DE102018221471A1 - DC voltage conversion method - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wandeln einer ersten Gleichspannung (U) in eine zweite Gleichspannung (U), wobei die erste Gleichspannung (U) mittels wenigstens eines Wechsel- oder Frequenzumrichters (210) in eine Wechselspannung gewandelt wird, und wobei die Wechselspannung mittels wenigstens einer Drossel (L) in die zweite Gleichspannung (U) gewandelt wird, wobei mehrere Halbbrücken (H, H, H) des Wechsel- oder Frequenzumrichters (110) zeitversetzt zueinander angesteuert werden, sowie eine Anordnung (200) mit Recheneinheit (290)zu dessen Durchführung.The invention relates to a method for converting a first DC voltage (U) into a second DC voltage (U), the first DC voltage (U) being converted into an AC voltage by means of at least one AC or frequency converter (210), and the AC voltage being at least a choke (L) is converted into the second DC voltage (U), several half-bridges (H, H, H) of the AC or frequency converter (110) being driven at different times from one another, and an arrangement (200) with a computing unit (290) its implementation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung sowie eine Anordnung mit Recheneinheit zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for converting a first DC voltage into a second DC voltage and an arrangement with a computing unit for carrying out the method.

Stand der TechnikState of the art

Ein Elektromotor als Teil eines elektrischen Antriebs kann mittels eines Wechsel- oder Frequenzumrichters betrieben werden, worüber ihm eine geeignete Wechselspannung, meist in Pulsbreitenmodulation, bereitgestellt wird. Solche Wechsel- bzw. Frequenzumrichter können dabei Teil einer Steuer- und/oder Regeleinheit sein oder zusammen mit einer solchen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Frequenzumrichter mit veränderbarer Schaltfrequenz verwendet werden, um die Drehzahl eines Drehstrommotors zu regeln.An electric motor as part of an electric drive can be operated by means of an AC or frequency converter, which provides it with a suitable AC voltage, usually in pulse width modulation. Such inverters or frequency converters can be part of a control and / or regulating unit or can be used together with one. For example, a frequency converter with a variable switching frequency can be used to regulate the speed of a three-phase motor.

Solche Wechsel- bzw. Frequenzumrichter können daneben auch als Gleichspannungswandler bzw. als sog. DC-DC-Steller verwendet werden, mit denen eine erste Gleichspannung, d.h. eine Gleichspannung mit ersten Spannungswert, in eine zweite Gleichspannung, d.h. eine Gleichspannung mit zweitem Spannungswert, gewandelt wird. Hierzu können Drosseln verwendet werden.Such AC or frequency inverters can also be used as DC-DC converters or as so-called DC-DC actuators with which a first DC voltage, i.e. a DC voltage with a first voltage value, into a second DC voltage, i.e. a DC voltage with a second voltage value is converted. Chokes can be used for this.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Wandeln einer Gleichspannung sowie eine Anordnung mit Recheneinheit zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for converting a DC voltage and an arrangement with a computing unit for carrying it out are proposed with the features of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Wandeln einer ersten Gleichspannung, d.h. einer Gleichspannung mit erstem Spannungswert, in eine zweite Gleichspannung, d.h. eine Gleichspannung mit zweitem Spannungswert. Typischerweise weist die zweite Gleichspannung dabei einen geringeren Spannungswert als die erste Gleichspannung auf, d.h. es handelt sich um einen sog. DC-Tiefsetzsteller. Die erste Gleichspannung wird hierbei mittels eines Wechsel- oder Frequenzumrichters in eine Wechselspannung bzw. eine gepulste Gleichspannung gewandelt. Hierzu sei angemerkt, dass ein Wechselrichter mittels Halbleiterschaltern typischerweise eine gepulste Gleichspannung erzeugt, die sich in gewisser Weise von einer typischen Wechselspannung unterscheidet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen die Begriffe der gepulsten Gleichspannung und der Wechselspannung in dieser Hinsicht synonym verstanden werden. Die so erzeugte bzw. erhaltene Wechselspannung wiederum wird dann mittels wenigstens einer Drossel in die zweite Gleichspannung gewandelt. Die Wechselspannung liegt dabei typischerweise in Pulsbreitenmodulation (PWM) vor. Auf diese Weise lässt sich ein beispielsweise für andere Zwecke schon vorhandener Wechsel- oder Frequenzumrichter, ggf. mit geeigneter Umparametrierung, auf einfache Weise auch als Gleichspannungswandler verwendet.The invention is based on a method for converting a first DC voltage, i.e. a DC voltage with the first voltage value, into a second DC voltage, i.e. a DC voltage with a second voltage value. Typically, the second DC voltage has a lower voltage value than the first DC voltage, i.e. it is a so-called DC buck converter. The first DC voltage is converted into an AC voltage or a pulsed DC voltage by means of an AC or frequency converter. In this regard, it should be noted that an inverter using semiconductor switches typically generates a pulsed DC voltage which differs to a certain extent from a typical AC voltage. In the context of the present invention, the terms pulsed DC voltage and AC voltage are to be understood synonymously in this regard. The AC voltage generated or obtained in turn is then converted into the second DC voltage by means of at least one choke. The AC voltage is typically in pulse width modulation (PWM). In this way, an AC or frequency converter that is already available for other purposes, for example, with suitable parameterization, can also be used as a DC voltage converter in a simple manner.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass mehrere Halbbrücken des Wechsel- oder Frequenzumrichters, beispielsweise mit MOSFETs oder IGBTs als Schaltelementen, zeitversetzt zueinander angesteuert werden, insbesondere gleichmäßig zueinander zeitversetzt. Durch diese Ansteuerung liegt an der Drossel nunmehr eine höhere Frequenz an, als der Wechsel- oder Frequenzumrichter ausgibt. Im Falle eines dreiphasigen Wechselrichters liegt beispielsweise die dreifache Frequenz an der Drossel an.According to the invention, it is now provided that a plurality of half-bridges of the AC or frequency converter, for example with MOSFETs or IGBTs as switching elements, are controlled with a time delay, in particular with a uniform time delay. As a result of this control, the choke now has a higher frequency than the inverter or frequency converter outputs. In the case of a three-phase inverter, for example, three times the frequency is applied to the choke.

Werden, wie herkömmlicherweise üblich, alle Halbbrücken gleichzeitig getriggert bzw. angesteuert, stellt sich an der Drossel dieselbe PWM-Frequenz wie an den Schaltelementen der Halbbrücken ein. Der sich ergebende Gleichstrom verteilt sich mit dieser Beschaltung gleichmäßig auf alle drei Halbbrücken. Die Stromrichtung kann dabei sowohl positive als auch negative Werte annehmen.If, as is customary, all half bridges are triggered or activated at the same time, the same PWM frequency is set at the choke as at the switching elements of the half bridges. The resulting direct current is evenly distributed over all three half-bridges with this circuit. The current direction can take both positive and negative values.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Schaltelemente der Halbbrücken weiterhin mit der PWM-Grundfrequenz (z.B. 4 kHz) betrieben. Durch die zeitversetzte Ansteuerung bzw. ein entsprechendes Taktverfahren wird die Drossel allerdings mit einer um die Anzahl der Halbbrücken höheren Ausgangsfrequenz betrieben. Bei drei Halbbrücken und der erwähnten Grundfrequenz von 4 kHz ergibt sich an der Drossel beispielsweise eine Frequenz von 12 kHz.With the proposed method, the switching elements of the half bridges continue to be operated at the PWM basic frequency (e.g. 4 kHz). Due to the time-shifted control or a corresponding clock method, the choke is operated with an output frequency that is higher by the number of half bridges. With three half bridges and the mentioned fundamental frequency of 4 kHz, the choke results in a frequency of 12 kHz, for example.

Die Wechselspannung wird dabei bevorzugt mittels genau einer Drossel in die zweite Gleichspannung gewandelt, wobei die Halbbrücken parallel geschaltet und an die Drossel angeschlossen sind. Denkbar ist aber auch, dass die Wechselspannung mittels jeweils einer Drossel pro Halbbrücke in die zweite Gleichspannung gewandelt wird, wobei jede Halbbrücke an die jeweilige Drossel angeschlossen ist.The AC voltage is preferably converted into the second DC voltage by means of exactly one choke, the half bridges being connected in parallel and connected to the choke. However, it is also conceivable that the AC voltage is converted into the second DC voltage by means of one choke per half bridge, each half bridge being connected to the respective choke.

Vorteile dieser höheren Ausgangsfrequenzen sind beispielsweise geringere Stromrippel und die Möglichkeit, kleinere Drosseln zu verwenden. Damit können auch kleinere Hochfrequenzfilter bzw. zugehörige Komponenten verwendet werden, was insgesamt geringere Herstellkosten bedeutet. Zudem sind schnellere Stromregelzyklen möglich.Advantages of these higher output frequencies are, for example, lower current ripples and the possibility of using smaller chokes. This means that smaller high-frequency filters or associated components can also be used, which means lower manufacturing costs overall. Faster current regulation cycles are also possible.

Vorzugsweise werden wenigstens zwei Wechsel- oder Frequenzumrichter verwendet, die dann parallel geschaltet werden. So können höhere Ausgangsströme und noch höhere Frequenzen der Wechselspannung erreicht werden.Preferably at least two inverters or frequency converters are used then be connected in parallel. In this way, higher output currents and even higher frequencies of the AC voltage can be achieved.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Anordnung mit wenigstens einem Wechsel- oder Frequenzumrichter und einer Recheneinheit, die, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.The invention further relates to an arrangement with at least one AC or frequency converter and a computing unit which, in particular in terms of programming, is set up to carry out a method according to the invention.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all method steps is also advantageous, since this causes particularly low costs, in particular if an executing control device is still used for further tasks and is therefore present anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs etc. It is also possible to download a program via computer networks (internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Figurenbeschreibung

  • 1 zeigt eine Anordnung mit einem Wechselrichter, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
  • 2 zeigt eine weitere Anordnung mit einem Wechselrichter, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
  • 3 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform
The invention is illustrated schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described in detail below with reference to the drawing. Figure description
  • 1 shows an arrangement with an inverter with which a method according to the invention can be carried out.
  • 2nd shows a further arrangement with an inverter with which a method according to the invention can be carried out.
  • 3rd shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In 1 ist schematisch eine Anordnung 100 mit einem Wechselrichter 110 und einer Recheneinheit 190 gezeigt, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Der Wechselrichter 110 weist beispielhaft drei Halbbrücken H1 , H2 und H3 auf, die jeweils zwei Halbleiterschalter T1 , T4 bzw. T3 , T6 bzw. T5 , T2 aufweisen. Zudem sind zugehörige Freilaufdioden gezeigt.In 1 is a schematic arrangement 100 with an inverter 110 and an arithmetic unit 190 shown with which a method according to the invention can be carried out. The inverter 110 has three half bridges as an example H 1 , H 2 and H 3 on, each have two semiconductor switches T 1 , M 4 or. T 3 , M 6 or. M 5 , T 2 exhibit. Associated freewheeling diodes are also shown.

An den Eingängen 1L+ und 1L- liegt eine erste Gleichspannung U1 an. Die Halbbrücken sind jeweils über eine Drossel L an einen gemeinsamen Ausgang 2L+ angeschlossen, der weitere Ausgang 2L- ist direkt an den Eingang 1L- angeschlossen. Zwischen den Ausgängen 2L+ und 2L- ist ein Kondensator C geschaltet und es liegt die zweite Gleichspannung U2 an. Zudem kann dort eine Last R angeschlossen werden.At the entrances 1L + and 1L- is a first DC voltage U 1 on. The half bridges are each via a choke L to a common output 2L + connected, the further output 2L- is right at the entrance 1L- connected. Between the exits 2L + and 2L- a capacitor C is connected and there is the second DC voltage U 2 on. In addition, a load R can be connected there.

In 2 ist eine weitere Anordnung 200 mit einem Wechselrichter 210 und einer Recheneinheit 290 gezeigt, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Anordnung 200 entspricht im Grunde der Anordnung 100 gemäß 1, wobei allerdings nur eine Drossel L vorgesehen ist, an die die Halbbrücken gemeinsam angeschlossen sind.In 2nd is another arrangement 200 with an inverter 210 and an arithmetic unit 290 shown with which a method according to the invention can be carried out. The order 200 basically corresponds to the arrangement 100 according to 1 , but only one throttle L is provided, to which the half bridges are connected together.

In 3 ist ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind in den oberen drei Diagrammen die Ströme iT1 , iT3 und iT5 über der Zeit t gezeigt, wie sie bei entsprechender PWM-Ansteuerung in den entsprechenden Halbleiterschaltern (vgl. hierzu 1 und 2) fließen. Zur Erzeugung der höheren Frequenz werden die Halbleiterschalter also nicht gleichzeitig, sondern jeweils um insbesondere 120° phasenverschoben bzw. zeitlich versetzt betriebenIn 3rd a sequence of a method according to the invention is shown in a preferred embodiment. For this purpose, the currents are in the top three diagrams i T1 , i T3 and i T5 shown over time t, as they are in the corresponding semiconductor switches with appropriate PWM control (cf. 1 and 2nd ) flow. In order to generate the higher frequency, the semiconductor switches are therefore not operated simultaneously, but in each case in particular out of phase with one another or shifted in time

Mit TP ist dabei eine volle Periodendauer gezeigt, mit ta eine Ansteuerdauer für einen Halbleiterschalter. Die PWM-Frequnenz kann beispielsweise 4 kHz betragen, was einer Periodendauer TP von 250 µs entspricht.With T P a full period is shown, with t a a drive duration for a semiconductor switch. The PWM frequency can be, for example, 4 kHz, which is a period T P of 250 µs corresponds.

In dem unteren Diagramm ist der Strom i2L+ in dem entsprechenden Ausgang über der Zeit t gezeigt. Dort ist zu sehen, dass etwaige Stromrippel nur mit einer Frequenz von 12 kHz auftreten, nicht aber mit 4 kHz, was geringeren Stromrippeln entspricht.In the diagram below is the current i 2L + shown in the corresponding output over time t. It can be seen there that any current ripples only occur at a frequency of 12 kHz, but not at 4 kHz, which corresponds to lower current ripples.

Denkbar ist bei dem vorgeschlagenen Vorgehen auch, dass durch Softwareumschaltung zwischen einer niedrigen DC-seitigen Ausgangsfrequenz und einer hohen DC-seitigen Ausgangsfrequenz umgeschaltet wird. Dabei wird die niedrigere Ausgangsfrequenz durch synchrones Takten der Halbbrücken erreicht. Die höhere Ausgangsfrequenz wird durch phasenverschobenes (zeitversetztes) Takten der Halbbrücken umgesetzt. Beide Regelungsarten sind grundsätzlich möglich.It is also conceivable in the proposed procedure that software switching switches between a low DC-side output frequency and a high DC-side output frequency. The lower output frequency is achieved by synchronously clocking the half bridges. The higher output frequency is implemented by phase-shifted (time-shifted) clocking of the half bridges. Both types of regulation are possible in principle.

Bei dem DC-Regler kann es sich um einen klassischen Kaskadenregler (Spannungsregler mit unterlagerter Stromregelung) handeln. Mit einem solchen Reglerkonzept können sowohl die DC- bzw. Gleichspannung als auch der Strom geregelt werden.The DC controller can be a classic cascade controller (voltage controller with subordinate current control). With such a controller concept, both the DC or DC voltage and the current can be controlled.

Zum Anregeln einer DC-Spannung und zum weiteren Glätten der Stromrippel kann am Ausgang der Drossel noch ein Zwischenkreiskondensator eingebaut werden, wie in den 1 und 2 schon gezeigt. Höhere Ausgangsströme können durch das Parallelschalten zusätzlicher Wechselrichter realisiert werdenTo regulate a DC voltage and to further smooth the current ripple, an intermediate circuit capacitor can be installed at the output of the choke, as in the 1 and 2nd already shown. Higher output currents can be achieved by connecting additional inverters in parallel

Werden die Halbbrücken der zusätzliche Wechselrichter ebenfalls in die phasenverschobene (zeitversetzte) Ansteuerung eingebunden, können die Ausgangsfrequenzen nochmals vervielfacht werdenIf the half bridges of the additional inverters are also integrated in the phase-shifted (time-shifted) control, the output frequencies can be multiplied again

Claims (10)

Verfahren zum Wandeln einer ersten Gleichspannung (U1) in eine zweite Gleichspannung (U2), wobei die erste Gleichspannung (U1) mittels wenigstens eines Wechsel- oder Frequenzumrichters (110, 210) in eine Wechselspannung gewandelt wird, und wobei die Wechselspannung mittels wenigstens einer Drossel (L) in die zweite Gleichspannung (U2) gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halbbrücken (H1, H2, H3) des Wechsel- oder Frequenzumrichters (110, 210) zeitversetzt zueinander angesteuert werden.Method for converting a first DC voltage (U 1 ) into a second DC voltage (U 2 ), the first DC voltage (U 1 ) being converted into an AC voltage by means of at least one AC or frequency converter (110, 210), and the AC voltage using at least one inductor (L) is converted into the second DC voltage (U 2 ), characterized in that several half-bridges (H 1 , H 2 , H 3 ) of the AC or frequency converter (110, 210) are driven at different times from one another. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wechselspannung mittels genau einer Drossel (L) in die zweite Gleichspannung (U2) gewandelt wird, wobei die Halbbrücken (H1, H2, H3) parallel geschaltet und an die Drossel (L) angeschlossen sind.Procedure according to Claim 1 , the AC voltage being converted into the second DC voltage (U 2 ) by means of exactly one choke (L), the half bridges (H 1 , H 2 , H 3 ) being connected in parallel and connected to the choke (L). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wechselspannung mittels jeweils einer Drossel (L) pro Halbbrücke (H1, H2, H3) in die zweite Gleichspannung (U2) gewandelt wird, wobei jede Halbbrücke (H1, H2, H3) an die jeweilige Drossel (L) angeschlossen ist.Procedure according to Claim 1 , the alternating voltage being converted into the second direct voltage (U 2 ) by means of one inductor (L) per half bridge (H 1 , H 2 , H 3 ), each half bridge (H 1 , H 2 , H 3 ) being connected to the respective one Throttle (L) is connected. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Gleichspannung (U2) einen geringeren Spannungswert als die erste Gleichspannung (U1) aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the second DC voltage (U 2 ) has a lower voltage value than the first DC voltage (U 1 ). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mehreren Halbbrücken (H1, H2, H3) des Wechsel- oder Frequenzumrichters (110, 210) gleichmäßig zueinander zeitversetzt angesteuert werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the plurality of half-bridges (H 1 , H 2 , H 3 ) of the AC or frequency converter (110, 210) are controlled evenly staggered in time. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei Wechsel- oder Frequenzumrichter parallel geschaltet werden.Method according to one of the preceding claims, wherein at least two AC or frequency converters are connected in parallel. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in den Halbbrücken (H1, H2, H3) des wenigstens einen Wechsel- oder Frequenzumrichters (110, 210) IGBTs als Schaltelemente verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, wherein IGBTs are used as switching elements in the half bridges (H 1 , H 2 , H 3 ) of the at least one AC or frequency converter (110, 210). Anordnung (100, 200) mit wenigstens einem Wechsel- oder Frequenzumrichter (110, 210) und einer Recheneinheit (190, 290), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Arrangement (100, 200) with at least one AC or frequency converter (110, 210) and a computing unit (190, 290), which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims. Computerprogramm umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung (100, 200) des Anspruchs 8 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.Computer program comprising instructions that cause the arrangement (100, 200) of the Claim 8 the process steps according to one of the Claims 1 to 7 executes. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.Machine-readable storage medium with a computer program stored on it Claim 9 .
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