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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Energiewandlereinrichtung und eine elektronische Energiewandlereinrichtung.
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Stand der Technik
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Bei Ansteuerungsmethoden von Energiewandlern, insbesondere von resonanten Energiewandlern treten üblicherweise Schaltverluste auf, welche näherungsweise linear mit Strom- oder Spannungsänderungen am Schalter des Energiewandlers sind, welche durch den Schaltvorgang entstehen. Bei unterschiedlich langen Signalverläufen, beispielsweise von periodischen Signalen, können unterschiedliche Grade von Aussteuerungen durch entsprechend lange und unterschiedlich lange Pulslängen des Ansteuersignals an den Schalter erzielt werden, wobei die Aussteuerung ein Maß für die Länge des Ansteuersignals relativ zum Signalverlauf ist.
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In der
DE 10 2014 218 798 A1 wird ein Inverter für elektrische Maschinen beschrieben, welcher als Spannungswandler ein Schaltwerk aufweist. Eine Steuereinheit ist ausgeführt das Schaltwerk derart anzusteuern, dass in einem bestimmten Winkelbereich der Wechselspannung keine Schaltvorgänge erfolgen, wobei Verluste durch Schaltvorgänge reduziert werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Energiewandlereinrichtung nach Anspruch 1 und eine elektronische Energiewandlereinrichtung nach Anspruch 11.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Energiewandlereinrichtung sowie eine entsprechende elektronische Energiewandlereinrichtung anzugeben, bei welcher ein verlustarmes Schalten von Schaltereinrichtungen während eines Strom-oder Spannungssignals an einem elektronischen System erfolgen kann.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Energiewandlereinrichtung, welche an einem Eingang an ein elektronisches System angeschlossen ist ein Ermitteln eines Sollwertes für einen Strom- und/oder Spannungsverlauf am Eingang der elektronischen Energiewandlereinrichtung durch eine Steuereinrichtung, wobei der Sollwert einem Grundsignal des elektronischen Systems entspricht; ein Erzeugen eines ersten Modulationssignals für einen Strom oder für eine Spannung durch die Steuereinrichtung, welches eine erste zeitliche Abfolge von Pulsen mit einer ersten Pulsdauer umfasst; und ein Ansteuern von zumindest einer Schaltereinrichtung in der elektronischen Energiewandlereinrichtung mit dem ersten Modulationssignal durch die Steuereinrichtung in einem ersten Ansteuermodus derart, dass zumindest ein Puls an einem lokalen Minimum eines Absolutwertes des Sollwertes beginnt oder endet, wenn die erste Pulsdauer kleiner oder gleich einer Dauer eines Vergleichspulses ist, oder ein Ansteuern von zumindest einer Schaltereinrichtung in der elektronischen Energiewandlereinrichtung mit dem ersten Modulationssignal durch die Steuereinrichtung in einem zweiten Ansteuermodus derart, dass zumindest ein Puls zeitlich zentriert ist an einem lokalen Maximum eines Absolutwertes des Sollwertes, wenn die erste Pulsdauer größer der Dauer des Vergleichspulses ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Sollwert aus einem am Eingang der elektronischen Energiewandlereinrichtung gemessenen Istwert von der Steuereinrichtung ermittelt, wobei Signalkomponenten von Oberwellen und/oder Rückkopplungen aus dem Istwert herausgefiltert werden.
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Beim Ansteuern von Schaltereinrichtungen, oder zumindest einer Schaltereinrichtung, kann vorteilhaft ein sogenannter phase shifted full bridge mode angewandt werden. Das elektronische System kann eine Schaltung mit einem typischen Signalverlauf umfassen, beispielsweise einen Schwingkreis mit einem bestimmten Resonanzverhalten. Das Grundsignal kann einer Grundwelle oder einem unüberlagerten Signal (Strom- oder Spannungsverlauf) an den Komponenten des Systems entsprechen, beispielsweise einer Grundschwingung eines Schwingkreises. Dies kann vorteilhaft dem Sollwert entsprechen, welcher von der Steuereinrichtung zu ermitteln ist um die Schaltvorgänge an diesem Signal orientieren zu können. Meist kann jedoch das Grundsignal von Oberwellen oder Signalen aus Rückkopplungen intern im System überlagert sein, woraus insgesamt ein Istwert des Strom- und/oder Spannungsverlaufs im System resultieren kann. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, durch beispielsweise Filterverfahren das Grundsignal des Systems, also den Sollwert, aus dem Istwert heraus zu filtern.
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Das erste Modulationssignal, insbesondere die Zahl und Abfolge von ersten Pulsen, kann vorteilhaft periodisch sein.
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Durch den ersten Ansteuermodus kann ein Schalten möglichst nahe an einem Nulldurchgang oder Minimum des Signals (Sollwert) am Eingang erfolgen, wodurch der Schaltverlust am Schalter geringer sein kann als bei eine Schaltvorgang in weiterer zeitlicher Entfernung von einem Minimum oder Nulldurchgang. Dies kann vorteilhaft geringe Schaltverluste in dem Fall erzeugen, wenn die einzelnen Pulse derart kurz sind, dass die zweite Flanke des Pulses (Signalabfall) zeitlich noch ausreichend nahe am Minimum oder Nulldurchgang ist, so dass auch dieser Schaltvorgang auch noch einen geringen Schaltungsverlust erzeugen kann im Vergleich zu einem Schaltvorgang bei einem lokalen oder globalen Maximum des Signals am Eingang. Der zweite Ansteuermodus kann bezüglich der Schaltverluste jedoch dann vorteilhafter sein als der erste Ansteuermodus, wenn der um das Maximum zentrierte Puls derart lang ist, dass die Signalflanken des Pulses zum Schalten jeweils so weit weg sind vom Maximum, dass das Signal am Eingang dann wieder einen relativ kleinen absoluten Wert annimmt und die dann auftretenden Schaltverluste an beiden Flanken geringer sein können als bei Schaltvorgängen näher am Maximum des Signals. Das Maß dafür, ab welcher Pulsdauer eines oder mehrerer Pulse des Modulationssignals sich der erste oder zweite Ansteuermodus besser eignet um Schaltverluste zu verringern ist, die Dauer des Vergleichspulses. Es kann hierbei auch ein Zwischenbereich für die Dauer des Vergleichspulses bestehen, innerhalb dessen sowohl der erste als auch der zweite Ansteuermodus im Wesentlichen gleiche Schaltverluste erzeugen können und die Wandlereinrichtung ohne signifikante Nachteile im ersten oder zweiten Ansteuermodus betrieben werden kann. Unterhalb dieses Zwischenbereichs kann jedoch der erste Ansteuermodus die Verluste deutlich verringern und oberhalb der zweite Ansteuermodus.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Sollwert für den Strom- und/oder Spannungsverlauf periodisch.
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Der Sollwert kann beispielsweise einen Schwingungsverlauf an einem Schwingkreis, etwa in Resonanz, darstellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein zweites Modulationssignal in der Steuereinrichtung erzeugt, welches eine zweite zeitliche Abfolge von Pulsen mit einer zweiten Pulsdauer umfasst, und wobei die zumindest eine Schaltereinrichtung alternierend oder gemischt mit dem ersten Modulationssignal und mit dem zweiten Modulationssignal im ersten oder zweiten Ansteuermodus angesteuert wird, wobei im ersten Ansteuermodus zumindest ein Puls an einem lokalen Minimum eines Absolutwertes des Sollwertes beginnt oder endet, wenn die zweite Pulsdauer kleiner oder gleich der Dauer des Vergleichspulses ist, oder im zweiten Ansteuermodus zumindest ein Puls zeitlich zentriert ist an einem lokalen Maximum eines Absolutwertes des Sollwertes, wenn die zweite Pulsdauer größer der Dauer des Vergleichspulses ist.
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Die Pulse des zweiten Modulationssignals können als Sequenz nach einer Sequenz von Pulsen des ersten Modulationssignals erfolgen oder einzeln oder als Gruppe innerhalb einer Sequenz von ersten Pulsen oder zwischen einzelnen ersten Pulsen einzeln oder als Gruppe von zweiten Pulsen erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens entspricht die Dauer des Vergleichspulses einem Drittel, der Hälfte oder zwei Dritteln einer Dauer des Sollwertes für den Strom- und/oder Spannungsverlauf oder einer Periode des Sollwertes für den Strom- und/oder Spannungsverlauf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Ansteuermodus beibehalten, bis bei steigender erster oder zweiter Pulsdauer die Dauer des Vergleichspulses überschritten wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der zweite Ansteuermodus beibehalten, bis bei sinkender erster oder zweiter Pulsdauer die Dauer des Vergleichspulses erreicht oder unterschritten wird.
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Für einen bereits erfolgenden Betrieb der Wandlereinrichtung in einem der beiden Ansteuermodi kann auch bei steigender oder fallender Dauer der Pulse des Modulationssignals der momentan angewandte Ansteuermodus beibehalten werden, bis der andere Ansteuermodus signifikant vorteilhafter wird und der Zwischenbereich für die Dauer des Vergleichspulses überschritten wird, in welchem beide Ansteuermodi im Wesentliche gleiche Verluste beim Schalten generieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Dauer des Vergleichspulses zwischen einer vorbestimmten Untergrenze und einer vorbestimmten Obergrenze beliebig variabel.
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In dem Zwischenbereich zwischen vorbestimmter Untergrenze und vorbestimmter Obergrenze können beide Ansteuermodi im Wesentliche gleiche Verluste beim Schalten generieren und der Wert der Dauer des Vergleichspulses innerhalb dieser beiden Grenzen kann beliebig variabel sein, wobei der Wert der Dauer des Vergleichspulses entscheidet, welcher der Ansteuermodi angewandt wird. Der Wert der Dauer des Vergleichspulses kann derart gewählt werden, dass dieser den Zwischenbereich für den anliegenden und momentan angewandten Ansteuermodus mit umfasst, beispielsweise für den ersten Ansteuermodus der Vergleichspuls bei steigender erster und/oder zweiter Pulsdauer der vorbestimmten Obergrenze entsprechen kann und für den zweiten Ansteuermodus der Vergleichspuls bei steigender erster und/oder zweiter Pulsdauer der vorbestimmten Untergrenze entsprechen kann. Die vorbestimmte Obergrenze und Untergrenze kann je nach elektronischen System und dessen Grundsignal bekannt und verschieden zu anderen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist zwischen der vorbestimmten Untergrenze und der vorbestimmten Obergrenze das Ansteuern mit dem ersten Ansteuermodus und dem zweiten Ansteuermodus frei wählbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens generiert das elektronische System einen sinusförmigen Resonanzstrom eines LC-Schwingkreises.
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Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Energiewandlereinrichtung, welche an einem Eingang an ein elektronisches System angeschlossen ist, zumindest eine Schaltereinrichtung; und eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen Sollwert für einen Strom- und/oder Spannungsverlauf am Eingang zu ermitteln und ein erstes Modulationssignal für einen Strom oder für eine Spannung zu erzeugen, welches eine erste zeitliche Abfolge von Pulsen mit einer ersten Pulsdauer umfasst, und die zumindest eine Schaltereinrichtung mit dem ersten Modulationssignal in einem ersten Ansteuermodus derart anzusteuern, dass zumindest ein Puls an einem lokalen Minimum eines Absolutwertes des Sollwertes beginnt oder endet, wenn die erste Pulsdauer kleiner oder gleich einer Dauer eines Vergleichspulses ist oder in einem zweiten Ansteuermodus derart anzusteuern, dass zumindest ein Puls zeitlich zentriert ist an einem lokalen Maximum eines Absolutwertes des Sollwertes, wenn die erste Pulsdauer größer der Dauer des Vergleichspulses ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der elektronischen Energiewandlereinrichtung umfasst diese eine Mehrzahl von Schaltereinrichtungen in einer H-Brückenschaltung.
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Die Schaltereinrichtungen können somit vorteilhaft in einer Vollbrücke angeordnet sein und beispielsweise Transistoren umfassen, wobei die Steuereinrichtung mit jedem der Transistoren verbunden sein kann und das erste und/oder zweite Modulationssignal an diesen Transistoren, zumindest an manchen davon, anlegen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine Relation zwischen einem ersten und einem zweiten Ansteuermodus gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 7 ein schematisches Blockschaltbild einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 8 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Gezeigt wird ein Signalverlauf eines Sollwertes Sol, welcher einem Strom- und/oder Spannungsverlauf Sol-I, Sol-U am Eingang der elektronischen Energiewandlereinrichtung entsprechen kann. Dieser Verlauf kann durch eine Steuereinrichtung ermittelt werden. Ein Schalten der Energiewandlereinrichtung erfolgt vorteilhaft mittels einer Folge von ersten Pulsen P1 mit einer ersten Pulsdauer Pt1, welche zu einem ersten Modulationssignals M1 für einen Strom oder für eine Spannung gehören und durch die Steuereinrichtung erzeugt wurden. Die 1c und 1d zeigen das Ansteuern von zumindest einer Schaltereinrichtung in der elektronischen Energiewandlereinrichtung mit dem ersten Modulationssignal M1 durch die Steuereinrichtung in einem zweiten Ansteuermodus Ans2 derart, dass zumindest ein Puls P1 zeitlich zentriert ist an einem lokalen Maximum eines Absolutwertes des Sollwertes Sol. Dies erfolgt für verschiedene Pulslängen und beispielsweise einem Schalten einer Vollbrücke. Die 1a - 1d zeigen lediglich das Ansteuern mit zentrierten Pulsen um ein Maximum. Für die 1c und 1d erfolgt das Schalten vorteilhaft ausreichend nahe am Nulldurchgang des Sollwertes, wobei nur geringe Schaltverluste auftreten können. Der Sollwert zeigt in der 1 beispielsweise einen resonanten Strom in einem LC-Schwingkreis. Die 1a und 1b zeigen jedoch ein Schalten in weiterer Entfernung (zeitlich) vom Nulldurchgang des Sollwertes, was hingegen zu höheren Schaltverlusten führen kann, als dies in den 1c und 1d der Fall ist. Auftretende Schaltverluste können näherungsweise linear mit Strom- und Spannungsänderungen an der zumindest einen Schaltereinrichtung sein. Bei großen Pulsweiten, also hohen Aussteuergraden, kann nahe dem Nulldurchgang geschalten werden und es können relativ zur Signalamplitude des Sollwerts kleine Schaltverluste entstehen, bei kleinen Aussteuergraden große Schaltverluste. Bei kleinen Aussteuerungen kann die Sinusamplitude etwas geringer sein, es kann dennoch die Schaltzeit nahe am Nulldurchgang zum geringeren Leistungsverlust überwiegen. Die 1a und 1b zeigen folglich ebenfalls ein Schalten mit um ein Maximum zentrierten Pulsen, allerdings ist deren erste Pulslänge geringer als die eines Vergleichspulses, und somit ergibt sich ein höherer Schaltverlust als in den 1c und 1d, welche im zweiten Ansteuermodus Ans2 eine längere Pulsweite aufweisen als ein Vergleichspuls. Der Vergleichspuls (hier für diesen Fall so zu wählen) würde im Falle der 1 einer Länge zwischen den ersten Pulsen der 1b und 1c aufweisen. Die 1a und 1b zeigen also ein Schaltschema nach einem Vergleichsbeispiel und die 1c und 1d nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die 2 zeigt in den 2a - 2d ein entsprechendes Signal für einen Sollwert Sol wie die 1, jedoch erfolgt nach der 2 ein anderes Schaltschema beispielsweise einer Vollbrücke der Energiewandlereinrichtung. Nach der 2 erfolgt stets ein Schalten nahe am Nulldurchgang, so dass beispielsweise ein erster Puls an einem Nulldurchgang des Sollwerts Sol endet und der nächste Puls am gleichen Nulldurchgang beginnt. Wenn sich die erste Pulslänge Pt1 von der 2a bis zur 2d verlängert, kann eine Pulsflanke jedes Pulses am Nulldurchgang fixiert bleiben, die andere Pulsflanke kann sich jedoch vom Nulldurchgang hin zum Maximum verschieben, was zu größeren Schaltverlusten führen kann, wenn diese Pulsflanke zu weit vom Nulldurchgang entfernt und zu nahe am Maximum verbleibt. Für kleine Pulsweiten Pt1 in den 2a und 2b ist die Verlustleistung beim Schalten ausreichend gering, diese Pulsweiten würden geringer einer Dauer eines Vergleichspulses sein (nicht gezeigt). In den 2c und 2d kann die zweite Flanke der Pulse schon zu weit vom Nulldurchgang entfernt sein und die Pulsweite wäre länger als der zu wählende Vergleichspuls. Für die 2c und 2d würde sich somit der zweite Ansteuermodus besser eignen, bei welchem die Pulse am Maximum zentriert sein könnten, so dass die Pulsflanken jeweils näher am Nulldurchgang erfolgen würden. Die 2a und 2b zeigen ein Schalten nach dem ersten Ansteuermodus Ans1 da der Vergleichspuls länger sein kann als die erste Pulsweite Pt1. Die 2a und 2b zeigen also ein Schalten nach einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und die Figuren ein Vergleichsbeispiel mit gleichem Schaltschema wie die 2a und 2b jedoch mit Pulsweiten oberhalb des Vergleichspulses. Erfindungsgemäß würde für die 2c und 2d vom ersten Ansteuermodus in den zweiten Ansteuermodus gewechselt werden und den 1c und 1d entsprechen. Es können somit die absoluten Schaltverluste bei kleiner und mittlerer Leistung nach den 2a und 2b verringert werden, wenn gegenüber den 1a und 1b der erste Ansteuermodus Ans1 gewählt wird, wodurch weiterhin ein guter Teillastwirkungsgrad (bei kleiner und mittlerer Leistung nach den 2a und 2b) erfüllt werden kann. Durch eine einfache Veränderung des Schaltschemas kann auf zusätzliche kostenerzeugende Komponenten verzichtet werden. Im Zwischenbereich können beide Ansteuermodi, etwa der 1b und 2c, die gleiche Verlustleistung aufweisen und frei gewählt werden. Ein Maß für die übertragene Leistung kann die Fläche unter dem Sollwert sein, was sich für die 1b und 2c näherungsweise decken kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die 3 zeigt ein entsprechendes Signal für einen Sollwert Sol wie die 1, jedoch kann eine andere Art der Ansteuerung der Schaltereinrichtung(en) erfolgen. Der Sinus des Sollwerts kann eine positive und negative Halbwelle aufweisen, wobei die Steuereinrichtung nur zu positiven oder negativen Sollwerten schalten kann, wie in den 3a und 3b gezeigt. Je nach Dauer eines Vergleichspulses kann ein Schalten nach einem ersten Ansteuermodus Ans1 (3a) oder nach dem zweiten Ansteuermodus Ans2 (3b) erfolgen. In der 3a kann eine Aussteuerung (Pulslänge relativ zur Signallänge der Halbwelle) beispielsweise zwischen 0 und 25 % liegen und somit kürzer sein als die Dauer eines entsprechend gewählten Vergleichspulses, was den ersten Ansteuermodus Ans1 bedingen kann. Das Modulationssignal M1 kann hierbei auch derart variiert werden, dass zu Beginn einer Halbwelle einer der Pulse am Nulldurchgang beginnen kann und der nachfolgende Puls am Nulldurchgang der gleichen Halbwelle enden kann. Die Pulse können somit in eine Halbwelle hinein verschoben sein. In der 3b kann eine Aussteuerung beispielsweise zwischen 25 % und 50 % liegen und somit länger sein als die Dauer eines Vergleichspulses, was den zweiten Ansteuermodus Ans2 bedingen kann.
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Alternativ dazu kann auch ein zweites Modulationssignal M2 erzeugt werden, und zwischen die Pulse des ersten Modulationssignals M1 gemischt werden, etwa einzeln oder als Abfolge von Sequenzen erster und zweiter Pulse P1 und P2. So kann etwa im Falle der 3c, wobei beide Halbwellen berücksichtigt werden können, für die positive Halbwelle das erste Modulationssignal mit zwei ersten Pulsen P1 gemäß der 3a an der Schaltereinrichtung(en) angelegt werden und dazwischen für die negative Halbwelle das zweite Moduationssignal M2. Nach der 3c können sich die erste Pulsdauer Pt1 und die zweite Pulsdauer Pt2 deutlich unterscheiden, und somit für einen Vergleichspuls, welcher für beide Halbwellen und das gesamte Signal des Sollwertes gleich sein kann, unterschiedliche Ansteuermodi bedingen. Mit anderen Worten kann in der 3c das erste Modulationssignal M1 im ersten Ansteuermodus Ans1 erfolgen und das zweite Modulationssignal M2 im zweiten Ansteuermodus Ans2. Die Pulsdauern und Kombinationen der Modulationssignale und Abhängigkeiten vom Vergleichspuls können jedoch auch anders gewählt werden und vorteilhaft einen anderen Aussteuergrad bestimmen. Die Ansteuerung in der 3c kann eine Aussteuerung von 50 % bis 75 % erzielen. Die ersten und zweiten Pulse P1 und P2 können direkt aneinander anschließen.
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Eine alternative Kombination der beiden Modulationssignale und andere Pulsdauern Pt1 und Pt2 sind beispielhaft in der 3d gezeigt. Hierbei können die ersten und zweiten Pulse P1 und P2 zeitlich auch versetzt zueinander erfolgen und beide im gleichen zweiten Ansteuermodus Ans2, wodurch einen noch höhere Aussteuerung von 75 % bis 100 % erzielt werden kann. Durch eine derartige Kombination von Schaltschemata können die Schaltverluste bei höherer Aussteuerung weiter reduziert werden.
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Die absoluten Schaltverluste in Abhängigkeit der Übertragungsleistung können beim ersten Ansteuermodus Ans1 für niedrige Leistungen, also Pulsdauern unter der Dauer eines Vergleichspulses, welcher entsprechend zu wählen ist, damit die Ansteuermodi vorteilhaft umschalten, deutlich geringer sein als die Schaltverluste des zweiten Ansteuermodus Ans2 bei solchen Leistungen. Für hohe Leistungen kann jedoch der zweite Ansteuermodus Ans2 geringere Verlustleistungen aufweisen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die 4 zeigt eine weitere Kombination einer Abfolge von ersten Pulsen P1 und zweiten Pulsen P2, ähnlich der 3c und 3d, wobei allerdings die ersten und zweiten Pulse P1 und P2 auch zwischen der positiven und negativen Halbwelle wechseln können. So kann einem zweiten Puls P2 des zweiten Modulationssignals M2 auf negativer Halbwelle unmittelbar ein gleicher zweiter Puls auf positiver Halbwelle folgen und diesem ein erster Puls P1 des ersten Modulationssignals M1 auf negativer Halbwelle folgen und/oder beiden zweiten Pulsen auf positiver Seite vorausgehen. Es kann somit zur weiteren Reduzierung oder Anpassung der gewünschten Aussteuerung zwischendurch das Modulationssignal gewechselt werden oder alternieren. Die Aussteuerung der 4 kann ebenfalls 75 % bis 100 % betragen.
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5 zeigt eine Relation zwischen einem ersten und einem zweiten Ansteuermodus gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Zur Übertragung einer bestimmten Leistung kann für den ersten Ansteuermodus Ans1 und den zweiten Ansteuermodus Ans2 ein, etwa beim Sollwert aus den 1 bis 4 bezüglich dem Sinuswinkel, unterschiedlich großer Aussteuergrad erforderlich sein.
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Eine Aussteuerzeitdauer oder mit anderen Worten eine Ansteuerzeitdauer kann vorteilhaft jener Zeit entsprechen, die nötig ist um einen gewünschten Aussteuergrad zu erreichen, und hängt vom Ansteuerverfahren und vom tatsächlichen Signalverlauf (inkl. Oberwellen und Rückkopplungseffekten) ab. Der Aussteuergrad kann beschreiben, welcher Anteil der möglichen aus dem Signal abziehbaren Leistung zwischen 0 und 100 % angezogen werden kann.
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Für die gleiche Leistung können beim ersten Ansteuermodus Ans1 größere Aussteuergrade erforderlich sein. Diese Effekte können beim hin- und herschalten zwischen den beiden Ansteuermodi dadurch berücksichtigt werden, dass eine Umrechnungsvorschrift zwischen Aussteuergrad vor dem Umschalten zu Aussteuergrad nach dem Umschalten angewendet werden kann. Eine solche Umrechnungsvorschrift ist beispielsweise in der 5 gezeigt, wobei eine Aussteuerzeitdauer AUS relativ zum Aussteuergrad AP gezeigt ist. Die Umrechnung kann anwendungsabhängig sein. Die Kennlinien der Aussteuerzeitdauer für beide Ansteuermodi können für ein bekanntes System ermittelt und vorteilhaft tabellarisch abgelegt werden. Zum Umschalten kann beispielsweise entsprechend der 5 aus der aktuellen Aussteuerzeitdauer AUS der aktuelle Aussteuergrad AP ermittelt werden und aus diesem der korrespondierende Aussteuergrad für den anderen Ansteuermodus. Die Umschaltung vom ersten Ansteuermodus Ans1 zum zweiten Ansteuermodus Ans2 kann nach der 5 beispielsweise etwa beim 2/3 der Aussteuerzeitdauer, relativ zum Sollsignal, erfolgen. Die Umschaltung vom zweiten Ansteuermodus Ans2 zum ersten Ansteuermodus Ans1 bei etwa 1/3 der Aussteuerzeitdauer, relativ zum Sollsignal. Um ein ständiges Wechseln der Ansteuermodi zu verhindern kann vorteilhafterweise eine Umschalthysterese (Unterschiede in AP und AUS beim Pfeilverlauf in der 5) verwendet werden. Hierbei kann bis zum Erreichen einer vorbestimmten Obergrenze oder Untergrenze eines Zwischenbereichs der Werte für eine Dauer des Vergleichspulses über den Zwischenbereich hinweg der derzeit anliegende Ansteuermodus beibehalten werden, bis dieser deutlich höhere Schaltverluste liefert wenn die Aussteuerung weiter steigt oder sinkt. Die Ermittlung und Ablage der korrespondierenden Aussteuerzeitdauern kann auch nur in demjenigen Bereich der Austeuergrade erforderlich sein, in dem auch eine Umschaltung der Ansteuermodi auftreten kann.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltvorgangs an einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die 6 zeigt in den 6a1, 6b1, 6c1 und 6d1 ein Schaltschema nach dem zweiten Ansteuermodus Ans2 und in den 6a2, 6b2, 6c2 und 6d2 ein Schaltschema nach dem ersten Ansteuermodus Ans1 für unterschiedliche Aussteuergrade und an Signalverläufen eines Istwertes Ist zum Sollwert der 1 bis 4. Um den genauen Schaltzeitpunkt vorteilhaft zu ermitteln kann die Steuereinrichtung den Istwert filtern, um beispielsweise Oberwellen oder Rückkopplungen herauszufiltern und den Sollwert-Verlauf zu erhalten und beispielsweise die Position des Maximums oder der Minima oder Nulldurchgänge zu bestimmen. Oberwellen und Rückkopplungen können sich dadurch im Istwert bemerkbar machen, dass der Schaltvorgang selbst den Signalverlauf des Istwertes versetzen kann, etwa in der 6a1 verschiebt der Schaltpuls die Istwert-Kurve bei deren Maximum. Die Schaltvorgänge können nicht ideal bei Maxima oder Minima des Istwertes erfolgen, jedoch nach dem Filtern vorteilhaft zutreffend an den zugehörigen Maxima und Minima oder Nulldurchgängen des Sollwertes wie in den 1 bis 4 gezeigt.
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Der zweite Ansteuermodus Ans2 kann beispielsweise zwei Schaltvorgänge pro Halbwellenperiode aufweisen und der erste Ansteuermodus Ans1 beispielsweise drei (Pfeildarstellung). Bei kleiner (6a1, 6a2), mittlerer (6b1, 6b2, 6c1, 6c2), oder hoher Leistung (6d1, 6d2) kann die Summe der zur Stromstärke näherungsweise proportionalen Schaltverluste im ersten Ansteuermodus Ans1 kleiner (für kleine Leistungen), gleich (für mittlere Leistungen), oder höher (für hohe Leistungen) als beim zweiten Ansteuermodus Ans2 sein.
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Bei höheren Aussteuergraden wie etwa in 6d2 können die Schaltverluste des ersten Ansteuermodus Ans1 ungünstiger sein, da der zweite und dritte Schaltvorgang nicht mehr bei minimalen Pegeln oder Nulldurchgängen stattfinden muss. Der erste Ansteuermodus Ans1 kann dann noch dahingehend verändert werden, dass die prinzipiell in der Mitte einer Halbwelle stattfindende Ansteuerpause nach später verschoben werden kann. Wenn die Pause später stattfindet kann der Stromabbau in der Pause durch den Resonanzkreis schneller stattfinden. Damit kann auch der zweite und dritte Schaltvorgang bei kleineren Amplituden erfolgen. Die Pfeildarstellungen symbolisieren die schaltverlustrelevanten Stromstärken bei den Schaltvorgängen. Die Summe der Pfeillängen in einer Figur kann ein Maß für die gesamten Schaltverluste des Schaltschemas sein.
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7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer elektronischen Energiewandlereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Eine elektronische Energiewandlereinrichtung 1, welche an einem Eingang an ein elektronisches System 10 angeschlossen ist, umfasst zumindest eine Schaltereinrichtung 3; einer Steuereinrichtung SE, welche dazu eingerichtet ist, einen Sollwert für einen Strom- und/oder Spannungsverlauf am Eingang zu ermitteln und ein erstes Modulationssignals für einen Strom oder für eine Spannung zu erzeugen.
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8 zeigt eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Energiewandlereinrichtung, welche an einem Eingang an ein elektronisches System angeschlossen ist, erfolgt ein Ermitteln S1 eines Sollwertes für einen Strom- und/oder Spannungsverlauf am Eingang der elektronischen Energiewandlereinrichtung durch eine Steuereinrichtung, wobei der Sollwert einem Grundsignal des elektronischen Systems entspricht; ein Erzeugen S2 eines ersten Modulationssignals für einen Strom oder für eine Spannung durch die Steuereinrichtung, welches eine erste zeitliche Abfolge von Pulsen mit einer ersten Pulsdauer umfasst; und Ansteuern S3a von zumindest einer Schaltereinrichtung in der elektronischen Energiewandlereinrichtung mit dem ersten Modulationssignal durch die Steuereinrichtung in einem ersten Ansteuermodus derart, dass zumindest ein Puls an einem lokalen Minimum eines Absolutwertes des Sollwertes beginnt oder endet, wenn die erste Pulsdauer kleiner oder gleich einer Dauer eines Vergleichspulses ist, oder Ansteuern S3b von zumindest einer Schaltereinrichtung in der elektronischen Energiewandlereinrichtung mit dem ersten Modulationssignal durch die Steuereinrichtung in einem zweiten Ansteuermodus derart, dass zumindest ein Puls zeitlich zentriert ist an einem lokalen Maximum eines Absolutwertes des Sollwertes, wenn die erste Pulsdauer größer der Dauer des Vergleichspulses ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014218798 A1 [0003]
