DE102020106660A1 - Method for operating an electronic power converter and electronic power converter - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren dient zum Betreiben eines elektronischen Leistungswandlers (1), wobei der Wandler (1) umfasst:• eine primäre Brücke (23) zwischen einer primären Zwischenkreisspannung Vund einer Primärseite eines Transformators (3),• und eine sekundäre Brücke (43) zwischen einer sekundären Zwischenkreisspannung Vund einer Sekundärseite des Transformators (3).Um einen Fluss von elektrischer Leistung von der Primärseite zu der Sekundärseite des Wandlers (1) zu steuern, werden die folgenden Schritte ausgeführt:• Auswählen, im Hinblick auf einen Arbeitspunkt des Wandlers (1), eines Leitungsmodus für den Betrieb des Wandlers (1) und eines entsprechenden Tastgrads d und einer entsprechenden Phasenverschiebung g,• Steuern der primären Brücke (23), um Spannungsimpulse mit einem Tastgrad d, zum Transformator (3) zuzuführen,• Steuern der sekundären Brücke (43) durch aktives Schalten von nur zwei Schalteinheiten, um Spannungsimpulse mit einer Phasenverschiebung g zum Transformator (3) zuzuführen.A method is used to operate an electronic power converter (1), the converter (1) comprising: • a primary bridge (23) between a primary intermediate circuit voltage V and a primary side of a transformer (3), • and a secondary bridge (43) between a secondary intermediate circuit voltage V and a secondary side of the transformer (3). In order to control a flow of electrical power from the primary side to the secondary side of the converter (1), the following steps are carried out: • Select, with regard to an operating point of the converter (1) , a line mode for the operation of the converter (1) and a corresponding duty cycle d and a corresponding phase shift g, • controlling the primary bridge (23) to supply voltage pulses with a duty cycle d to the transformer (3), • controlling the secondary bridge (43) by actively switching only two switching units in order to supply voltage pulses with a phase shift g to the transformer (3).
Description
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungselektronik, insbesondere Leistungswandler, und insbesondere Leistungswandlungen, die in Bord-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Sie betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Leistungswandlers und einen elektronischen Leistungswandler wie im Oberbegriff der entsprechenden unabhängigen Ansprüche beschrieben.The invention relates to the field of power electronics, in particular power converters, and more particularly power converters used in on-board chargers for electric vehicles. It relates to a method for operating an electronic power converter and an electronic power converter as described in the preamble of the corresponding independent claims.
Die Anforderungen an Bord-Ladegeräte (OBCs) von Elektrofahrzeugen (EV) spezifizieren oft bidirektionale Leistungsübertragungsfähigkeit. Die Hauptanwendung dafür ist eine Aufladung von Fahrzeug zu Fahrzeug (V2V), welche die Aufladung der leeren Batterie eines EV aus der vollen Batterie eines anderen EV ermöglicht. Andere Anwendungen sind Fahrzeug zu Last (V2L), was bedeutet, dass das Fahrzeug Wechselleistung für elektrische Vorrichtungen bereitstellt, die an einen Stecker im EV angeschlossen sind, oder Fahrzeug zu Netz (V2G), wobei das EV bei Spitzennachfrage Leistung an das Versorgungsnetz bereitstellt.The requirements for on-board chargers (OBCs) of electric vehicles (EV) often specify bidirectional power transfer capability. The main application for this is vehicle-to-vehicle (V2V) charging, which enables the empty battery of one EV to be charged from the full battery of another EV. Other uses are vehicle-to-load (V2L), which means that the vehicle provides alternating power to electrical devices connected to a plug in the EV, or vehicle-to-grid (V2G), with the EV providing power to the utility grid at peak times.
OBCs bestehen üblicherweise aus einem Leistungsfaktorkompensations(PFC)-Gleichrichter, gefolgt von einem isolierten DCDC-Wandler. Für unidirektionale OBCs nach dem Stand der Technik wird die allgemein bekannte Resonanzwandler-LLC-Topologie häufig für die DCDC-Wandlerstufe verwendet. Da die LLC eine unidirektionale Topologie ist, muss sie für bidirektionale Leistungsübertragung auf die CLLC ausgeweitet werden. Die CLLC stellt typischerweise nur 50 % der Ladeleistung im Entlademodus bereit, da die Sekundärseite im Halbbrückenmodus läuft, d. h. die IGBT der unteren Seite ist kontant im Entlademodus. Außerdem übernimmt die CLLC die Nachteile der LLC, nämlich variable Schaltfrequenz und die notwendigen Resonanzkondensatoren.OBCs typically consist of a power factor compensation (PFC) rectifier followed by an isolated DCDC converter. For unidirectional OBCs according to the prior art, the well-known resonant converter LLC topology is often used for the DCDC converter stage. Since the LLC is a unidirectional topology, it must be extended to the CLLC for bidirectional power transmission. The CLLC typically only provides 50% of the charging power in the discharge mode, since the secondary side runs in half-bridge mode, i.e. H. the lower side IGBT is constantly in discharge mode. In addition, the CLLC takes over the disadvantages of the LLC, namely variable switching frequency and the necessary resonance capacitors.
Eine Alternative zur CLLC ist der duale aktive Brücken(DAB)-Wandler (
Der DAB-Wandler umfasst zwei Vollbrücken, eine auf der Primär- und eine auf der Sekundärseite eines Transformators, mit definierter integrierter Streu- und Magnetisierungsinduktivität. Es gibt drei Steuervariablen: den primären Tastgrad, den sekundären Tastgrad und die Phasenverschiebung zwischen der Primär- und Sekundärseite. Da alle drei Steuervariablen die Ausgangsleistung beeinflussen, gibt es zwei Freiheitsgrade, die genutzt werden können, um sicherzustellen, dass Nullspannungsschaltung (ZVS) an den Haltleiterschaltern, typischerweise MOSFETs, erreicht wird und Leitungsverluste minimiert werden. ZVS wird jedoch nur erreicht, wenn die Schalter auf exakt richtige Weise gesteuert werden. Es wurde gezeigt, wie dies theoretisch möglich ist, aber dabei werden reale Bedingungen wie Komponententoleranzen, Messfehler, parasitäre Kapazitäten und Körperdiodenrückwärtserholzeit nicht berücksichtigt und können zu Betriebsbedingungen führen, unter denen die ZVS verloren geht.The DAB converter comprises two full bridges, one on the primary and one on the secondary side of a transformer, with defined integrated leakage and magnetizing inductance. There are three control variables: the primary duty cycle, the secondary duty cycle and the phase shift between the primary and secondary sides. Since all three control variables affect the output power, there are two degrees of freedom that can be used to ensure that zero voltage switching (ZVS) is achieved on the semiconductor switches, typically MOSFETs, and that conduction losses are minimized. However, ZVS is only achieved if the switches are controlled in exactly the right way. It was shown how this is theoretically possible, but real conditions such as component tolerances, measurement errors, parasitic capacitances and body diode recovery time are not taken into account and can lead to operating conditions under which the ZVS is lost.
Die folgenden Veröffentlichungen offenbaren die Verwendung von dualen aktiven Brückenschaltungen:
- •
Krismer F. et al: Performance Optimization of a High Current Dual Active Bridge with a Wide Operating Voltage Range, POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE, 2006. IEEE June 18, 2006. - •
Florian Krismer: Modeling and optimization of bidirectional dual active bridge DC-DC converter topologies, DISS. ETH NO. 19177 (2010) - • Nikolas Schibli: Symmetrical multilevel converters with two quadrant DC-DC feeding. École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Dissertation N° 2200 (2000) -
Chapter 4.
- •
Krismer F. et al: A comparative evaluation of isolated bi-directional DC/DC converters with wide input and output voltage ranges, Conference Record of the 2005 IEEE Industry Applications Conference Fortieth LAS Annual Meeting, IEEE CAT., Bd. 1, 2. Oktober 2005 (2005-10-02). - •
US 2015/365005 A1 - •
CH 707 553 A2
- •
Krismer F. et al: Performance Optimization of a High Current Dual Active Bridge with a Wide Operating Voltage Range, POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE, 2006. IEEE June 18, 2006. - •
Florian Krismer: Modeling and optimization of bidirectional dual active bridge DC-DC converter topologies, DISS. ETH NO. 19177 (2010) - • Nikolas Schibli: Symmetrical multilevel converters with two quadrant DC-DC feeding. École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Dissertation N ° 2200 (2000) -
Chapter 4.
- •
Krismer F. et al: A comparative evaluation of isolated bi-directional DC / DC converters with wide input and output voltage ranges, Conference Record of the 2005 IEEE Industry Applications Conference Fortieth LAS Annual Meeting, IEEE CAT., Vol. 1, 2. October 2005 (2005-10-02). - •
US 2015/365005 A1 - •
CH 707 553 A2
Alle darin dargelegten Schaltungen und Steuerverfahren weisen jedoch die vorgenannten Probleme auf.However, all of the circuits and control methods presented therein have the aforementioned problems.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Leistungswandlers und einen elektronischen Leistungswandler des eingangs genannten Typs zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile überwinden. Insbesondere kann das Ziel darin bestehen, Schaltverluste unter Umständen zu verringern, unter denen den Betrieb der Schaltung beeinflussende Parameter nicht vollständig bekannt oder kontrollierbar sind. Das Ziel kann darin bestehen, ein alternatives Verfahren zur Verringerung von Schaltverlusten in einem Wandler, insbesondere in einem dualen aktiven Brückenwandler, bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide a method for operating an electronic power converter and an electronic power converter of the type mentioned at the outset which overcome the disadvantages mentioned above. In particular, the goal can be to reduce switching losses To reduce circumstances under which parameters affecting the operation of the circuit are not fully known or controllable. The aim may be to provide an alternative method of reducing switching losses in a converter, particularly in a dual active bridge converter.
Diese Ziele werden durch Verfahren zum Betreiben eines elektronischen Leistungswandlers und einen elektronischen Leistungswandler gemäß den entsprechenden unabhängigen Ansprüchen erreicht.These objects are achieved by methods of operating an electronic power converter and an electronic power converter according to the respective independent claims.
Das Verfahren dient zum Betreiben eines elektronischen Leistungswandlers, wobei der Wandler Folgendes umfasst:
- • eine primäre Brückenschaltung, die angeordnet ist, um zumindest eine primäre Zwischenkreisspannung Vp (oder Eingangsgleichspannung) von einer Primärseite des Wandlers, oder die invertierte primäre Zwischenkreisspannung ―Vp , zu einer Primärseite eines Transformators zuzuführen,
- • und eine sekundäre Brückenschaltung, die angeordnet ist, um zumindest eine sekundäre Zwischenkreisspannung Vs (Ausgangsgleichspannung) von einer Sekundärseite des Wandlers, oder die invertierte sekundäre Zwischenkreisspannung ―Vs , zu einer Sekundärseite des Transformators zuzuführen, wobei die sekundäre Brückenschaltung zwei Halbbrücken umfasst, wobei jede Halbbrücke eine obere und eine untere Schalteinheit umfasst,
- • a primary bridge circuit which is arranged to supply at least one primary intermediate circuit voltage V p (or input DC voltage) from a primary side of the converter, or the inverted primary intermediate circuit voltage ―V p , to a primary side of a transformer,
- • and a secondary bridge circuit which is arranged to supply at least one secondary intermediate circuit voltage V s (DC output voltage) from a secondary side of the converter, or the inverted secondary intermediate circuit voltage ―V s , to a secondary side of the transformer, the secondary bridge circuit comprising two half bridges, each half bridge comprising an upper and a lower switching unit,
Das Verfahren umfasst folgende Schritte, um einen Fluss von elektrischer Leistung von der Primärseite zu der Sekundärseite des Wandlers zu steuern:
- • Bestimmen eines Arbeitspunkts des Wandlers, wobei der Arbeitspunkt eine Funktion der primären Zwischenkreisspannung Vp , der sekundären Zwischenkreisspannung Vs und der elektrischen Leistung P, die von der Primärseite zu der Sekundärseite übertragen werden soll, ist,
- • Bestimmen, aus dem Arbeitspunkt, eines ausgewählten Leitungsmodus für den Betrieb des Wandlers, wobei der ausgewählte Leitungsmodus einer von zumindest drei Leitungsmodi ist,
- • für den ausgewählten Leitungsmodus, Bestimmen eines Tastgradwerts d und eines Phasenverschiebungswerts g,
- • für den ausgewählten Leitungsmodus, Steuern der primären Brückenschaltung, um abwechselnd positive und negative Spannungsimpulse zur Primärseite des Transformators zuzuführen, wobei die Spannungsimpulse in Bezug auf eine Schaltperiode einen Tastgrad gemäß dem Tastgradwert d aufweisen,
- • für den ausgewählten Leitungsmodus, Steuern der sekundären Brückenschaltung durch aktives Schalten von nur zwei der Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung, um abwechselnd positive und negative Spannungsimpulse zur Sekundärseite des Transformators zuzuführen, wobei die Spannungsimpulse eine Phasenverschiebung in Bezug auf die Spannungsimpulse, die zur Primärseite des Transformators zugeführt werden, gemäß dem Phasenverschiebungswert g aufweisen.
- • Determination of an operating point of the converter, the operating point being a function of the primary intermediate circuit voltage V p , the secondary intermediate circuit voltage V s and the electrical power P that is to be transmitted from the primary side to the secondary side,
- • Determination, from the operating point, of a selected line mode for the operation of the converter, the selected line mode being one of at least three line modes,
- • for the selected line mode, determining a duty cycle value d and a phase shift value g,
- • for the selected line mode, controlling the primary bridge circuit in order to alternately supply positive and negative voltage pulses to the primary side of the transformer, the voltage pulses having a duty cycle in relation to a switching period according to the duty cycle value d,
- • for the selected line mode, controlling the secondary bridge circuit by actively switching only two of the switching units of the secondary bridge circuit in order to alternately supply positive and negative voltage pulses to the secondary side of the transformer, the voltage pulses being a phase shift with respect to the voltage pulses leading to the primary side of the transformer are supplied, according to the phase shift value g.
Das ermöglicht die Steuerung des Leistungsflusses durch den Wandler unter Verwendung von nur zwei Variablen- der Tastgradwert d und ein Phasenverschiebungswert g - und eine Reduktion von Schaltverlusten in der sekundären Brückenschaltung, da seine restlichen Schalteinheiten, typischerweise zwei, nicht aktiv geschaltet werden. Sie werden nur passiv geschaltet.This enables the power flow through the converter to be controlled using only two variables - the duty cycle value d and a phase shift value g - and a reduction in switching losses in the secondary bridge circuit, since its remaining switching units, typically two, are not actively switched. They are only switched to passive.
Aktives Schalten oder aktives Steuern eines Schalters oder einer Schalteinheit bedeutet, dass ein aktiver Schalter durch ein Schaltsignal oder Gate-Signal gesteuert wird, um den Schalter ein- und auszuschalten. Ein entsprechender Gate-Anschluss des Schalters ist separat von Anschlüssen, durch die ein Strom fließt, der geschaltet wird. Im Gegensatz dazu findet passives Schalten statt, wenn eine Spannung an einer Diode ihre Polarität ändert, was dazu führt, dass die Diode den Strom sperrt oder den Strom durch die Diode leitet. Eine Schalteinheit, die aktiv geschaltet wird, umfasst einen aktiven Schalter und typischerweise eine parallele Freilaufdiode. Eine Schalteinheit, die nur passiv geschaltet wird, kann in einem bestimmten Betriebsmodus nur eine Diode umfassen. Sie kann parallel zu der Diode auch einen aktiven Schalter umfassen, der jedoch nicht in dem bestimmten Betriebsmodus betrieben wird. Somit kann eine Schalteinheit, die nur als Diode arbeitet, durch eine Diode alleine oder durch eine Diode mit einem aktiven Schalter parallel dazu implementiert sein, wobei der aktive Schalter nicht betrieben wird.Active switching or active control of a switch or a switching unit means that an active switch is controlled by a switching signal or gate signal in order to switch the switch on and off. A corresponding gate connection of the switch is separate from connections through which a current flows and is switched. In contrast, passive switching takes place when a voltage across a diode changes polarity, which causes the diode to block the current or to pass the current through the diode. A switching unit that is switched to active comprises an active switch and typically a parallel freewheeling diode. A switching unit that is only switched passively can only include one diode in a certain operating mode. It can also include an active switch in parallel with the diode, which switch, however, is not operated in the specific operating mode. Thus, a switching unit that only works as a diode can be implemented by a diode alone or by a diode with an active switch in parallel therewith, the active switch not being operated.
Es versteht sich, dass beim aktiven Schalten von nur zwei der Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung und nur passiven Schalten der restlichen Schalteinheiten dies für den ausgewählten Leitungsmodus erfolgt, d. h. über eine Vielzahl von Schaltperioden. Mit anderen Worten trifft für die Dauer einer Vielzahl von Schaltperioden der Fall zu, dass nur zwei der Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung aktiv geschaltet werden, während die restlichen beiden passiv geschaltet werden. Solch eine Vielzahl von Schaltperioden kann beispielsweise zehn oder fünfzig oder hundert oder mehr Schaltperioden umfassen.It goes without saying that when only two of the switching units of the secondary bridge circuit are actively switched and the remaining switching units are only switched passively, this takes place for the selected line mode, ie over a large number of switching periods. In other words, for the duration of a large number of switching periods, the case applies that only two of the switching units of the secondary bridge circuit are active can be switched, while the remaining two are switched passively. Such a plurality of switching periods may include, for example, ten or fifty or one hundred or more switching periods.
Die Schaltperiode ist die kürzeste Zeitdauer, nach der sich das Muster oder die Sequenz von Schaltvorgängen des Wandlers wiederholt.The switching period is the shortest period of time after which the pattern or the sequence of switching processes of the converter repeats itself.
Die Phasenverschiebung zwischen positiven Spannungsimpulsen ist als Zeit zwischen den steigenden Flanken der Impulse dividiert durch die Schaltperiode definiert. Die Zeit zwischen den fallenden Flanken kann unterschiedlich sein.The phase shift between positive voltage pulses is defined as the time between the rising edges of the pulses divided by the switching period. The time between the falling edges can be different.
Die Phasenverschiebung zwischen negativen Spannungsimpulsen ist als Zeit zwischen den fallenden Flanken der Impulse dividiert durch die Schaltperiode definiert. Die Zeit zwischen den steigenden Flanken kann unterschiedlich sein.The phase shift between negative voltage pulses is defined as the time between the falling edges of the pulses divided by the switching period. The time between the rising edges can be different.
In Ausführungsformen,
- • umfasst der Schritt des Steuerns der sekundären Brückenschaltung, dass bei einer ersten und einer zweiten der aktiv geschalteten zwei Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung in jeder Schaltperiode nach der Phasenverschiebung die erste eingeschaltet und die zweite ausgeschaltet wird und dann,
- • nach einer Zeitdauer, die bis zur Hälfte der Schaltperiode beträgt, die erste ausgeschaltet und die zweite eingeschaltet wird.
- • the step of controlling the secondary bridge circuit comprises that in a first and a second of the two actively switched switching units of the secondary bridge circuit in each switching period after the phase shift, the first is switched on and the second switched off and then,
- • after a period of up to half the switching period, the first is switched off and the second switched on.
In Ausführungsformen ist die Zeitdauer gleich der Hälfte der Schaltperiode.In embodiments, the time period is equal to half the switching period.
In Ausführungsformen umfasst der Schritt des Steuerns der sekundären Brückenschaltung:
- • entweder aktives Schalten von nur unteren Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung, wobei obere Schalteinheiten nur als Dioden arbeiten,
- • oder aktives Schalten von nur oberen Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung, wobei untere Schalteinheiten nur als Dioden arbeiten.
- • either active switching of only lower switching units of the secondary bridge circuit, whereby upper switching units only work as diodes,
- • or active switching of only upper switching units of the secondary bridge circuit, with lower switching units only working as diodes.
Typischerweise sind die unteren Schalteinheiten zwischen Brückenmittelpunkten der sekundären Brückenschaltung und dem negativen Ausgangsanschluss angeordnet, und die oberen Schalteinheiten sind zwischen den Brückenmittelpunkten und dem positiven Ausgangsanschluss angeordnet.Typically, the lower switching units are arranged between the bridge centers of the secondary bridge circuit and the negative output terminal, and the upper switching units are arranged between the bridge centers and the positive output terminal.
In Ausführungsformen umfasst der Schritt des Steuerns der sekundären Brückenschaltung:
- • aktives Schalten von nur oberen und unteren Schalteinheiten von einer der Halbbrücken, wobei obere und untere Schalteinheiten der anderen Halbbrücke nur als Dioden arbeiten.
- • Active switching of only upper and lower switching units of one of the half bridges, whereby the upper and lower switching units of the other half bridge only work as diodes.
Typischerweise ist eine Totzeit zwischen dem Schalten der oberen und unteren Schalteinheiten eingefügt.Typically, a dead time is inserted between the switching of the upper and lower switching units.
In Ausführungsformen,
wird ein Beginn eines positiven oder negativen Spannungsimpulses, der an die Sekundärseite des Transformators angelegt wird, durch die zwei Schalteinheiten bestimmt, die aktiv geschaltet werden;
wird ein Ende eines positiven oder negativen Spannungsimpulses, der an die Sekundärseite des Transformators angelegt wird, durch eine der Schalteinheiten bestimmt wird, die nur als Dioden arbeiten und aufgrund eines Stroms, der durch die entsprechende Schalteinheit fließt, in einen Sperrzustand schalten, wodurch seine Richtung umgekehrt wird.In embodiments,
a beginning of a positive or negative voltage pulse, which is applied to the secondary side of the transformer, is determined by the two switching units which are switched to active;
one end of a positive or negative voltage pulse that is applied to the secondary side of the transformer is determined by one of the switching units, which only work as diodes and switch to a blocking state due to a current flowing through the corresponding switching unit, thereby changing its direction is reversed.
In Ausführungsformen umfassen die zumindest drei Leitungsmodi:
- • einen kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM), bei dem
- ◯ der Tastgrad der Primärseite gemäß dem Tastgradwert d abhängig vom Arbeitspunkt variiert wird, wenn Vs' < Vp, und konstant bei 50 % bleibt, wenn Vs' > Vp; wobei
- ◯ der Tastgrad der Primärseite gemäß dem Tastgradwert d abhängig vom Arbeitspunkt variiert wird, wenn Vs' < Vp, und konstant bei 50 % bleibt, wenn Vs' > Vp; wobei
- • einen ersten diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM1), bei dem
- ◯ der Tastgrad der Primärseite gemäß dem Tastgradwert d abhängig vom Arbeitspunkt variiert wird,
- • einen zweiten diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM2), bei dem
- ◯ der Tastgrad der Primärseite gemäß dem Tastgradwert d konstant bei 50 % bleibt.
- • a continuous line mode (CCM) in which
- ◯ the duty cycle of the primary side is varied according to the duty cycle value d depending on the operating point if V s '<V p , and remains constant at 50% if V s '> V p ; in which
- ◯ the duty cycle of the primary side is varied according to the duty cycle value d depending on the operating point if V s '<V p , and remains constant at 50% if V s '> V p ; in which
- • a first discontinuous conduction mode (DCM1) in which
- ◯ the duty cycle of the primary side is varied according to the duty cycle value d depending on the operating point,
- • a second discontinuous conduction mode (DCM2) in which
- ◯ the duty cycle of the primary side remains constant at 50% according to the duty cycle value d.
In Ausführungsformen werden Grenzen zwischen den Leitungsmodi abhängig vom Arbeitspunkt durch die folgenden Regeln bestimmt :
- • wenn Vs' < Vp und die Leistung P kleiner als
- • wenn Vs' > Vp und die Leistung P kleiner als
- • if V s '<V p and the power P less than
- • if V s '> V p and the power P less than
Die Grenzen zwischen Leitungsmodi, wie oben ausgedrückt, können unter Verwendung anderer Variablen des Wandlers, die mathematisch oder physikalisch äquivalent sind, durch andere Ausdrücke ersetzt werden.The boundaries between conduction modes as expressed above can be replaced by other expressions using other variables of the transducer that are mathematically or physically equivalent.
Wenn Leistung von der Sekundärseite übertragen werden soll, ist die Leistung P negativ. In diesem Fall wird die Definition der Primär- und Sekundärseite gewechselt, genau wie die Anzahl der Windungen auf den Transformatoren.If power is to be transferred from the secondary side, the power P is negative. In this case, the definition of the primary and secondary side is switched, just like the number of turns on the transformers.
Das Bestimmen des Arbeitspunkts kann durch Messen der zwei Zwischenkreisspannungen und Heranziehen der Leistung P als Eingangsvariable, die beispielsweise durch eine Überwachungssteuereinheit erzeugt wird, erfolgen. Der Arbeitspunkt ändert sich im Zeitverlauf, kann jedoch für die Dauer einer Schaltperiode als stationär erachtet werden.The working point can be determined by measuring the two intermediate circuit voltages and using the power P as an input variable, which is generated, for example, by a monitoring control unit. The operating point changes over time, but can be regarded as stationary for the duration of a switching period.
Es werden absolute Werte von P verwendet, da P abhängig von der Richtung der Leistungsübertragung positiv oder negativ sein kann.Absolute values of P are used because P can be positive or negative depending on the direction of power transfer.
In Ausführungsformen umfasst das Verfahren folgenden Schritt:
- • Berechnen, für jeden Leitungsmodus, der Parameter d und g, um eine Zielfunktion zu minimieren, wobei die Zielfunktion insbesondere ein Transformator-Spitzenstrom ist oder wobei die Zielfunktion ein Transformator-Effektivstrom ist.
- • Calculate, for each line mode, the parameters d and g in order to minimize an objective function, wherein the objective function is in particular a transformer peak current or the objective function is a transformer effective current.
Der Transformator-Spitzenstrom kann als das Maximum der absoluten Werte des Transformatorstroms über eine Schaltperiode bestimmt sein. Der Transformator-Effektivstrom (RMS-Effektivstrom) kann als ein Effektivwert (RMS-Wert) des Transformatorstroms über eine Schaltperiode bestimmt sein.The transformer peak current can be determined as the maximum of the absolute values of the transformer current over a switching period. The transformer effective current (RMS effective current) can be determined as an effective value (RMS value) of the transformer current over a switching period.
In Ausführungsformen werden die Parameter d und g in jedem der Schaltmodi als Funktion der Leistung P, die von der Primärseite zur Sekundärseite übertragen wird, der primären Zwischenkreisspannung Vp, und der sekundären Zwischenkreisspannung Vs, die gegebenenfalls auf die Vs' der Primärseite bezogen ist, bestimmt.In embodiments, the parameters d and g in each of the switching modes as a function of the power P, which is transferred from the primary side to the secondary side, the primary intermediate circuit voltage V p , and the secondary intermediate circuit voltage V s , which may be related to the V s ' of the primary side is determined.
In Ausführungsformen ist der Wandler ein dualer aktiver Brückenwandler, d. h., sowohl der primäre Schaltkreis als auch der sekundäre Schaltkreis
Bei einem Vollbrückenwechselrichter umfasst jede Halbbrücke zwei Schalteinheiten, wobei jede Schalteinheit parallel einen aktiven Schalter und eine Freilaufdiode umfasst.In a full-bridge inverter, each half-bridge comprises two switching units, each switching unit comprising an active switch and a freewheeling diode in parallel.
Der elektronische Leistungswandler umfasst eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit analoge und/oder digitale Signalverarbeitungseinheiten umfasst, die konfiguriert sind, um ein hierin beschriebenes Verfahren auszuführen. Die Steuereinheit umfasst typischerweise auch Sensoren zum Messen der primären Zwischenkreisspannung Vp und der sekundären Zwischenkreisspannung Vs und/oder Eingangskanäle oder Eingangsmittel für solche gemessenen Spannungen und/oder einen Eingangskanal oder ein Eingangsmittel für einen gewünschten Leistungsfluss von der Primär- zur Sekundärseite oder umgekehrt.The electronic power converter comprises a control unit, wherein the control unit comprises analog and / or digital signal processing units which are configured to carry out a method described herein. The control unit typically also includes sensors for measuring the primary intermediate circuit voltage V p and the secondary intermediate circuit voltage V s and / or input channels or input means for such measured voltages and / or an input channel or an input means for a desired power flow from the primary to the secondary side or vice versa.
In Ausführungsformen ist ein elektronischer Leistungswandler bereitgestellt, der umfasst:
- eine primäre Brückenschaltung, die angeordnet ist, um zumindest eine primäre Zwischenkreisspannung Vp (oder Eingangsgleichspannung) von einer Primärseite des Wandlers, oder die invertierte primäre Zwischenkreisspannung ―Vp, zu einer Primärseite eines Transformators zuzuführen,
- und eine sekundäre Brückenschaltung, die angeordnet ist, um zumindest eine sekundäre Zwischenkreisspannung Vs (Ausgangsgleichspannung) von einer Sekundärseite des Wandlers, oder die invertierte sekundäre Zwischenkreisspannung ―Vs, zu einer Sekundärseite des Transformators zuzuführen. Der sekundäre Schaltkreis umfasst:
- • entweder, dass aktive Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung nur in der unteren Hälfte jeder Halbbrücke vorhanden sind und jeweils einen entsprechenden Brückenmittelpunkt mit dem negativen Ausgangsanschluss (
14 ) verbinden, wobei obere Schalteinheiten den entsprechenden Brückenmittelpunkt mit dem positiven Ausgangsanschluss verbinden, der nur Dioden umfasst, - • oder dass aktive Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung nur in der oberen Hälfte jeder Halbbrücke vorhanden sind und jeweils einen entsprechenden Brückenmittelpunkt mit dem positiven Ausgangsanschluss verbinden, wobei untere Schalteinheiten den entsprechenden Brückenmittelpunkt mit dem negativen Ausgangsanschluss (
14 ) verbinden, der nur Dioden umfasst.
- • entweder, dass aktive Schalteinheiten der sekundären Brückenschaltung nur in der unteren Hälfte jeder Halbbrücke vorhanden sind und jeweils einen entsprechenden Brückenmittelpunkt mit dem negativen Ausgangsanschluss (
- a primary bridge circuit which is arranged to supply at least one primary intermediate circuit voltage V p (or input DC voltage) from a primary side of the converter, or the inverted primary intermediate circuit voltage ―V p , to a primary side of a transformer,
- and a secondary bridge circuit which is arranged to supply at least one secondary intermediate circuit voltage V s (DC output voltage) from a secondary side of the converter, or the inverted secondary intermediate circuit voltage ―V s , to a secondary side of the transformer. The secondary circuit includes:
- • Either that active switching units of the secondary bridge circuit are only available in the lower half of each half bridge and each have a corresponding bridge center point with the negative output connection (
14th ), with the upper switching units connecting the corresponding bridge center point to the positive output terminal, which only includes diodes, - • or that active switching units of the secondary bridge circuit are only present in the upper half of each half bridge and each connect a corresponding bridge center point to the positive output connection, with lower switching units the corresponding bridge center point to the negative output connection (
14th ) which only includes diodes.
- • Either that active switching units of the secondary bridge circuit are only available in the lower half of each half bridge and each have a corresponding bridge center point with the negative output connection (
Zusammengefasst erlaubt das oben beschriebene Steuerverfahren, ZVS zu erreichen, minimiert den Transformator-Spitzenstrom und ist stabil gegenüber dem Einfluss parasitärer Schaltelemente. Bei hohen Ausgangsleistungspegeln wird der Wandler, insbesondere ein DAB-Wandler, im kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM) betrieben.In summary, the control method described above allows ZVS to be achieved, minimizes the transformer peak current and is stable with respect to the influence of parasitic switching elements. At high output power levels, the converter, particularly a DAB converter, is operated in continuous conduction mode (CCM).
Bei niedrigeren Ausgangsleistungspegeln wird er im diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) betrieben. Abhängig vom Verhältnis der Eingangs- und Ausgangs-Zwischenkreisspannungen und dem Leistungspegel wird einer der zwei unterschiedlichen DCMs ausgewählt.At lower output power levels, it operates in discontinuous conduction mode (DCM). Depending on the ratio of the input and output DC link voltages and the power level, one of the two different DCMs is selected.
Weitere Ausführungsformen erschließen sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Merkmale der Verfahrensansprüche können mit Merkmalen der Vorrichtungsansprüche kombiniert werden und umgekehrt.Further embodiments emerge from the dependent patent claims. Features of the method claims can be combined with features of the device claims and vice versa.
Der Gegenstand der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen ausführlicher erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, die schematisch Folgendes zeigen:
-
1 einen dualen aktiven Brücken- (DAB-) Wandler; -
2 idealisierte Wellenformen im kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM); -
3 Wellenformen im CCM mit Vs'<Vp und Totzeit Td, wobei T_d eine Totzeit oder Verzugszeit ist, die auf den Halbbrücken der Primärseite verwendet wird, um Durchschießen, d. h. Kurzschließen des primären Zwischenkreises, zu verhindern; -
4 Wellenformen im CCM mit Vs'>Vp und Totzeit Td; -
5 Leitungsmodi der DAB als Funktion des Leistungspegels P/P0 und Spannungsverhältnisses Vs'/Vp; -
6 Schaltintervalle, Spannungen und Ströme für den CCM; -
7 das Gleiche für den diskontinuierlichen Leitungsmodus1 (DCM1); -
8 das Gleiche für den diskontinuierlichen Leitungsmodus2 (DCM2); -
9 Wellenformen im DCM1 mit Vs'<Vp und Totzeit Td; -
10 Wellenformen im DCM2 mit Vs'>Vp und Totzeit Td; -
11 idealisierte Wellenformen im CCM für Rückleistungsfluss; -
12 eine einfachgerichtete Variante eines DAB-Wandlers; und -
13 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des Wandlers.
-
1 a dual active bridge (DAB) converter; -
2 idealized waveforms in continuous conduction mode (CCM); -
3 Waveforms in the CCM with Vs'<Vp and dead time Td, where T_d is a dead time or delay time that is used on the half bridges on the primary side in order to prevent shoot-through, ie short-circuiting, of the primary intermediate circuit; -
4th Waveforms in the CCM with Vs'> Vp and dead time Td; -
5 Conduction modes of the DAB as a function of the power level P / P0 and the voltage ratio Vs' / Vp; -
6th Switching intervals, voltages and currents for the CCM; -
7th the same for the discontinuous conduction mode1 (DCM1); -
8th the same for the discontinuous conduction mode2 (DCM2); -
9 Waveforms in DCM1 with Vs'<Vp and dead time Td; -
10 Waveforms in DCM2 with Vs'> Vp and dead time Td; -
11 idealized waveforms in the CCM for reverse power flow; -
12th a single-directional variant of a DAB converter; and -
13 a flow diagram of a method for controlling the converter.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutungen sind in zusammengefasster Form in der Liste der Bezugszeichen angeführt. Im Prinzip sind identische Teile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.The reference symbols used in the drawings and their meanings are given in summarized form in the list of reference symbols. In principle, identical parts are provided with the same reference symbols in the figures.
Auf der Primärseite oder Eingangsseite umfasst der Wandler
Der Transformator
Auf der Sekundärseite oder Ausgangsseite umfasst der Wandler
In der primären Brückenschaltung
In den sekundären Brückenschaltungen
In Ausführungsformen können die Schalteinheiten aktive Schalteinheiten sein, die durch einen Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5, S6, S6, S8, beispielsweise einen MOSFET, parallel zu einer Diode implementiert sind. In Ausführungsformen können eine oder mehrere der Schalteinheiten eine passive Schalteinheit sein, die durch eine Diode
Bei hohen Ausgangsleistungspegeln wird die DAB im kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM) betrieben. Für diesen Modus sind typische Wellenformen der primären Transformatorspannung (V_Tp), sekundären Transformatorspannung (V_Ts) und des primären Transformatorstroms (I_Lp) in
In dem Steuerverfahren werden nur zwei Steuervariablen verwendet: der primäre Tastgrad d und die Phasenverschiebung g, wie in
Kontinuierlicher LeitungsmodusContinuous line mode
Der kontinuierliche Leitungsmodus nutzt die Schaltsequenz auf Basis von jener aus
Beispielhafte Wellenformen für CCM mit einer Totzeit und die Gate-Signalerzeugung sind in
In der Wellenform gemäß
- a) S2, S4, S6 sind eingeschaltet. Der Primärstrom ist negativ und zirkuliert durch S2 und S4, die primäre Transformatorspannung VTp ist null. Der Sekundärstrom ist negativ und strömt durch S6 und die Diode von S7, die sekundäre Transformatorspannung VTs ist die invertierte sekundäre Zwischenkreisspannung Vs . Der Primär- und Sekundärstrom beginnen zuzunehmen.
- b) S2 wird abgeschaltet und nach einer Verzögerungszeit Td wird S1 eingeschaltet. Der Primärstrom ist negativ und strömt durch S1 und S4, die primäre Transformatorspannung VTp ist die primäre Zwischenkreisspannung Vp . Der Tastgrad für den positiven Spannungsimpuls in VTp beginnt. Der Primär- und Sekundärstrom nehmen weiterhin zu.
- c) Der Primär- und Sekundärstrom ändern ihre Vorzeichen, von negativ auf positiv. Die Diode von S7 blockiert, ihr Strom wird von S8 übernommen. Der Sekundärstrom ist positiv und zirkuliert durch S6 und S8, die sekundäre Transformatorspannung VTs ist null.
- d) Nach der Phasenverschiebung g, relativ zum Abschalten von S2, wird S6 abgeschaltet und S8 gleichzeitig eingeschaltet. Der Sekundärstrom ist positiv und strömt durch S8 und S5, die sekundäre Transformatorspannung VTs ist die sekundäre Zwischenkreisspannung Vs . Der Primär- und Sekundärstrom nehmen weiterhin zu.
- e) S4 wird abgeschaltet und nach einer Verzögerungszeit Td wird S3 eingeschaltet. Der Primärstrom ist positiv und zirkuliert durch S1 und S3, die primäre Transformatorspannung VTp ist null. Der Tastgrad für den positiven Spannungsimpuls in VTp endet. Der Primär- und Sekundärstrom beginnen abzunehmen.
- f) S1 wird abgeschaltet und nach einer Verzögerungszeit Td wird S2 eingeschaltet. Der Primärstrom ist positiv und strömt durch S2 und S3, die primäre Transformatorspannung VTp ist die invertierte primäre Zwischenkreisspannung Vp . Der Tastgrad für den negativen Spannungsimpuls in VTp beginnt. Der Primär- und Sekundärstrom nehmen weiter ab.
- g) Der Primär- und Sekundärstrom ändern ihre Vorzeichen, von positiv auf negativ. Die Diode von S5 blockiert, ihr Strom wird von S6 übernommen. Der Sekundärstrom ist negativ und zirkuliert durch S6 und S8, die sekundäre Transformatorspannung VTs ist null.
- h) Nachdem er die Hälfte der Schaltperiode lang eingeschaltet war, wird S8 abgeschaltet und S6 gleichzeitig eingeschaltet. Der Sekundärstrom ist negativ und strömt durch S6 und S7, die sekundäre Transformatorspannung VTs ist die invertierte sekundäre Zwischenkreisspannung Vs . Der Primär- und Sekundärstrom nehmen weiter ab.
- a) S2, S4, S6 are switched on. The primary current is negative and circulates through S2 and S4, the primary transformer voltage V Tp is zero. The secondary current is negative and flows through S6 and the diode of S7, the secondary transformer voltage V Ts is the inverted secondary intermediate circuit voltage V s . The primary and secondary currents begin to increase.
- b) S2 is switched off and after a delay time Td S1 is switched on. The primary current is negative and flows through S1 and S4, the primary transformer voltage V Tp is the primary intermediate circuit voltage V p . The duty cycle for the positive voltage pulse in V Tp begins. The primary and secondary currents continue to increase.
- c) The primary and secondary currents change their signs, from negative to positive. The diode of S7 blocks, its current is taken over by S8. The secondary current is positive and circulates through S6 and S8, the secondary transformer voltage V Ts is zero.
- d) After the phase shift g, relative to the switching off of S2, S6 is switched off and S8 is switched on at the same time. The secondary current is positive and flows through S8 and S5, the secondary transformer voltage V Ts is the secondary intermediate circuit voltage V s . The primary and secondary currents continue to increase.
- e) S4 is switched off and after a delay time Td S3 is switched on. The primary current is positive and circulates through S1 and S3, the primary transformer voltage V Tp is zero. The duty cycle for the positive voltage pulse in V Tp ends. The primary and secondary currents begin to decrease.
- f) S1 is switched off and after a delay time Td S2 is switched on. The primary current is positive and flows through S2 and S3, the primary transformer voltage V Tp is the inverted primary intermediate circuit voltage V p . The duty cycle for the negative voltage pulse in V Tp begins. The primary and secondary currents continue to decrease.
- g) The primary and secondary currents change their signs, from positive to negative. The diode of S5 blocks, its current is taken over by S6. The secondary current is negative and circulates through S6 and S8, the secondary transformer voltage V Ts is zero.
- h) After it has been switched on for half the switching period, S8 is switched off and S6 is switched on at the same time. The secondary current is negative and flows through S6 and S7, the secondary transformer voltage V Ts is the inverted secondary intermediate circuit voltage V s . The primary and secondary currents continue to decrease.
Zustand a) wird wieder erreicht, indem S3 abgeschaltet wird und nach einer Verzögerungszeit Td S4 eingeschaltet wird.State a) is reached again in that S3 is switched off and S4 is switched on after a delay time Td.
Natürlich findet Nullspannungsschaltung statt, wenn ein Schalter eingeschaltet wird und sich dieser Schalter parallel zu einer Diode befindet, die den Strom bereits durch die Schaltereinheit leitet. Nullspannungsschaltung findet ebenfalls zu Beginn von Zustand e) statt, ähnlich zu einem phasenverschobenen Vollbrückenbetrieb: Wenn S4 abgeschaltet ist, lädt der Strom die parasitäre Kapazität von S4 und entlädt gleichzeitig S3, bis die Body-Diode von S3 aktiviert wird. Ab diesem Zeitpunkt kann S3 sicher durch Nullspannungsschaltung eingeschaltet werden. Dasselbe gilt, wenn S4 später an Beginn von Zustand a) wieder eingeschaltet wird.Of course, zero voltage switching takes place when a switch is switched on and this switch is in parallel with a diode which is already conducting the current through the switch unit. Zero voltage switching also takes place at the beginning of state e), similar to a phase-shifted full bridge operation: When S4 is switched off, the current charges the parasitic capacitance of S4 and simultaneously discharges S3 until the body diode of S3 is activated. From this point in time, S3 can be safely switched on using zero voltage switching. The same applies if S4 is switched on again later at the beginning of state a).
Die Abfolge von Zuständen des Wandlers in einer Schaltperiode kann aus den folgenden
In
In jedem Fall wird das Ende des positiven und negativen Spannungsimpulses auf der Sekundärseite, der sekundären Transformatorspannung VTs, dadurch bestimmt, dass der Sekundärstrom sein Vorzeichen ändert und die Diode aus S5 bzw. S7 blockiert. Der blockierte Strom wird dann durch die Diode der jeweils entgegengesetzten Schaltereinheit derselben Halbbrücke getrieben. Dies bewirkt, dass der Sekundärstrom zirkuliert und die sekundäre Transformatorspannung VTs null wird. Dies beendet den Tastgrad der sekundären Transformatorspannung VTs. Dieselbe oder eine analoge Abfolge der Ereignisse findet in den anderen Leitungsmodi statt, wenn der Sekundärstrom sein Vorzeichen ändert.In any case, the end of the positive and negative voltage pulse on the secondary side, the secondary transformer voltage V Ts , is determined by the fact that the secondary current changes its sign and blocks the diode from S5 or S7. The blocked current is then driven through the diode of the respective opposite switch unit of the same half-bridge. This causes the secondary current to circulate and the secondary transformer voltage V Ts to become zero. This ends the duty cycle of the secondary transformer voltage V Ts . The same or an analogous sequence of events takes place in the other conduction modes when the secondary current changes its sign.
Die Schalter der sekundären Brückenschaltung
Grenze zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Leitungsmodus Bei niedrigeren Leistungsausgabeniveaus wird die DAB im diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) betrieben. Es gibt zwei unterschiedliche DCMs (DCM1 und DCM2), abhängig vom Verhältnis der Zwischenkreisspannungen und den Leistungsniveaus. Die Leitungsmodi sind in
Die maximale Leistung, die in CCM transferiert werden kann, ist gegeben als
Wenn Vs' < Vp und die Leistung P kleiner ist als
Bestimmung der Steuervariablen d und gDetermination of the control variables d and g
In jedem der Schaltmodi kann dasselbe Verfahren verwendet werden, um die Parameter d und g als Funktion der primären Zwischenkreisspannung Vp, der sekundären Zwischenkreisspannung, die auf die Primärseite bezogen ist,
(Anmerkung: Wie allgemein bekannt kann bei einem Schaltkreis mit einem Transformator ein äquivalenter Schaltkreis verwendet werden, um dessen Verhalten abzubilden, mit Schaltelementen und elektrischen Größen auf einer Seite des Transformators, die auf die andere Seite bezogen sind, basierend auf dem Transformatorverhältnis
In jedem Schaltmodus kann die Leistung, die transferiert wird, von dem Zeitpunkt, an dem der Schaltbetrieb stattfindet, berechnet werden. Jeder Schaltbetrieb definiert einen neuen Zustand des Wandlers, d. h. den Pfad des Stroms, der in dem Wandler strömt. Die Zeitintervalle zwischen Schaltbetrieben in den beiden Brücken werden als Schaltintervalle Tn bezeichnet, wobei n=1...Anzahl der Schaltintervalle. Die Summe aller Schaltintervalle entspricht einem Bruchteil der Schaltperiode, üblicherweise der Hälfte der Schaltperiode. In diesem Fall sind die Schaltintervalle für zwei halbe Perioden gleich, wobei die Spannungen und der Strom in jeder halben Periode die Polarität ändern.In each switching mode, the power that is transferred can be calculated from the point in time at which the switching operation takes place. Each switching operation defines a new state of the converter, ie the path of the current that flows in the converter. The time intervals between switching operations in the two bridges are referred to as switching intervals T n , where n = 1 ... number of switching intervals. The sum of all switching intervals corresponds to a fraction of the switching period, usually half of the switching period. In this case, the switching intervals are the same for two half periods, with the voltages and the current changing polarity in every half period.
Die Schaltintervalle sind Funktionen der Parameter d und g. Manche der Schaltintervalle hängen direkt von d und g ab, andere sind Funktionen des Verlaufs des Stroms und können durch Berechnung bestimmt werden, wenn der Strom, der durch eine Diode strömt, null kreuzt.The switching intervals are functions of parameters d and g. Some of the switching intervals depend directly on d and g, others are functions of the course of the current and can be determined by calculation when the current flowing through a diode crosses zero.
Bei jedem Zustand ist eine Veränderung des Stroms eine Funktion von dessen Schaltintervall Tn und die Spannungen und Induktivitäten, die den Strom in diesem Zustand beeinflussen.In each state, a change in the current is a function of its switching interval T n and the voltages and inductances that influence the current in this state.
Die
Als Zusammenfassung des oben beschriebenen: In jedem Leitungsmodus können die Schaltintervalle und der Strom als Funktionen der Parameter d und g ausgedrückt werden. Die Stromveränderungen in jedem Zustand oder das Schaltintervall können addiert werden, was den Strom zu jedem Zeitpunkt ergibt. Die Stromverläufe (ILS) aus den
Basierend darauf ist die übertragene Ladung in jedem Zustand eine Funktion der Zeitdauer dieses Zustands und des Stroms, der in diesem Zustand fließt.Based on this, the charge transferred in each state is a function of the duration of that state and the current flowing in that state.
Das Addieren der in jedem Zustand übertragenen Ladung ergibt die Gesamtladung Qp, die in einer Schaltperiode von der Primär- zu der Sekundärseite übertragen wird. Die von der Primärseite zur Sekundärseite übertragene Leistung P ist eine Funktion dieser Ladung und der Primärspannung, wobei
Daher kann die übertragene Leistung P als Funktion der Parameter d und g ausgedrückt und berechnet werden. Der Verlauf des Transformatorstroms kann ebenfalls berechnet werden. Zudem können auch der Spitzenstrom und/oder der Effektivstrom und/oder ein weiterer charakteristischer Wert des Betriebs des Wandlers berechnet und als zu optimierende Zielfunktion verwendet werden. Im Gegensatz dazu lassen die zwei Parameter unter der Annahme der gewünschten zu übertragenden Leistung P und unter Annahme der Zielfunktion zwei Grad Abweichung zu und ermöglichen die Bestimmung einer Lösung, umfassend Werte für d und g, die die gewünschte Leistung erzielen und die Zielfunktion minimieren.Therefore, the transmitted power P can be expressed and calculated as a function of the parameters d and g. The course of the transformer current can also be calculated. In addition, the peak current and / or the effective current and / or another characteristic value of the operation of the converter can be calculated and used as a target function to be optimized. In contrast, assuming the desired power P to be transmitted and assuming the objective function, the two parameters allow two degrees of deviation and enable the determination of a solution comprising values for d and g which achieve the desired power and minimize the objective function.
Unter Bezugnahme auf
Das Bestimmen der Lösung, umfassend Werte für d und g, kann mittels eines Optimierungsvorgangs erzielt werden. Falls die oben erwähnten Funktionen, die dazu führen, dass die Funktion von P von d und g abhängig ist, algebraisch ausgedrückt werden können, kann eine analytische Lösung bestimmt werden. In anderen Situationen kann eine numerische Optimierung verwendet werden, um die Lösung zu bestimmen.Determining the solution, including values for d and g, can be achieved by means of an optimization process. If the functions mentioned above, which make the function of P dependent on d and g, can be expressed algebraically, an analytical solution can be determined. In other situations, numerical optimization can be used to determine the solution.
Ergebnisse einer Optimierung können z.B. in Form von Formeln zum Berechnen der Parameter d und g vom Arbeitspunkt oder in Form von Wertetabellen dargestellt werden.Results of an optimization can e.g. in the form of formulas for calculating the parameters d and g from the working point or in the form of value tables.
Für die zwei diskontinuierlichen Leitungsmodi kann die Optimierung, die den Spitzenstrom minimiert, durch die folgenden Gleichungen für die Steuervariablen ausgedrückt werden:For the two discontinuous conduction modes, the optimization that minimizes the peak current can be expressed by the following equations for the control variables:
Steuervariablen im diskontinuierlichen Leitungsmodus 1Control variables in
Im DCM1 werden die Parameter d und g gemäß den folgenden Gleichungen berechnet:
Der Wert g ist in DCM1 negativ, was bedeutet, dass die Phase des Gate-Signals S6 die Phase von Gate-Signal S2 wie in
Der Hauptteil der Verläufe von Spannungen und Strömen geht unmittelbar aus der Zeitgebung der Schaltvorgänge hervor. Nachfolgend wird erklärt, was geschieht, wenn die Transformatorspannungen auf beiden Seiten null sind (Phase A). Während einer Phase unmittelbar vor dieser Phase wird S6 auf AUS geschaltet und S8 wird auf EIN geschaltet. Der Strom nimmt sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite ab, und der Strom auf der Sekundärseite ändert die Richtung (durch einen Stern * angezeigt). Nachdem der Sekundärstrom seine Richtung geändert hat, fließt der Strom durch die parasitären Kapazitäten von S5 und S6. Nachdem die parasitäre Kapazität von S6 abgeleitet wurde, wird die Body-Diode von S6 aktiviert, d.h. sie wird leitend.The main part of the curves of voltages and currents emerges directly from the timing of the switching processes. The following explains what happens when the transformer voltages are zero on both sides (phase A). During a phase immediately before this phase, S6 is turned OFF and S8 is turned ON. The current decreases on both the primary and the secondary side, and the current on the secondary side changes direction (indicated by an asterisk *). After the secondary current has changed direction, the current flows through the parasitic capacitances of S5 and S6. After the parasitic capacitance has been derived from S6, the body diode of S6 is activated, i.e. it becomes leading.
Während Phase
Die Phasenverschiebung wird als negativ angenommen, da das Schalten auf EIN und AUS von S6 und S8 dann erfolgt, wenn zumindest einer der Schalter auf der Primärseite auf EIN gestellt ist (d.h. in
Während der Phase
Während Phase
Prinzipiell könnten alle Sekundär-MOSFETs in DCM2 konstant ausgeschaltet sein. Allerdings wird durch das Schalten von S6 und S8 wie vorgeschlagen das Überschwingen der Ausgangskapazität des Sekundär-MOSFET mit der Transformator- Streuinduktivität verhindert.In principle, all secondary MOSFETs in DCM2 could be constantly switched off. However, as suggested, switching S6 and S8 prevents the output capacitance of the secondary MOSFET from overshooting with the transformer leakage inductance.
Steuervariablen im diskontinuierlichen Leitungsmodus 2Control variables in
Im DCM2 werden die Parameter d und g gemäß der folgenden Gleichungen berechnet:
Typische Wellenformen von Transformatorspannungen und -strömen und Gate-Signale in DCM2 sind in
Synchrones GleichrichtenSynchronous rectification
Um Leitverluste zu reduzieren, können die Schaltereinheiten, die als Dioden betrieben werden, falls sie aktive Schaltereinheiten sind, wie auch die Schalter S5 und S7 in der vorliegenden Ausführungsform, aktiv geschaltet werden, um die sekundäre Brückenschaltung als synchronen Gleichrichter zu betreiben.In order to reduce conduction losses, the switch units, which are operated as diodes if they are active switch units, as well as switches S5 and S7 in the present embodiment, can be switched to active in order to operate the secondary bridge circuit as a synchronous rectifier.
Inverser LeistungsflussInverse power flow
Aufgrund der Symmetrie der Schaltung wird dasselbe Steuerverfahren zum inversen Leistungstransfer verwendet, jedoch bei vertauschten Primär- und Sekundärquantitäten. Dies bedeutet, dass Vp mit Vs' getauscht werden muss, und die Steuersignale von S1 mit S5, S2 mit S6, S3 mit S7 und S4 mit S8 getauscht werden müssen. Ein Beispiel für einen inversen Leistungstransfer in CCM ist in
Falls Leistung von der Primär- zur Sekundärseite fließt, sind die Schalter S5 und S7 immer aus. Deshalb können die Schalter S5 und S7, falls nur ein Einrichtungsbetrieb erforderlich ist, durch Dioden ersetzt werden, wie in
Auswahl von Schaltereinheiten zum aktiven SchaltenSelection of switch units for active switching
Die bisherigen Beispiele zeigten das Steuern der sekundären Brückenschaltung
Das Bestimmen des anzuwendenden Leitungsmodus und der zu verwendenden Parameter d und g umfasst die folgenden Schritte:
- • Identifizieren der Richtung des Leistungsflusses, d.h. von der Primär- zur Sekundärseite oder umgekehrt. Üblicherweise wird dies abhängig von einem ausgewählten Arbeitsmodus des Wandlers, z.B. zum Aufladen einer Batterie oder durch Zuführen von Leistung an das Netz oder an ein weiteres EV, durch eine Überwachungssteuereinheit vorgegeben.
- • Bestimmen des Leitungsmodus abhängig von dem Leistungspegel.
- • Berechnen der Parameter d und g für den bestimmten Leitungsmodus.
- • Bestimmen der Schaltsignale ausgehend von dem Arbeitsmodus und den Parametern d und g und Steuern der Schaltereinheiten des Wandlers mit diesen Schaltsignalen.
- • Identify the direction of the power flow, ie from the primary to the secondary side or vice versa. This is usually specified by a monitoring control unit as a function of a selected working mode of the converter, for example for charging a battery or by supplying power to the network or to another EV.
- • Determining the conduction mode depending on the power level.
- • Calculate parameters d and g for the particular line mode.
- • Determination of the switching signals based on the working mode and the parameters d and g and controlling the switch units of the converter with these switching signals.
Während die Erfindung in den vorliegenden Ausführungsformen beschrieben wurde, gilt ausdrücklich zu verstehen, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern auch anderweitig auf verschiedene Art und Weise innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche ausgeführt und praktiziert werden kann.While the invention has been described in the present embodiments, it should be expressly understood that the invention is not limited thereto, but can otherwise be embodied and practiced in various ways within the scope of the claims.
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