeit T umfassend die Perioden Ta, Tb, Tc, Td, Te, Tf, Tg, Th, die in 5A gezeigt ist, zu erkennen ist. Die Beseitigung der Periode ermöglicht es dem Transformator 43, elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite mit verbesserter Effizienz zu übertragen.
  • Wenn die Spannung der Kondensatoren 66, 67 im Verlauf des Vorladebetriebs erhöht wird, oder wenn die Spannung der Kondensators 66, 67 auf mehr als eine vorbestimmte Spannung erhöht wird und dnn' > dJ gilt, steuert die Steuerschaltung 45 den Ein-/Ausschaltbetrieb der Schaltelemente 51, 52 während der Perioden tdA', tdB' und der Perioden tda', tdb', sodass die Periode Td beseitigt wird, wie es in 5B gezeigt ist. Als Folge hiervon kann der Schaltverlust der Schaltelemente 51, 52 verringert werden. Wenn die Spannung der Kondensatoren 66, 67 im Verlauf des Vorladebetriebs erhöht wird, kann die Periode bzw. der Zeitraum, während derer bzw. dessen keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt werden, wie es aus der Zykluszeit T umfassend die Perioden Ta', Tb', Tc', Te', Tf', Tg', die in 5B gezeigt ist, zu erkennen ist. Die Beseitigung einer solchen Periode ermöglicht es dem Transformator 43, elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite mit verbesserter Effizienz zu übertragen.
  • Im Folgenden wird ein modifiziertes Beispiel 3 des bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Eine Steuerung des Vorladebetriebs, die unter Bezugnahme auf das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, kann auf einen bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler eines Gegentaktsystems angewandt werden, der in 7 gezeigt ist. 7 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers 71 eines Gegentaktsystems, der als das modifizierte Beispiel 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dient. Der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler 71 umfasst eine Primärschaltung bzw. einen Primärstromkreis 72, einen Transformator 73, die Sekundärschaltung bzw. den Sekundärstromkreis 44 und eine Steuerschaltung 74.
  • Die Primärschaltung 72 umfasst ein Schaltelement 75, ein Schaltelement 76 und einen Kondensator 77. Die Primärschaltung 72 ist auf der Hochspannungsseite der Primärschaltung 72 über das Relais 7 und das Relais 8 zu der Hochspannungsbatterie 6 und auf der Niederspannungsseite der Primärschaltung 72 zu einer Primärwicklung des Transformators 73 parallel geschaltet. Der positive Anschluss bzw. Pluspol (+) der Hochspannungsbatterie 6 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Relais 7 verbunden. Der negative Anschluss bzw. Minuspol (–) der Hochspannungsbatterie 6 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Relais 8 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Relais (7) ist mit dem mittleren Anschluss oder dem dritten Anschluss (3) der Primärwicklung des Transformators 73 und dem ersten Anschluss (1) des Kondensators 77 verbunden. Der zweite Anschluss (2) des Relais 8 ist mit dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 75, dem zweiten Anschluss (2) des Schaltelements 76 und dem zweiten Anschluss (2) des Kondensators 77 verbunden. Der erste Anschluss (1) der Primärwicklung des Transformators 73 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 76 verbunden. Der zweite Anschluss (2) der Primärwicklung des Transformators 73 ist mit dem ersten Anschluss (1) des Schaltelements 75 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Relais 7 ist mit einem Steueranschluss P41 der Steuerschaltung 74 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Relais 8 ist mit dem Steueranschluss P42 der Steuerschaltung 74 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 75 ist mit dem Steueranschluss P71 der Steuerschaltung 74 verbunden. Der dritte Anschluss (3) des Schaltelements 76 ist mit dem Steueranschluss P72 der Steuerschaltung 74 verbunden.
  • Die Sekundärschaltung 44 hat die gleiche Konfiguration wie diejenige, die in 4 gezeigt ist, und umfasst das Schaltelement 51 (das erste Schaltelement der vorliegenden Erfindung), das Schaltelement 52 (das zweite Schaltelement der vorliegenden Erfindung), die Spule 53 und den Kondensator 54. Die Steuerschaltung 74 erzeugt Signale zum Steuern des Ein-/Ausschaltbetriebs der Relais 7, 8 und der Schaltelemente 75, 76, 51, 52, um dadurch eine Aufladung der Niederspannungsbatterie 19 durch die von der Hochspannungsbatterie 6 gelieferte elektrische Leistung zu steuern (Steuerung durch ein Gegentaktsystems) und eine Aufladung des Kondensators 77 durch die Spannung der Niederspannungsbatterie 19 zu steuern (Steuerung durch ein Gegentaktsystem). Die Steuerschaltung 74 umfasst eine programmierbare Vorrichtung wie etwa eine CPU und eine Mehrkern-CPU.
  • Die Schaltelemente 75, 76 können durch eine Halbleiterschaltvorrichtung wie etwa einen MOSFET und einen IGBT bereitgestellt sein. Zum Beispiel, wenn die Schaltvorrichtung ein N-Kanal-MOSFET ist, sind die ersten Anschlüsse (1) der Schaltelemente 75, 76 ein Drainanschluss, und sind die zweiten Anschlüsse (2) ein Sourceanschluss, und sind die dritten Anschlüsse (3) ein Gateanschluss.
  • Bei Durchführung des Vorladebetriebs, oder Übertragung von elektrischer Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators 73, erzeugt die Steuerschaltung 74 Signale zum Ausschalten der Relais 7, 8, sodass Schritte S11 bis S17, die vorstehend beschrieben wurden, für jede Zykluszeit T oder für jede Halbzykluszeit T/2 ausgeführt werden, um den Kondensator 77 auf eine vorbestimmte Spannung aufzuladen.
  • Wenn Ausdruck 3 in dem modifizierten Beispiel 3 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erfüllt ist, steuert die Steuerschaltung 74 den Ein-/Ausschaltbetrieb der Schaltelemente 51, 52 in den Perioden tdA, tdB, tdd und den Perioden tda, tdb, tdc, sodass keine Aufhebung des Spulenstroms IL1 und des Erregerstroms ILm erfolgt. Das heißt, dass die Periode bzw. der Zeitraum, während derer bzw. dessen keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt werden kann, wie es aus der Zykluszeit T umfassend die Perioden Ta, Tb, Tc, Td, Te, Tf, Tg, Th, die in 5A gezeigt ist, zu erkennen ist. Die Beseitigung einer solchen Periode ermöglicht es dem Transformator 73, elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite mit verbesserter Effizienz zu übertragen.
  • Wenn die Spannung des Kondensators 77 im Verlauf des Vorladebetriebs erhöht wird, oder wenn die Spannung des Kondensators 67 auf mehr als eine vorbestimmte Spannung erhöht wird und dnn' > dJ gilt, steuert die Steuerschaltung 74 den Ein-/Ausschaltbetriebs der Schaltelemente 51, 52 während der Perioden tdA', tdB' und den Perioden tda', tdb', sodass die Periode Td beseitigt wird, wie es in 5B gezeigt ist. Als Folge hiervon kann der Schaltverlust der Schaltelemente 51, 52 verringert werden. Wenn die Spannung des Kondensators 77 im Verlauf des Vorladebetriebs erhöht wird, kann die Periode bzw. der Zeitraum, während derer bzw. dessen keine elektrische Leistung übertragen wird, beseitigt werden, wie es aus der Zykluszeit T umfassend die Perioden Ta', Tb', Tc', Te', Tf', Tg', die in 5B gezeigt ist, zu erkennen ist. Die Beseitigung einer solchen Periode ermöglicht es dem Transformator 73, elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite mit verbesserter Effizienz zu übertragen.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung modifiziert bzw. abgewandelt werden.
  • Ein bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler umfasst einen Transformator, eine Sekundärschaltung und eine Steuerschaltung. Wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators übertragen wird, misst die Steuerschaltung eine erste Spannung auf einer Hochspannungsseite des Transformators und eine zweite Spannung auf einer Niederspannungsseite des Transformators in jeder Zykluszeit. Wenn das Spannungsverhältnis ein Referenzwert oder größer ist, berechnet die Steuerschaltung eine erste Periode, während derer die Steuerschaltung das erste Schaltelement einschaltet, und eine nach der ersten Periode gelegene zweite Periode, während derer die Steuerschaltung das zweite Schaltelement einschaltet, von der Zykluszeit, sodass ein Periodenverhältnis größer ist als ein Referenzwert, und steuert sie das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement basierend auf der ersten Periode und der zweiten Periode.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2015-228788 [0003]

Claims (8)

  1. Bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler (1) mit: einem Transformator (3) mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung; einer Sekundärschaltung (4), die mit der Sekundärwicklung des Transformators (3) verbunden ist und eine Spule (17), ein erstes Schaltelement (15) und ein zweites Schaltelement (16) umfasst, wobei ein erster Anschluss der Spule (17) und ein erster Anschluss des ersten Schaltelements (15) mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators (3) verbunden sind, wobei ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements (16) mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements (15) und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements (16) miteinander verbunden sind; und einer Steuerschaltung (5), die das erste Schaltelement (15) und das zweite Schaltelement (16) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators (3) übertragen wird, die Steuerschaltung (5) eine erste Spannung VH, die eine Gleichspannung der Primärwicklung auf einer Hochspannungsseite des Transformators (3) bezeichnet, und eine zweite Spannung VL, die eine Gleichspannung der Sekundärwicklung auf einer Niederspannungsseite des Transformators (3) bezeichnet, in jeder Zykluszeit misst, wobei die Steuerschaltung (5) ein Spannungsverhältnis n, oder VH/VL, berechnet, und wobei, wenn das Spannungsverhältnis n ein Referenzwert J, oder 1/(1 + L1/2Lm), oder größer ist, wobei L1 eine Induktivität der Spule (17) bezeichnet und Lm eine Erregerinduktivität des Transformators (3) bezeichnet, die Steuerschaltung (5) eine erste Periode, während derer die Steuerschaltung (5) das erste Schaltelement (15) einschaltet, und eine zweite Periode, während derer die Steuerschaltung (5) nach der ersten Periode das zweite Schaltelement (16) einschaltet, von der Zykluszeit berechnet, sodass ein Periodenverhältnis dn, oder die erste Periode/die zweite Periode, größer ist als ein Referenzwert dJ, oder n(1 + L1/2Lm) – 1, und das erste Schaltelement (15) und das zweite Schaltelement (16) basierend auf der ersten Periode und der zweiten Periode steuert.
  2. Bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die erste Spannung VH kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung, die Steuerschaltung (5) eine dritte Periode, während derer die Steuerschaltung (5) das erste Schaltelement (15) und das zweite Schaltelement (16) ausschaltet, von der Zykluszeit berechnet, wobei die Steuerschaltung (5) das erste Schaltelement (15) und das zweite Schaltelement (16) in der dritten Periode nach der zweiten Periode ausschaltet.
  3. Bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler (1) ein Active-Clamp-Vorwärtswandler ist.
  4. Bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler (41, 61, 71) mit: einem Transformator (43, 73) mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung; einer Sekundärschaltung (44), die mit der Sekundärwicklung des Transformators (43, 73) verbunden ist und eine Spule (53), ein erstes Schaltelement (51) und ein zweites Schaltelement (52) umfasst, wobei ein erster Anschluss des ersten Schaltelements (51) mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators (43, 73) verbunden ist, wobei ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements (52) mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung verbunden ist, wobei ein erster Anschluss der Spule (53) mit einem dritten Anschluss der Sekundärwicklung, oder einem mittleren Anschluss der Sekundärwicklung, verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements (51) und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements (52) miteinander verbunden sind; und einer Steuerschaltung (45, 63, 74), die das erste Schaltelement (51) und das zweite Schaltelement (52) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn elektrische Leistung von der Sekundärseite an die Primärseite des Transformators (43, 73) übertragen wird, die Steuerschaltung (45, 63, 74) eine erste Spannung VH, die eine Gleichspannung der Primärwicklung auf einer Hochspannungsseite des Transformators (43, 73) bezeichnet, und eine zweite Spannung VL, die eine Gleichspannung der Sekundärwicklung auf einer Niederspannungsseite des Transformators (43, 73) bezeichnet, in jeder Zykluszeit oder in einer Hälfte der Zykluszeit misst, wobei die Steuerschaltung (45, 63, 74) ein Spannungsverhältnis n, oder VH/VL, berechnet, und wobei, wenn das Spannungsverhältnis n ein Referenzwert J, oder 1/(1 + L1/2Lm), oder größer ist, wobei L1 eine Induktivität der Spule (53) bezeichnet und Lm eine Erregerinduktivität des Transformators (43, 73) bezeichnet, die Steuerschaltung (45, 63, 74) eine erste Periode, während derer die Steuerschaltung (45, 63, 74) in einer früheren Halbperiode der Zykluszeit und in einer späteren Halbperiode der Zykluszeit das erste Schaltelement (51) und das zweite Schaltelement (52) einschaltet, und eine zweite Periode, während derer die Steuerschaltung (45, 63, 74) nach der ersten Periode in der früheren Halbperiode der Zykluszeit das erste Schaltelement (51) ausschaltet und das zweite Schaltelement (52) einschaltet und nach der ersten Periode in der späteren Halbperiode der Zykluszeit das erste Schaltelement (51) einschaltet und das zweite Schaltelement (52) ausschaltet, sodass ein Periodenverhältnis dn, oder die erste Periode/die zweite Periode, größer ist als ein Referenzwert dJ, oder n(1 + L1/2Lm) – 1, und das erste Schaltelement (51) das zweite Schaltelement (52) basierend auf der ersten Periode und der zweiten Periode steuert.
  5. Bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler (41, 61, 71) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die erste Spannung VH kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung, die Steuerschaltung (45, 63, 74) eine dritte Periode berechnet, während derer die Steuerschaltung (45, 63, 74) in der früheren Halbperiode der Zykluszeit und in der späteren Haltperiode der Zykluszeit das erste Schaltelement (51) und das zweite Schaltelement (52) ausschaltet, wobei die Steuerschaltung (45, 63, 74) das erste Schaltelement (51) und das zweite Schaltelement (52) in der dritten Periode nach der zweiten Periode ausschaltet.
  6. Bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler (41) gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler (41) ein Vollbrückenwandler ist.
  7. Bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler (61) gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler (61) ein Halbbrückenwandler ist.
  8. Bidirektionaler isolierter Gleichspannungswandler (71) gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale isolierte Gleichspannungswandler (71) ein Gegentaktwandler ist.
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