DE102019212175A1 - Electronic device and method of operating an electronic device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Geräts (1), wobei das elektronische Gerät (1) eine Vielzahl von parallelgeschalteten Dual-Active-Bridge-Wandlern (21-2N) aufweist, wobei die Dual-Active-Bridge-Wandler (21-2N) mit sich zumindest teilweise voneinander unterscheidenden Regelungsparametern geregelt werden, wobei die Regelungsparameter derart gewählt werden, dass sich Totzeitbereiche der Dual-Active-Bridge-Wandler (21-2N) zumindest teilweise voneinander unterscheiden, um die Regelbarkeit des elektronischen Gerätes zu verbessern.The invention relates to a method for operating an electronic device (1), the electronic device (1) having a plurality of dual-active-bridge converters (21-2N) connected in parallel, the dual-active-bridge converters (21 -2N) can be controlled with at least partially differing control parameters, the control parameters being selected in such a way that dead time ranges of the dual-active-bridge converters (21-2N) differ at least partially from one another in order to improve the controllability of the electronic device.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät und ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Geräts. Das elektronische Gerät kann insbesondere ein Umrichter sein.The present invention relates to an electronic device and a method for operating an electronic device. The electronic device can in particular be a converter.
Stand der TechnikState of the art
Dual-Active-Bridge-Wandler sind bidirektionale DC/DC-Wandler mit zwei Halbleiter-Vollbrücken, welche aufgrund ihrer Kompaktheit gegenüber zwei getrennten Wandlern in Anwendungen mit begrenztem Bauraum von Vorteil sind. Weitere Vorteile sind eine galvanische Potentialtrennung und eine gute Parallelisierbarkeit. Ein Detektionsverfahren unter Verwendung von Dual-Active-Bridge-Wandlern ist aus der
Die vom Betriebspunkt abhängigen Kenngrößen werden durch Totzeiteffekte beeinflusst. Eine genauere Diskussion dieses Effekts findet sich in
Totzeiteffekte beeinflussen die Regelbarkeit des Systems. Unter einer Totzeit ist hierbei die Zeitspanne zwischen einer Signaländerung am Systemeingang und einer Signalantwort am Systemausgang einer Regelstrecke zu verstehen. Bei signifikanten Totzeiten kann es vorkommen, dass eine Erhöhung der Stellgröße nicht die gewünschte Wirkung auf die Ausgangsgröße hat. Derartige Totzeiten treten für Dual-Active-Bridge-Wandler im Übergangsbereich zwischen einem hartschaltenden und einem weichschaltenden Betrieb auf, sodass dieser Übergangsbereich als Totzeitbereich beschrieben werden kann. Dadurch kann es in Abhängigkeit vom Betriebspunkt und von dem Übergangsbereich zur Stagnation der Stellgröße in der Regelstrecke oder zur Selbstverstärkung der Stellgröße kommen. Falls mehrere Dual-Active-Bridge-Wandler parallel betrieben werden, kann es zur Verstärkung dieses unerwünschten Effekts kommen. Es besteht daher Bedarf, den Betrieb von parallelgeschalteten Dual-Active-Bridge-Wandlern zu verbessern.Dead-time effects influence the controllability of the system. A dead time is to be understood here as the time span between a signal change at the system input and a signal response at the system output of a controlled system. With significant dead times, it can happen that an increase in the manipulated variable does not have the desired effect on the output variable. Such dead times occur for dual-active bridge converters in the transition area between hard-switching and soft-switching operation, so that this transition area can be described as a dead time area. This can lead to stagnation of the manipulated variable in the controlled system or self-amplification of the manipulated variable, depending on the operating point and the transition area. If several dual-active bridge converters are operated in parallel, this undesirable effect can be amplified. There is therefore a need to improve the operation of dual active bridge converters connected in parallel.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Geräts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein elektronisches Gerät mit den Merkmalen des Patentanspruch 9 bereit.The invention provides a method for operating an electronic device having the features of
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.
Gemäß dem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Geräts, welches eine Vielzahl von parallelgeschalteten Dual-Active-Bridge-Wandlern aufweist. Die Dual-Active-Bridge-Wandler werden mit zumindest teilweise voneinander verschiedenen Regelungsparametern geregelt. Die Regelungsparameter werden derart gewählt, dass sich Totzeitbereiche der Dual-Active-Bridge-Wandler zumindest teilweise voneinander unterscheiden.According to the first aspect, the invention accordingly relates to a method for operating an electronic device which has a plurality of dual-active-bridge converters connected in parallel. The dual-active bridge converters are controlled with at least partially different control parameters. The control parameters are selected in such a way that dead time ranges of the dual active bridge converters differ from one another at least partially.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein elektronisches Gerät mit einer Vielzahl von parallelgeschalteten Dual-Active-Bridge-Wandlern sowie einer Regelungseinrichtung zum Regeln der parallelgeschalteten Dual-Active-Bridge-Wandler. Die Regelungseinrichtung regelt die Dual-Active-Bridge-Wandler mit sich zumindest teilweise voneinander unterscheidenden Regelungsparametern. Die Regelungseinrichtung wählt die Regelungsparameter derart, dass sich Totzeitbereiche der Dual-Active-Bridge-Wandler zumindest teilweise voneinander unterscheiden.According to a second aspect, the invention accordingly relates to an electronic device with a multiplicity of parallel-connected dual-active-bridge converters and a control device for controlling the parallel-connected dual-active-bridge converters. The control device controls the dual-active bridge converter with control parameters which at least partially differ from one another. The control device selects the control parameters in such a way that dead time ranges of the dual-active bridge converters differ from one another at least partially.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Eine der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, zu verhindern, dass sämtliche Dual-Active-Bridge-Wandler sich gleichzeitig in einem Totzeitbereich befinden, wodurch eine starke Beeinflussung der betriebspunktabhängigen Kenngrößen resultieren würde. Durch eine unterschiedliche Ansteuerung der verschiedenen Dual-Active-Bridge-Wandler wird erreicht, dass sich höchstens eine Teilmenge der Dual-Active-Bridge-Wandler zur selben Zeit im Totzeitbereich befindet. Dadurch wird ein Aufaddieren der Totzeiteffekte verhindert oder doch zumindest reduziert. Der Einfluss der Totzeiteffekte auf das Regelverhalten bei parallelgeschalteten, geregelten Dual-Active-Bridge-Wandlern wird verringert. Die Regelbarkeit der Dual-Active-Bridge-Wandler wird verbessert.One idea on which the invention is based is to prevent all dual-active bridge converters from being in a dead time range at the same time, which would result in a strong influence on the operating point-dependent parameters. Different activation of the various dual-active bridge converters ensures that at most a subset of the dual-active bridge converters is in the dead time range at the same time. This prevents or at least reduces the dead-time effects from adding up. The influence of dead-time effects on the control behavior in the case of controlled dual-active-bridge converters connected in parallel is reduced. The controllability of the dual active bridge converter is improved.
Unter Regelungsparameter werden Größen verstanden, welche bei dem Regelverfahren verwendet werden oder dieses beeinflussen. Regelparameter umfasst insbesondere Führungsgrößen, Sollwerte, Stellgrößen und Stellwerte.Control parameters are understood to mean variables which are used in the control method or which influence it. Control parameters include, in particular, reference variables, setpoints, manipulated variables and manipulated variables.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die sich zumindest teilweise voneinander unterscheidenden Regelparameter Sollwerte für Ausgangsströme der Dual-Active-Bridge-Wandler. Die Ausgangsströme werden somit asymmetrisch aufgeteilt. Die Totzeitbereiche hängen von den Ausgangsströmen ab, sodass bei hinreichend unterschiedlich gewählten Ausgangsströmen sich voneinander unterscheidende Totzeitbereiche erzielt werden.According to one embodiment of the method, the control parameters which at least partially differ from one another comprise setpoint values for output currents of the dual-active bridge converters. The output currents are thus divided asymmetrically. The dead time ranges depend on the output currents, so that when the output currents selected are sufficiently different, dead time ranges that differ from one another are achieved.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens unterscheiden sich die Sollwerte für die Ausgangsströme der Dual-Active-Bridge-Wandler im gesamten Betriebsbereich der Dual-Active-Bridge-Wandler zumindest teilweise voneinander.According to a further embodiment of the method, the setpoint values for the output currents of the dual-active bridge converters differ at least partially from one another in the entire operating range of the dual-active bridge converters.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens unterscheiden sich die Sollwerte für die Ausgangsströme der Dual-Active-Bridge-Wandlern in den jeweiligen Totzeitbereichen, d.h. in den Übergangsbereichen zwischen einem hartschaltenden Betrieb und einem weichschaltenden Betrieb der Dual-Active-Bridge-Wandlern, zumindest teilweise voneinander. Bei dieser Betriebsstrategie wird ein Effekt auf die elektromagnetische und thermische Auslegung der einzelnen Dual-Active-Bridge-Wandler vermieden oder zumindest reduziert.According to a further embodiment of the method, the setpoints for the output currents of the dual-active bridge converters differ at least partially from one another in the respective dead time ranges, ie in the transition regions between hard-switching operation and soft-switching operation of the dual-active-bridge converters . With this operating strategy, an effect on the electromagnetic and thermal design of the individual dual-active bridge converters is avoided or at least reduced.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfassen die sich zumindest teilweise voneinander unterscheidenden Regelungsparameter Phasenwinkel zum Ansteuern der Dual-Active-Bridge-Wandler. Die Phasenwinkel (auch Ansteuerwinkel oder Steuerwinkel oder englisch „power angle“ genannt) werden von einer Regelungseinrichtung eingestellt, um auf einen vorgegebenen Sollwert für den Ausgangsstrom der Dual-Active-Bridge-Wandler zu regeln. Die Betriebsstrategie, wonach unterschiedliche Phasenwinkel eingestellt werden, macht sich zu Nutze, dass für eine vorgegebene Sollgröße für den Ausgangsstrom eines Dual-Active-Bridge-Wandlers unterschiedliche Kombinationen von Phasenwinkeln gewählt werden können. Die Wahl der Phasenwinkel beeinflusst den Totzeitbereich, sodass dadurch, dass für verschiedene Dual-Active-Bridge-Wandler für identische Sollgrößen für den Ausgangsstrom unterschiedliche Kombinationen der Phasenwinkel gewählt werden, erreicht werden kann, dass sich Totzeitbereiche der Dual-Active-Bridge-Wandler zumindest teilweise voneinander unterscheiden.According to a further embodiment of the method, the at least partially differing control parameters include phase angles for controlling the dual-active bridge converter. The phase angles (also called control angle or control angle or “power angle”) are set by a control device in order to regulate to a specified setpoint for the output current of the dual-active bridge converter. The operating strategy, according to which different phase angles are set, makes use of the fact that different combinations of phase angles can be selected for a given setpoint value for the output current of a dual-active bridge converter. The choice of the phase angle influences the dead time range, so that by choosing different combinations of the phase angles for different dual active bridge converters for identical nominal values for the output current, it can be achieved that dead time ranges of the dual active bridge converters at least partially differ from each other.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die Phasenwinkel zum Ansteuern der Dual-Active-Bridge-Wandler eine zeitliche Verschiebung zwischen Spannungspulsen auf einer Primärseite und einer Sekundärseite der Dual-Active-Bridge-Wandler.According to one embodiment of the method, the phase angles for driving the dual-active-bridge converters include a time shift between voltage pulses on a primary side and a secondary side of the dual-active-bridge converters.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Phasenwinkel der Dual-Active-Bridge-Wandler anhand sich zumindest teilweise unterscheidender Look-up-Tabellen eingestellt. Die Einstellungen der Phasenwinkel werden somit für vorgegebene Ausgangsströme der Dual-Active-Bridge-Wandler in einer Vielzahl von sich zumindest teilweise unterscheidenden Look-up-Tabellen gespeichert, auf welche eine Regelungseinrichtung zum Regeln der Dual-Active-Bridge-Wandler zugreift. Insbesondere können die Look-up-Tabellen in einem Speicher der Regelungseinrichtung gespeichert sein.According to one embodiment of the invention, the phase angles of the dual-active bridge converters are set using at least partially different look-up tables. The settings of the phase angles are thus stored for predetermined output currents of the dual-active bridge converter in a large number of at least partially different look-up tables, which are accessed by a control device for controlling the dual-active bridge converter. In particular, the look-up tables can be stored in a memory of the control device.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des elektronischen Geräts umfassen die sich zumindest teilweise voneinander unterscheidenden Regelungsparameter Sollwerte für Ausgangsströme der Dual-Active-Bridge-Wandler und/oder Phasenwinkel zum Ansteuern der Dual-Active-Bridge-Wandler.According to a preferred development of the electronic device, the control parameters, which at least partially differ from one another, comprise setpoint values for output currents of the dual-active bridge converters and / or phase angles for controlling the dual-active bridge converters.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockdiagramm eines elektronischen Geräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
2 ein schematisches Blockdiagramm von parallelgeschalteten Dual-Active-Bridge-Wandlern des elektronischen Geräts; -
3 ein schematisches Blockdiagramm eines einzelnen Dual-Active-Bridge-Wandlers; -
4 ein Schaltbild eines Dual-Active-Bridge-Wandlers; -
5 schematische Spannungsverläufe beim Betreiben eines elektronischen Geräts; -
6 schematische Zeitabhängigkeiten eines Phasenwinkels und Ausgangsstroms bei sich verändernder Last; -
7 schematische Zeitabhängigkeiten des Ausgangsstroms bei sich verändernder Last bei asymmetrischer Aufteilung der Sollwerte für die Ausgangsströme der Dual-Active-Bridge-Wandler im gesamten Betriebsbereich; -
8 schematische Zeitabhängigkeiten des Ausgangsstroms bei sich verändernder Last bei asymmetrischer Aufteilung der Sollwerte für die Ausgangsströme der Dual-Active-Bridge-Wandler im Totzeitbereich; und -
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektronischen Geräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
1 a schematic block diagram of an electronic device according to an embodiment of the invention; -
2 a schematic block diagram of parallel-connected dual active bridge converters of the electronic device; -
3 a schematic block diagram of a single dual active bridge converter; -
4th a circuit diagram of a dual active bridge converter; -
5 schematic voltage curves when operating an electronic device; -
6th schematic time dependencies of a phase angle and output current with a changing load; -
7th Schematic time dependencies of the output current with changing load with asymmetrical distribution of the setpoints for the output currents of the dual-active-bridge converter in the entire operating range; -
8th Schematic time dependencies of the output current with changing load with asymmetrical distribution of the setpoint values for the output currents of the dual-active-bridge converter in the dead time range; and -
9 a flow diagram of a method for operating an electronic device according to an embodiment of the invention.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally identical elements and devices are provided with the same reference symbols in all figures.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Das elektronische Gerät
Die Regelungseinrichtung
Die Regelungseinrichtung
Die Werte der Ausgangsströme Is,DC,n der Dual-Active-Bridge-Wandler
Zusätzlich oder alternativ kann die Regelungseinrichtung
In
Der Ausgangsstrom Is,DC ist eine Funktion der Phasenwinkel, Is,DC(α, β, δ). Die Regelungseinrichtung
Unterschiedliche Phasenwinkel αn, βn, δn können denselben Ausgangsstrom Is,DC ergeben. Für zumindest teilweise unterschiedliche Kombinationen von Phasenwinkel αn, βn, δn für verschiedene Dual-Active-Bridge-Wandler
Die Phasenwinkel α, β, δ und/oder die Ausgangsströme Is,DC der Dual-Active Bridge-Wandler
In einem ersten Verfahrensschritt
In einem zweiten Verfahrensschritt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 3285382 A1 [0002]EP 3285382 A1 [0002]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- Song et al., „Dead-time effect analysis of dual active bridge DC-DC converter with dual-phase-shift control“, Proceedings of the 2017 Chinese Automation Congress (CAC), Jinan, China, 20-22 October 2017; pp. 6545-6550 [0003]Song et al., "Dead-time effect analysis of dual active bridge DC-DC converter with dual-phase-shift control", Proceedings of the 2017 Chinese Automation Congress (CAC), Jinan, China, October 20-22, 2017; pp. 6545-6550 [0003]
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CN114024437A (en) * | 2022-01-04 | 2022-02-08 | 深圳市永联科技股份有限公司 | Method for adjusting dead zone of bridge arm and related equipment |
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2019
- 2019-08-14 DE DE102019212175.6A patent/DE102019212175A1/en active Pending
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CN114024437B (en) * | 2022-01-04 | 2022-04-08 | 深圳市永联科技股份有限公司 | Method for adjusting dead zone of bridge arm and related equipment |
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