DE102021108698A1 - Method for operating a converter module, converter device with a converter module and motor vehicle with a converter device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wandlermoduls (K), welches für eine Energiezwischenspeicherung eine Spulenanordnung (T) und für eine gesteuerte Gleichrichtung eine Schalteranordnung (G) bereitstellt. Die Schalteranordnung (G) wird dabei nach einem vorbestimmten Schaltmuster betrieben. Gemäß einem vorbestimmten Prognosealgorithmus (F) wird für das vorbestimmte Schaltmuster ein Schaltzeitpunkt (tE) zum Durchschalten der Schalteranordnung (G) angepasst. Gemäß dem Prognosealgorithmus (F) wird dazu für eine jeweilige Halbwelle einer Spulenspannung, mit der die Spulenanordnung (T) beaufschlagt wird, ein zeitlicher Verlauf einer Kanalspannung (Vs), die an der Schalteranordnung (G) bereitstellbar ist, vorhergesagt. Die Vorhersage erfolgt, indem ein zeitlicher Verlauf eines Spulenstroms (ilk), der von der Spulenanordnung (T) abhängig von der angelegten Spulenspannung bereitgestellt wird, berechnet wird und in Abhängigkeit von dem Spulenstromverlauf (ilk) der Schaltzeitpunkt (tE) bestimmt und die Schalteranordnung (G) zum Durchschalten angesteuert wird.The invention relates to a method for operating a converter module (K), which provides a coil arrangement (T) for intermediate energy storage and a switch arrangement (G) for controlled rectification. The switch arrangement (G) is operated according to a predetermined switching pattern. According to a predetermined prognosis algorithm (F), a switching time (tE) for switching through the switch arrangement (G) is adapted for the predetermined switching pattern. According to the prognosis algorithm (F), a time profile of a channel voltage (Vs) that can be provided at the switch arrangement (G) is predicted for a respective half-wave of a coil voltage applied to the coil arrangement (T). The prediction is made by calculating a time profile of a coil current (ilk), which is provided by the coil arrangement (T) as a function of the applied coil voltage, and the switching time (tE) is determined as a function of the coil current profile (ilk) and the switch arrangement ( G) is driven to switch through.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wandlermoduls. Die Erfindung betrifft auch eine Wandlervorrichtung mit einem entsprechenden Wandlermodul sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wandlervorrichtung.The present invention relates to a method for operating a converter module. The invention also relates to a converter device with a corresponding converter module and a motor vehicle with such a converter device.

Mit Wandlermodul im vorliegenden Sinne ist insbesondere ein Spannungswandler zum Wandeln von elektrischer Spannung gemeint. Ein solches Wandlermodul kann zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, um in einem Bordnetz mit verschiedenen Bezugspotenzialen eine elektrische Energieübertragung zu ermöglichen. Es gibt zum Beispiel Kraftfahrzeuge, bei denen ein Wandlermodul eingesetzt wird, um elektrische Energie zwischen einem Hochvoltbordnetz und einem Niedervoltbordnetz zu wandeln.In the present sense, the converter module means, in particular, a voltage converter for converting electrical voltage. Such a converter module can be used in a motor vehicle, for example, in order to enable electrical energy transmission in an on-board network with different reference potentials. For example, there are motor vehicles in which a converter module is used to convert electrical energy between a high-voltage vehicle electrical system and a low-voltage vehicle electrical system.

Als Wandlermodul kann in einem Bordnetz zum Beispiel ein Gleichrichter oder ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) eingesetzt werden. Dieser kann beispielsweise als ein induktiver Wandler mit einer aktiven sekundärseitigen oder ausgangsseitigen Gleichrichtung ausgebildet sein. Durch die Gleichrichtung kann von dem Wandlermodul somit an einem Anschluss eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt werden. Um die aktive oder gesteuerte Gleichrichtung zu ermöglichen, können zum Beispiel Halbleiterschalter in einer geeigneten elektrischen Verschaltung zu einer Gleichrichterschaltung zusammengeschaltet sein. Die Halbleiterschalter können in einem Schaltbetrieb nach einem vorbestimmten Schaltmuster betrieben werden.A rectifier or a DC voltage converter (DC/DC converter), for example, can be used as a converter module in an on-board electrical system. This can be designed, for example, as an inductive converter with active rectification on the secondary side or on the output side. As a result of the rectification, an electrical DC voltage can thus be provided by the converter module at a connection. In order to enable active or controlled rectification, for example semiconductor switches can be interconnected in a suitable electrical configuration to form a rectifier circuit. The semiconductor switches can be operated in a switching mode according to a predetermined switching pattern.

En sekundärseitiger Gleichrichter eines induktiven Energieübertragungssystems ist zum Beispiel aus der WO 2013/075896 A2 bekannt. Der Gleichrichter nutzt dabei eine B2-Brückenschaltung mit nur einem Schaltmittel, um eine Soll-Ausgangsspannung für ein Energieübertragungssystem einzuregeln.En secondary-side rectifier of an inductive energy transmission system is, for example, from WO 2013/075896 A2 known. In this case, the rectifier uses a B2 bridge circuit with only one switching means in order to regulate a target output voltage for an energy transmission system.

Aus der DE 10 2015 107 960 A1 ist zudem ein aktiver Gleichrichter für eine Lastschaltung bekannt. Der aktive Gleichrichter wird dabei mit einer Steuerung gesteuert, um eine Impedanz am Eingang des Gleichrichters zu modifizieren.From the DE 10 2015 107 960 A1 an active rectifier for a load circuit is also known. In this case, the active rectifier is controlled with a controller in order to modify an impedance at the input of the rectifier.

Weiterhin ist aus der DE 11 2014 006 828 T5 ein aktiver Gleichrichter für eine elektrische Drehmaschine, insbesondere für einen Wechselstromgenerator, offenbart. Der aktive Gleichrichter nutzt Leistungs-MOSFETs (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren), um Wechselströme in Gleichströme zum Laden von Batterien an Fahrzeugen gleichzurichten.Furthermore, from the DE 11 2014 006 828 T5 discloses an active rectifier for a rotary electric machine, in particular for an alternator. The active rectifier uses power MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) to rectify AC currents to DC currents for charging batteries on vehicles.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Betreiben eines induktiven Wandlermoduls mit einer gesteuerten Gleichrichtung eine Verlustleistung des Wandlermoduls zu reduzieren.It is the object of the present invention to reduce a power loss of the converter module when operating an inductive converter module with controlled rectification.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Further possible configurations of the invention are disclosed in the dependent claims, the description and the figures.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei herkömmlichen induktiven Wandlern mit gesteuerter Gleichrichtung eine induktive Zeitverzögerung zwischen einer Spannung und einem Strom in dem Wandler für die gesteuerte Gleichrichtung nicht berücksichtigt wird. Stattdessen erfolgt die aktive oder gesteuerte Gleichrichtung bei herkömmlichen Wandlermodulen, wie eingangs beschrieben, zum Beispiel nur abhängig von einer Änderung einer Eingangsimpedanz oder einer Laständerung an dem Wandlermodul.The invention is based on the finding that in conventional inductive converters with controlled rectification, an inductive time delay between a voltage and a current in the converter for controlled rectification is not taken into account. Instead, the active or controlled rectification takes place in conventional converter modules, as described above, for example only as a function of a change in an input impedance or a load change on the converter module.

Diese Zeitverzögerung wird insbesondere durch die elektrischen Eigenschaften einer Spulenanordnung, die für eine Energiezwischenspeicherung in dem Wandler eingesetzt wird, hervorgerufen. Durch die Spulenanordnung wird eine gepulste Spulenspannung, also eine elektrische Wechselspannung, mit der die Spulenanordnung beaufschlagt wird, zeitverzögert zu einem Spulenstrom, der durch die Spulenanordnung fließt, an eine Gleichrichterschaltung für die gesteuerte Gleichrichtung übertragen. Wenn die Gleichrichterschaltung nach einem herkömmlichen Schaltverfahren betrieben wird, kann es dadurch passieren, dass an der Gleichrichterschaltung bereits eine elektrische Spannung anliegt, obwohl ein jeweiliger Halbleiterschalter der Gleichrichterschaltung noch nicht durchgeschaltet, also elektrisch leitfähig ist. Ein elektrischer Strom fließt dann zum Beispiel entlang einer sogenannten Bodydiode, die intrinsisch in einer Struktur von Halbleiterschaltern vorgesehen ist. Diese Bodydiode weist einen sehr viel höheren elektrischen Widerstand als ein Halbleiterschalter im durchgeschalteten Zustand auf. Die Idee ist es nun, die aufgrund der Induktivität des Wandlermoduls hervorgerufene zeitliche Verschiebung zu bestimmen und bei der gesteuerten Gleichrichtung zu berücksichtigen.This time delay is caused in particular by the electrical properties of a coil arrangement that is used for intermediate energy storage in the converter. A pulsed coil voltage, ie an electrical alternating voltage applied to the coil arrangement, is transmitted through the coil arrangement to a rectifier circuit for controlled rectification, delayed in relation to a coil current flowing through the coil arrangement. If the rectifier circuit is operated according to a conventional switching method, it can happen that an electrical voltage is already present in the rectifier circuit although a respective semiconductor switch of the rectifier circuit is not yet switched through, ie is electrically conductive. An electric current then flows, for example, along a so-called body diode, which is intrinsically provided in a structure of semiconductor switches. This body diode has a much higher electrical resistance than a semiconductor switch when switched on. The idea now is to determine the time shift caused by the inductance of the converter module and to take it into account in the controlled rectification.

Dazu ist in der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wandlermoduls, welches zur Wandlung für eine Energiezwischenspeicherung eine Spulenanordnung und für eine gesteuerte Gleichrichtung eine Schalteranordnung bereitstellt, vorgesehen. Das Wandlermodul ist somit als induktiver Wandler mit zumindest einer elektrischen Induktivität ausgebildet. Bei der Spulenanordnung kann es sich zum Beispiel um eine Einzelinduktivität oder um einen Transformator handeln. Dementsprechend kann das Wandlermodul beispielweise als Gleichrichter oder als Gleichspannungswandler ausgebildet sein. Bei der Schalteranordnung handelt es sich um die vorgenannte Gleichrichterschaltung. Diese kann für die gesteuerte Gleichrichtung wenigstens einen, also einen oder mehrere Halbeliterschalter in geeigneter elektrischer Verschaltung umfassen. Ein Halbleiterschalter kann zum Beispiel ein MOSFET, ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), ein Thyristor oder ein sonstiger vorbestimmter elektronischer Schalter sein.For this purpose, the invention provides a method for operating a converter module, which provides a coil arrangement for conversion for intermediate energy storage and a switch arrangement for controlled rectification. The converter module is thus designed as an inductive converter with at least one electrical inductance. The coil arrangement can be, for example, an individual inductor or a transformer. Accordingly, the converter module can be designed, for example, as a rectifier or as a DC voltage converter. The switch arrangement is the aforementioned rectifier circuit. For the controlled rectification, this can comprise at least one, that is to say one or more, half-liter switches in a suitable electrical circuit. A semiconductor switch may be, for example, a MOSFET, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a thyristor, or any other predetermined electronic switch.

Um die gesteuerte Gleichrichtung zu realisieren, wird die Schalteranordnung beispielsweise in einem Schaltbetrieb nach einem vorbestimmten Schaltmuster betrieben. Durch das jeweilige Schaltmuster kann ein Tastverhältnis oder einen Duty-Cycle vorgegeben sein. Das Tastverhältnis gibt für genau einem Schaltzyklus des jeweiligen Schalters ein Verhältnis einer Einschaltdauer im Vergleich zu einer Ausschaltdauer der Schalteranordnung an. Durch das Schaltmuster ist somit einen Schaltzeitpunkt zum Umschalten zwischen einem eingeschalteten und einem ausgeschalteten Zustand der Schalteranordnung angegeben. Mit dem eingeschalteten oder durchgeschalteten Schaltzustand ist dabei ein Schaltzustand der Schalteranordnung gemeint, bei dem im Wesentlichen ein ungehinderter elektrischer Stromfluss durch den Schalter möglich ist. Im Gegensatz dazu ist mit dem ausgeschalteten oder deaktivierten Schaltzustand gemeint, dass die Schalteranordnung beziehungsweise der jeweilige Schalter einen hohen elektrischen Widerstand bereitstellt, sodass ein Stromfluss in der Gleichrichterschaltung zum Beispiel nur über die vorgenannte Body-Diode möglich ist.In order to implement the controlled rectification, the switch arrangement is operated, for example, in a switching mode according to a predetermined switching pattern. A pulse duty factor or a duty cycle can be specified by the respective switching pattern. For exactly one switching cycle of the respective switch, the pulse duty factor specifies a ratio of an on period compared to an off period of the switch arrangement. The switching pattern thus specifies a switching time for switching over between an on and an off state of the switch arrangement. The switched-on or switched-through switching state means a switching state of the switch arrangement in which an essentially unhindered electric current flow through the switch is possible. In contrast to this, the switched-off or deactivated switching state means that the switch arrangement or the respective switch provides a high electrical resistance, so that a current flow in the rectifier circuit is only possible via the aforementioned body diode, for example.

Ausgehend von dem vorbestimmten Schaltmuster ist in der Erfindung nun vorgesehen, dass gemäß einem vorbestimmten Prognosealgorithmus ein Schaltzeitpunkt zum Durchschalten der Schalteranordnung angepasst wird. Im Vergleich zu dem vorbestimmten oder ursprünglichen Schaltmuster soll also ein neuer Schaltzeitpunkt bestimmt werden. Dazu wird gemäß dem Prognosealgorithmus für eine jeweilige Halbwelle einer gepulsten Spulenspannung, mit der die Spulenanordnung beaufschlagt wird, ein zeitlicher Verlauf einer Kanalspannung, die an der Schalteranordnung bereitstellbar ist, vorhergesagt. Mit bereitstellbar ist vorliegend gemeint, dass die Kanalspannung an der Schalteranordnung, beziehungswese dem jeweiligen Halbleiterschalter angelegt sein oder abgegriffen werden kann. Für die Vorhersage des Kanalspannungsverlaufs wird ein zeitlicher Verlauf eines Spulenstroms, der von der Spulenanordnung abhängig von der angelegten Spulenspannung bereitgestellt wird, berechnet oder simuliert. In Abhängigkeit von dem berechneten Spulenstromverlauf wird anschließend der vorgenannte Schaltzeitpunkt zum Durchschalten der Schalteranordnung bestimmt. Schließlich wird die Schalteranordnung zum Durchschalten abhängig von dem ermittelten Schaltzeitpunkt angesteuert.Based on the predetermined switching pattern, the invention now provides that a switching time for switching through the switch arrangement is adapted according to a predetermined prognosis algorithm. In comparison to the predetermined or original switching pattern, a new switching time should therefore be determined. For this purpose, according to the prognosis algorithm, a time profile of a channel voltage that can be provided at the switch arrangement is predicted for a respective half-wave of a pulsed coil voltage that is applied to the coil arrangement. In the present case, “providable” means that the channel voltage can be applied to or tapped from the switch arrangement or the respective semiconductor switch. To predict the course of the channel voltage, a course of a coil current over time, which is provided by the coil arrangement as a function of the coil voltage applied, is calculated or simulated. Depending on the calculated coil current curve, the aforementioned switching time for switching through the switch arrangement is then determined. Finally, the switch arrangement is driven to switch through depending on the determined switching time.

Anders ausgedrückt, geht es darum, die Kanalspannung für die Gleichrichterschaltung vorherzusagen, indem ausgehend von dem simulierten Spulenstromverlauf auf den zeitlichen Verlauf der Kanalspannung rückgeschlossen wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei der gesteuerten Gleichrichtung, die induktive Verzögerung, die sich bei einem induktiven Wandler ergibt, berücksichtigt wird. Insbesondere wird die Gleichrichterschaltung zum Beispiel genau dann geschaltet, wenn die Kanalspannung auch tatsächlich an der Schalteranordnung anliegt. Bei angelegter Kanalspannung kann dann nämlich ein Kanalstrom durch einen von der Schalteranordnung beziehungsweise dem jeweiligen Halbleiterschalter bereitgestellten Kanal des Schalters, und nicht die vorgenannte Body-Diode, fließen. Dadurch ergeben sich insgesamt weniger Durchlassverluste beim Betreiben der Gleichrichterschaltung und die Effizienz des Wandlermoduls kann verbessert werden.In other words, the aim is to predict the channel voltage for the rectifier circuit by drawing conclusions about the time profile of the channel voltage based on the simulated coil current profile. This results in the advantage that in the controlled rectification, the inductive delay that results from an inductive converter is taken into account. In particular, the rectifier circuit is switched, for example, precisely when the channel voltage is actually present at the switch arrangement. When a channel voltage is applied, a channel current can flow through a channel of the switch provided by the switch arrangement or the respective semiconductor switch, and not through the aforementioned body diode. This results overall in fewer conduction losses when operating the rectifier circuit, and the efficiency of the converter module can be improved.

Mit „Kanal“ ist vorliegend ein zum Leiten von Strom ausgebildeter Abschnitt eines Halbleiterschalters gemeint. Die Kanalspannung kann somit in Abhängigkeit von einer Ausgestaltung des jeweiligen Halbleiterschalters zum Beispiel eine Kollektor-Emitter-Spannung oder eine Drain-Source-Spannung sein. Analog gilt dies entsprechend auch für den Kanalstrom. Unter dem Begriff „Halbwelle“ ist vorliegend ein Kurvenverlauf der als Wechselspannung bereitgestellten Spulenspannung in einer halben Periode zwischen zwei benachbarten Nulldurchläufen gemeint. Die Halbwelle kann auch als Halbschwingung bezeichnet werden.As used herein, “channel” means a portion of a semiconductor switch configured to conduct current. The channel voltage can thus be, for example, a collector-emitter voltage or a drain-source voltage, depending on a configuration of the respective semiconductor switch. This also applies analogously to the channel current. In the present case, the term “half-wave” means a curve profile of the coil voltage provided as an alternating voltage in half a period between two adjacent zero crossings. The half-wave can also be referred to as half-oscillation.

Zum Umsetzen des Schaltmusters kann die Schalteranordnung zum Beispiel von einem Steuergerät mit einem PWM-Signal angesteuert werden. Das Steuergerät kann beispielsweise ein Gate-Treiber zum Steuern eines Gate-Anschlusses oder eines Basisanschlusses des jeweiligen Halbleiterschalters sein.To implement the switching pattern, the switch arrangement can be controlled, for example, by a control device with a PWM signal. The control device can be, for example, a gate driver for controlling a gate connection or a base connection of the respective semiconductor switch.

Das Wandlermodul kann, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel als Gleichrichter oder DC/DC-Wandler ausgebildet sein. Bei der Ausgestaltung als Gleichrichter, kann die gepulste Spulenspannung, mit der die Spulenanordnung beaufschlagt wird, zum Beispiel direkt in Form einer elektrischen Wechselspannung als Eingangsspannung des Wandlermoduls bereitgestellt werden. Bei der Ausgestaltung als DC/DC-Wandler kann die gepulste Spulenspannung zum Beispiel mittels einer Wechselrichterschaltung erzeugt werden. Das Wandlermodul kann insbesondere bidirektional betreibbar sein. Das heißt, mit dem Wandlermodul kann zum Beispiel je nach Betriebsmodus elektrische Energie von einem Eingangsanschluss an einen Ausgangsanschluss oder umgekehrt gewandelt werden. Als Betriebsmodus kann zum Beispiel ein sogenannter Aufwärtswandlerbetrieb (Boost Converter Mode) oder ein Abwärtswandlerbetrieb (Back Converter Mode) vorgesehen sein. So kann zum Beispiel bei Nutzung eines Wandlermoduls in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sowohl elektrische Energie von dem Hochvoltbordnetz an das Niedervoltbordnetz als auch umgekehrt übertragen werden.As described above, the converter module can be embodied, for example, as a rectifier or DC/DC converter. In the configuration as a rectifier, the pulsed coil voltage applied to the coil arrangement can be provided, for example, directly in the form of an electrical AC voltage as the input voltage of the converter module. In the design as a DC/DC converter, the pulsed coil voltage can be generated, for example, by means of an inverter circuit. In particular, the converter module can be operated bidirectionally. This means that the converter module can be used, for example, to convert electrical energy from an input connection to an output connection or vice versa, depending on the operating mode. A so-called up-converter operation (boost converter mode) or a down-converter operation (back converter mode) can be provided as the operating mode, for example. For example, when using a converter module in an on-board network of a motor vehicle, electrical energy can be transmitted from the high-voltage on-board network to the low-voltage on-board network and vice versa.

In einem Aufwärtswandlerbetrieb, wie er zuvor beispielhaft beschrieben wurde, eilt die Kanalspannung beispielsweise dem Spulenstrom aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Spulenanordnung voraus. In diesem Fall kann der Schaltzeitpunkt zum Durchschalten der Schalteranordnung somit beispielsweise früher gewählt sein, als ein Schaltzeitpunkt, der sich gemäß dem ursprünglichen Schaltmuster ergeben würde. Im Gegensatz dazu eilt die Kanalspannung dem Spulenstrom in dem Abwärtswandlerbetrieb, wie er zuvor beschrieben wurde, nach. Ein Schaltzeitpunkt für das Durchschalten der Schalteranordnung kann somit später gewählt sein als ein Schaltzeitpunkt der durch das ursprüngliche Schaltmuster vorgegeben ist.For example, in a boost converter operation as exemplified above, the channel voltage leads the coil current due to the electrical properties of the coil assembly. In this case, the switching point in time for switching the switch arrangement on can thus be selected earlier, for example, than a switching point in time that would result according to the original switching pattern. In contrast, the channel voltage lags the inductor current in the buck converter operation as previously described. A switching time for switching through the switch arrangement can thus be selected later than a switching time that is predetermined by the original switching pattern.

Im Folgenden werden nun Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.In the following, embodiments of the invention are described which result in additional advantages.

In der folgenden Ausführungsform wird zunächst näher auf den vorgenannten Prognosealgorithmus eingegangen. Dabei ist vorgesehen, dass als Eingangsparameter für den Prognosealgorithmus ein Mittelwert einer Eingangsspannung, einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Wandlermoduls sowie ein durch das Schaltmuster vorgegebenes Tastverhältnis der Schalteranordnung bestimmt oder gemessen werden. In Abhängigkeit von den Eingangsparametern wird in dem Prognosealgorithmus dann ein Initialwert des Spulenstroms bestimmt und der Initialwert als ein Sollwert für den Spulenstrom festgelegt. Da die Eingangsparameter für den Prognosealgorithmus von dem jeweiligen Betriebsmodus des Wandlermoduls abhängen, ergibt sich der Initialwert insbesondere unter Berücksichtigung des Betriebsmodus des Wandlermoduls.In the following specific embodiment, the aforementioned prognosis algorithm is first discussed in more detail. It is provided that a mean value of an input voltage, an output voltage and an output current of the converter module and a duty cycle of the switch arrangement predetermined by the switching pattern are determined or measured as input parameters for the prognosis algorithm. Depending on the input parameters, an initial value of the coil current is then determined in the prognosis algorithm and the initial value is set as a setpoint value for the coil current. Since the input parameters for the prognosis algorithm depend on the respective operating mode of the converter module, the initial value results in particular taking into account the operating mode of the converter module.

Weiterhin wird eine vorbestimmte Berechnungsroutine durchgeführt, bei der ausgehend von dem Initialwert der zeitliche Verlauf des Spulenstroms ermittelt wird. In der Berechnungsroutine wird die Halbwelle der gepulsten Spulenspannung in wenigstens zwei Phasen, also zwei oder mehrere Phasen, eingeteilt. Die jeweilige Phase kann zum Beispiel ein vorbestimmtes Übertragungsverhalten der Bauteile in dem Wandler repräsentieren. Für jede der Phasen wird ein zugeordneter Energiespeicherzustand des Wandlermoduls berechnet und dann ein dem jeweiligen Energiespeicherzustand zugeordneter Werteverlauf des Spulenstroms bestimmt. Der Werteverlauf des Spulenstroms in der jeweiligen Phase wird somit zwischen einem Startzeitpunkt und einem Endzeitpunkt der jeweiligen Phase ermittelt. Der Werteverlauf kann beispielsweise als Wertepaar, beispielsweise als Anfangs- und Endwert des Spulenstroms zum Startzeitpunkt und Endzeitpunkt der Phase vorliegen. Alternativ kann der Werteverlauf des Spulenstroms zum Beispiel ein tatsächlicher zeitlicher Verlauf des Spulenstroms sein, der sich zum Beispiel durch Anwenden einer vorgegebenen Zeitfunktion berechnen lässt. Furthermore, a predetermined calculation routine is carried out, in which the course of the coil current over time is determined on the basis of the initial value. In the calculation routine, the half-wave of the pulsed coil voltage is divided into at least two phases, ie two or more phases. The respective phase can, for example, represent a predetermined transmission behavior of the components in the converter. An associated energy storage state of the converter module is calculated for each of the phases and then a value profile of the coil current associated with the respective energy storage state is determined. The course of the value of the coil current in the respective phase is thus determined between a start time and an end time of the respective phase. The course of values can be present, for example, as a pair of values, for example as the start and end value of the coil current at the start time and end time of the phase. Alternatively, the course of values of the coil current can be, for example, an actual course of the coil current over time, which can be calculated, for example, by using a predetermined time function.

Schließlich wird gemäß dem Prognosealgorithmus der Schaltzeitpunkt für die Schalteranordnung als derjenige Zeitpunkt ermittelt, zu dem der Spulenstrom im zeitlichen Verlauf einen Wert einnimmt, der dem festgelegten Sollwert entspricht. Abhängig von einem Betriebsmodus des Wandlermoduls korreliert nämlich die vorgenannte Kanalspannung mit dem Spulenstrom, sodass von dem Spulenstrom auf die Kanalspannung rückgeschlossen werden kann.Finally, according to the prognosis algorithm, the switching point in time for the switch arrangement is determined as the point in time at which the coil current assumes a value over time that corresponds to the specified setpoint value. This is because the aforementioned channel voltage correlates with the coil current, depending on an operating mode of the converter module, so that conclusions can be drawn about the channel voltage from the coil current.

Der vorgenannte Initialwert kann demensprechend zum Beispiel ein Anfangswert des Spulenstroms in einer ersten der Phase sein. Beim Durchlauf einer Halbwelle der Spulenspannung, also beim Durchlaufen der folgenden Phase(n), wird der Spulenstrom den Initialwert wieder erreichen. Als Schaltzeitpunkt soll nun der Zeitpunkt gewählt werden, zu dem der Spulenstrom wieder auf den Initialwert angestiegen oder abgefallen ist.Accordingly, the aforementioned initial value can be, for example, an initial value of the coil current in a first phase. When passing through a half-wave of the coil voltage, i.e. when passing through the following phase(s), the coil current will reach the initial value again. The time at which the coil current has risen or fallen back to the initial value should now be selected as the switching time.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wird zum Bestimmen des Initialwerts des Spulenstroms aus den Eingangswerten für die Halbwelle ein Rippelstrom oder Stromrippel bestimmt. Der Rippelstrom ist ein Strom, der sich im Betrieb der Schalteranordnung an deren Ausgang einstellt und kann somit als Schalteranordnungs-Ausgangsstrom bezeichnet werden. Dabei gibt der Rippelstrom ein Oszillationsverhalten des Schalteranordnungs-Ausgangsstroms um den Mittelwert des Ausgangsstroms des Wandlermoduls an. Der Stromrippel ist somit ein Wechselanteil den der Ausgangsstrom der Gleichrichterschaltung aufweist. Dieser entsteht in bekannter Weise beim Gleichrichten und wird auch als überlagerter Wechselstrom bezeichnet. Da der Aufbau des Wandlermoduls an sich bekannt ist, kann von dem Stromrippel durch bekannte Schaltungsanalysemethoden auf den Initialwert rückgeschlossen werden.According to a further embodiment, a ripple current or current ripple is determined from the input values for the half-wave in order to determine the initial value of the coil current. The ripple current is a current which occurs at the output of the switch arrangement during operation and can therefore be referred to as the switch arrangement output current. In this case, the ripple current indicates an oscillation behavior of the switch arrangement output current around the mean value of the output current of the converter module. The current ripple is therefore an alternating component which the output current of the rectifier circuit has. This occurs in a known manner during rectification and is also referred to as superimposed alternating current. Since the structure of the converter module is known per se, the initial value can be deduced from the current ripple using known circuit analysis methods.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist im Zusammenhang mit der vorgenannten Berechnungsroutine vorgesehen, dass die Phasen in Abhängigkeit von einem Übertragungsverhalten der Spulenanordnung für einen jeweiligen Wertebereich der Spulenspannung innerhalb der Halbwelle festgelegt werden. Das Übertragungsverhalten gibt zum Beispiel an, ob mittels der Spulenanordnung gerade Leistung übertragen wird oder nicht. Das Übertragungsverhalten und somit die Anzahl der Phasen kann sich zum Beispiel in Abhängigkeit von der vorgenannten Ausgestaltung des Wandlermoduls ergeben. Bei einem Gleichrichter direkt mit einer Wechselspannung als Eingangsspannung beaufschlagt wird, kann das Übertragungsverhalten in einer Halbwelle zum Beispiel in einen sogenannten Freilauf und einen sogenannten Leistungstransfer unterteilt sein. Somit kann die Halbwelle beispielsweise in zwei Phasen eingeteilt werden. Ein Übergangspunkt zwischen den beiden Phasen bildet dabei ein betragsmäßiger Maximalwert der Halbwelle, also ein Maximalwert bei einer positiven Spulenspannung und ein Minimalwert bei einer negativen Spulenspannung.According to a further embodiment, in connection with the aforementioned calculation routine, the phases are defined as a function of a transmission behavior of the coil arrangement for a respective value range of the coil voltage within the half-wave. The transmission behavior indicates, for example, whether or not power is currently being transmitted by means of the coil arrangement. The transmission behavior and thus the number of phases can result, for example, as a function of the aforementioned design of the converter module. When an AC voltage is applied directly as the input voltage to a rectifier, the transmission behavior in a half-wave can be divided into a so-called freewheeling and a so-called power transfer, for example. Thus, the half-wave can be divided into two phases, for example. A transition point between the two phases forms a maximum value of the half-wave in terms of absolute value, ie a maximum value for a positive coil voltage and a minimum value for a negative coil voltage.

Bei einer Ausgestaltung als DC/DC-Wandler ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Spulenspannung, mit der die Spulenanordnung beaufschlagt wird, mittels einer Wechselrichterschaltung des Wandlermoduls bereitgestellt wird. Die Phasen zum Einteilen der Halbwelle werden dabei in Abhängigkeit von einer Schaltkonfiguration der Wechselrichterschaltung gewählt.In an embodiment as a DC/DC converter, according to a further embodiment, the coil voltage applied to the coil arrangement is provided by means of an inverter circuit of the converter module. The phases for dividing the half-wave are selected as a function of a switching configuration of the inverter circuit.

Zum Bereitstellen der Spulenspannung, kann die Wechselrichterschaltung beispielsweise mehrere Halbleiterschalter in geeigneter elektrischer Verschaltung umfassen. Zum Beispiel können die Halbleiterschalter in einer Brückenschaltung, insbesondere als eine sogenannte B4-Vollbrücke, miteinander verschaltet sein. Durch geeignetes Betreiben der Halbleiterschalter im Schaltbetrieb kann dabei aus einer Eingangsgleichspannung eine elektrische Wechselspannung als Spulenspannung zum Beaufschlagen der Spulenanordnung erzeugt werden. Dazu werden die Halbleiterschalter im Schaltbetrieb betrieben und dabei nach einem jeweils vorbestimmten Schaltmuster in den eingeschalteten oder ausgeschalteten Schaltzustand versetzt. Für die Schaltmuster der Wechselrichterschaltung und der Gleichrichterschaltung kann zum Beispiel die gleiche Schaltlogik verwendet werden, sodass sich die Schaltmuster im Wesentlichen entsprechen.To provide the coil voltage, the inverter circuit can include, for example, a number of semiconductor switches in a suitable electrical configuration. For example, the semiconductor switches can be connected to one another in a bridge circuit, in particular as a so-called B4 full bridge. By suitably operating the semiconductor switches in switching operation, an electrical AC voltage can be generated from an input DC voltage as a coil voltage for applying the coil arrangement. For this purpose, the semiconductor switches are operated in the switching mode and are switched to the switched-on or switched-off state according to a respectively predetermined switching pattern. For example, the same switching logic can be used for the switching patterns of the inverter circuit and the rectifier circuit, so that the switching patterns essentially correspond.

Die Schalkonfiguration beschreibt nun, wie die Halbleiterschalter der Wechselrichterschaltung im Verhältnis zueinander in einem vorbestimmten Zeitintervall geschaltet sind. Eine Phase entspricht dabei dem Zeitintervall in dem eine solche Schaltkonfiguration beibehalten wird. Ändert sich die Schaltkonfiguration ist das als Übergang in die nächste Phase zu verstehen. Bei der Wechselrichterschaltung können zum Erzeugen der Halbwelle der Wechselspannung zum Beispiel vier solcher Schaltkonfigurationen vorgesehen sein, sodass die Halbwelle in vier Phasen eingeteilt wird.The switching configuration now describes how the semiconductor switches of the inverter circuit are switched in relation to one another in a predetermined time interval. A phase corresponds to the time interval in which such a switching configuration is maintained. If the switching configuration changes, this is to be understood as a transition to the next phase. In the inverter circuit, for example, four such switching configurations can be provided to generate the half-wave of the AC voltage, so that the half-wave is divided into four phases.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in Zusammenhang mit der Wechselrichterschaltung bei der Bestimmung des jeweiligen Schaltzeitpunkts für die Gleichrichterschaltung eine vorgegebene Schaltverzögerungszeit der Wechselrichterschaltung berücksichtigt. Bei der Schaltverzögerungszeit kann es sich zum Beispiel um eine vorgegebene Totzeit der Halbleiterschalter der Wechselrichterschaltung handeln. Diese kann zum Beispiel in einem Datenblatt von einem Hersteller vorgegeben sein. Diese Totzeit ist beispielsweise angegeben, um die Einschaltzeitpunkte oder Ausschaltzeitpunkte der Halbleiterschalter der Wechselrichterschaltung zu verzögern, also zeitlich zu versetzen, um einen elektrischen Kurzschluss in der Wechselrichterschaltung zu vermeiden. Innerhalb der Totzeit können sich nämlich unterschiedliche Energiespeicherzustände innerhalb des Wandlermoduls ergeben, sodass sich die Berechnung des Spulenstroms verändern kann.According to a further embodiment, a predetermined switching delay time of the inverter circuit is taken into account in connection with the inverter circuit when determining the respective switching time for the rectifier circuit. The switching delay time can be, for example, a predefined dead time of the semiconductor switches of the inverter circuit. This can be specified by a manufacturer in a data sheet, for example. This dead time is specified, for example, in order to delay the switch-on or switch-off times of the semiconductor switches of the inverter circuit, ie to offset them in time in order to avoid an electrical short circuit in the inverter circuit. This is because different energy storage states can arise within the converter module within the dead time, so that the calculation of the coil current can change.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass als der Sollwert ein Wert in Abhängigkeit von dem durch die Eingangswerte vorgegebenen oder bekannten Betriebsmodus des Wandlermoduls gewählt wird, bei dem die Kanalspannung an der Schalteranordnung anliegt. Es geht also darum, dass die Kanalspannung einen Wert größer oder kleiner 0 aufweist. Insbesondere kann der Sollwert so gewählt sein, dass die Kanalspannung einen vorgegebenen Grenzbetrag überschreitet. Somit kann eine optimale Leitfähigkeit der Schalteranordnung gewährleistet sein.According to a further embodiment, it is provided that a value is selected as the desired value depending on the operating mode of the converter module which is predetermined or known by the input values and in which the channel voltage is present at the switch arrangement. The point is that the channel voltage has a value greater than or less than 0. In particular, the target value can be selected in such a way that the channel voltage exceeds a predetermined limit. An optimal conductivity of the switch arrangement can thus be ensured.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass als die Schalteranordnung eine Gleichrichterschaltung mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern bereitgestellt wird. Die Gleichrichterschaltung kann somit beispielsweise als Synchrongleichrichter mit zwei in einer Halbbrückenschaltung (B2-Brücke) verschalteten Halbleiterschaltern ausgebildet sein. Die wenigstens zwei Halbleiterschalter werden nach dem vorgenannten Schaltmuster betrieben. Dabei sind die Schaltmuster für die beiden Halbleiterschalter gemäß einer vorbestimmten Schaltlogik mit einem vorbestimmten Schaltversatz, also einer zeitlichen Verzögerung zueinander, auf die Halbleiterschalter angewendet. Der Schaltversatz repräsentiert dabei das vorgenannte Tastverhältnis, also den Duty-Cycle der Halbleiterschalter. Gemäß dem Prognosealgorithmus wird dabei eine Schaltzeit für jeden der Halbleiterschalter angepasst.According to a further embodiment, it is provided that a rectifier circuit with at least two semiconductor switches is provided as the switch arrangement. The rectifier circuit can thus be designed, for example, as a synchronous rectifier with two semiconductor switches connected in a half-bridge circuit (B2 bridge). The at least two semiconductor switches are operated according to the aforementioned switching pattern. In this case, the switching patterns for the two semiconductor switches are applied to the semiconductor switches according to a predetermined switching logic with a predetermined switching offset, ie a time delay relative to one another. In this case, the switching offset represents the aforementioned pulse duty factor, ie the duty cycle of the semiconductor switches. According to the prognosis algorithm, a switching time for each of the semiconductor switches is adjusted.

Um das jeweilige Schaltmuster für die Halbleiterschalter der Gleichrichterschaltung und der Wechselrichterschaltung zu realisieren, können zum Beispiel zwei zueinander um das Tastverhältnis zeitlich versetzte Logiksignale genutzt werden. Die jeweilige Schaltstellung, also der jeweilige Schaltzustand der Halbleiterschalter, ergibt sich dann gemäß der vorbestimmten Schaltlogik durch Anwenden eines logischen Operators auf eines oder beide der Logiksignale. Die Schaltmuster für die Halbleiterschalter der Gleichrichterschaltung können sich zum Beispiel durch eine vorbestimmte logische Verknüpfung der beiden Logiksignale ergeben.In order to implement the respective switching pattern for the semiconductor switches of the rectifier circuit and the inverter circuit, two logic signals offset in time by the pulse duty factor can be used, for example. The respective switching position, that is to say the respective switching state of the semiconductor switches, then results according to the predetermined switching logic by applying a logical operator to one or both of the logic signals. The switching patterns for the semiconductor switches of the rectifier circuit can result, for example, from a predetermined logical combination of the two logic signals.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Anpassen des Schaltzeitpunkts für die Schalteranordnung in einer Reglerroutine der mittels des Prognosealgorithmus ermittelte Schaltzeitpunkt mit einem gemäß dem Schaltmuster vorgesehenen Schaltzeitpunkt verglichen und eine Differenz zwischen den beiden Schaltzeitpunkten zu null geregelt oder eingestellt. So kann zum Beispiel eine herkömmliche Regelung des Wandlermoduls zum Regeln der Ausgangsspannung um eine weitere Reglerroutine zum Anpassen des Schaltzeitpunkts erweitert werden. Zum Einstellen oder Einregeln der Differenz kann zum Beispiel ein Linearregler eingesetzt werden. Ein Linearregler kann zum Beispiel als ein PI- oder ein PID-Regler ausgebildet sein.According to a further embodiment, the switching time determined by means of the prognosis algorithm is compared with a switching time provided according to the switching pattern in a controller routine to adapt the switching time for the switch arrangement and a difference between the two switching times is regulated or set to zero. For example, a conventional regulation of the converter module for regulating the output voltage can be expanded to include a further regulator routine for adjusting the switching time. A linear controller, for example, can be used to set or regulate the difference. A linear controller can be designed as a PI or a PID controller, for example.

Die Erfindung betrifft auch eine Wandlervorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Wandlermodul oder mit einer der vorgenannten möglichen Ausführungsformen des Wandlermoduls. Zum Betreiben des Wandlermoduls umfasst die Wandlervorrichtung noch eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, das Wandlermodul durch Ausführen eines Verfahrens, wie es zuvor beschrieben wurde, zu betreiben.The invention also relates to a converter device with the converter module according to the invention or with one of the aforementioned possible embodiments of the converter module. To operate the converter module, the converter device also includes a control device that is designed to operate the converter module by executing a method as described above.

Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug mit einem Wandlermodul, wie es zuvor beschrieben wurde. Die Wandlervorrichtung wird dabei zum Wandeln von elektrischer Energie zwischen einem Hochvoltbordnetz und einem Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs eingesetzt. Das Wandlermodul der Wandlervorrichtung kann somit insbesondere bidirektional ausgebildet sein und unterschiedliche Wandlermodi aufweisen.The invention also relates to a motor vehicle with a converter module as described above. The converter device is used to convert electrical energy between a high-voltage electrical system and a low-voltage electrical system of the motor vehicle. The converter module of the converter device can thus in particular be designed to be bidirectional and have different converter modes.

Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention can result from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description and the features and feature combinations shown below in the description of the figures and/or in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the invention to leave.

Die Zeichnung zeigt in:

  • 1 ein schematisches Prinzipschaltbild eines Wandlermoduls, bei welchem ein Schaltzeitpunkt zum Durchschalten einer Schalteranordnung mittels eines Prognosealgorithmus anpassbar ist, und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Regelung zum Einregeln des Schaltzeitpunkts durch Nutzen des Prognosealgorithmus.
The drawing shows in:
  • 1 a schematic basic circuit diagram of a converter module, in which a switching time for switching through a switch arrangement can be adapted by means of a prognosis algorithm, and
  • 2 a schematic representation of a control for adjusting the switching time by using the prognosis algorithm.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference symbols.

1 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild, also einen Schaltplan eines Wandlermoduls, welches vorliegend als Konverter K oder Gleichspannungswandler ausgebildet ist. Der Konverter K ist beispielhaft als sogenannter Phase-Shifted Full-Bridge Converter (PSFB, Vollbrückenflusswandler mit Phasenverschiebung) dargestellt. Ein solcher Phase-Shifted Full-Bridge Converter kann zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug zum Wandeln von elektrischer Energie zwischen einem Hochvoltbordnetz und einem Niedervoltbordnetz eingesetzt werden. 1 shows a schematic basic circuit diagram, ie a circuit diagram of a converter module, which is designed here as a converter K or DC voltage converter. The converter K is shown by way of example as a so-called phase-shifted full-bridge converter (PSFB, full-bridge forward converter with phase shift). Such a phase-shifted full-bridge converter can be used, for example, in a Motor vehicle are used to convert electrical energy between a high-voltage electrical system and a low-voltage electrical system.

Dazu weist der Konverter K einen Eingangsanschluss A1 auf, an den das Hochvoltbordnetz angeschlossen sein kann. Zudem weist der Konverter K einen Ausgangsanschluss A2 auf, an den das Niedervoltbordnetz angeschlossen sein kann. Über den Eingangsanschluss A1 kann das Hochvoltbordnetz dem Konverter K eine Eingangsspannung Vin bereitstellen. Die Eingangsspannung Vin ist eine elektrische Gleichspannung und kann zum Beispiel einen Sollwert oder Nennwert von 400 V aufweisen. Mittels des Konverters K kann die Eingangsspannung Vin in die Ausgangsspannung Vo gewandelt werden. Natürlich ist abhängig von der Wandlertopologie des Konverters K auch eine Wandlung in umgekehrter Richtung möglich. Die Ausgangsspannung Vo ist ebenfalls eine Gleichspannung, welches abhängig von einer Wandlertopologie ein höheres, niedrigeres oder inverses Spannungsniveau zu der Eingangsspannung Vin aufweisen kann. Vorliegend kann für die Ausgangsspannung Vo zum Beispiel ein Sollwert von 12 V vorgesehen sein. Die Ausgangsspannung Vo kann über den Ausgangsanschluss A2 an das Niedervoltbordnetz zum Versorgen von einem oder mehreren elektromechanischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.For this purpose, the converter K has an input connection A1 to which the high-voltage vehicle electrical system can be connected. In addition, the converter K has an output connection A2 to which the low-voltage vehicle electrical system can be connected. The high-voltage vehicle electrical system can provide the converter K with an input voltage Vin via the input connection A1. The input voltage Vin is a direct electrical voltage and may have a setpoint or nominal value of 400 V, for example. The input voltage Vin can be converted into the output voltage Vo by means of the converter K. Of course, depending on the converter topology of the converter K, conversion in the opposite direction is also possible. The output voltage Vo is also a DC voltage which, depending on a converter topology, can have a higher, lower or inverse voltage level to the input voltage Vin. In the present case, for example, a desired value of 12 V can be provided for the output voltage Vo. The output voltage Vo can be provided via the output connection A2 to the low-voltage vehicle electrical system to supply one or more electromechanical consumers of the motor vehicle.

Der Konverter K gemäß 1 ist als induktiver Wandler ausgebildet. Für die Energieübertragung oder die Spannungswandlung weist der Konverter K dementsprechend eine Spulenanordnung auf. Die Spulenanordnung ist vorliegend als ein Transformator T dargestellt, durch den eine galvanische Trennung umgesetzt ist. Durch die galvanische Trennung wird können zum Beispiel, wie vorliegend, Systeme mit unterschiedlichen Bezugspotentialen GND1, GND2 verbunden werden. Durch den Transformator T weist der Konverter K somit eine Primärseite P, die auf das Bezugspotential GND1 des Hochvoltbordnetzes eingestellt ist, und eine Sekundärseite S, die auf das Bezugspotential GND2 des Niedervoltbordnetzes eingestellt ist, auf.The converter K according to 1 is designed as an inductive converter. The converter K accordingly has a coil arrangement for the energy transmission or the voltage conversion. The coil arrangement is shown here as a transformer T, through which a galvanic isolation is implemented. Due to the galvanic isolation, systems with different reference potentials GND1, GND2 can be connected, for example, as is the case here. Because of the transformer T, the converter K thus has a primary side P, which is set to the reference potential GND1 of the high-voltage vehicle electrical system, and a secondary side S, which is set to the reference potential GND2 of the low-voltage vehicle electrical system.

Für die Energieübertragung weist der Transformator T auf der Primärseite P eine Primärwicklung oder Primärspule und auf den Sekundärseite S zwei Sekundärwicklungen oder Sekundärspulen mit Mittelabgriff auf. Eine elektrische Eigenschaft des Transformators T, also eine Auswirkung auf die vorliegende Wandlertopologie, ist gemäß 1 durch eine elektrische Induktivität, nämlich die Streuinduktivität Lk, dargestellt. Mit der Streuinduktivität Lk wird beispielsweise der sogenannte Streufluss des Transformators T im Betrieb simuliert oder nachgebildet. Ein elektrischer Strom der sich im Betrieb des Transformators T aufgrund der Streuinduktivität Lk auf der Primärseite P einstellt, ist in 1 durch den Spulenstrom ilk dargestellt.For energy transmission, the transformer T has a primary winding or primary coil on the primary side P and two secondary windings or secondary coils with a center tap on the secondary side S. An electrical property of the transformer T, ie an effect on the present converter topology, is in accordance with 1 represented by an electrical inductance, namely the leakage inductance Lk. With the leakage inductance Lk, for example, the so-called leakage flux of the transformer T is simulated or simulated during operation. An electric current that occurs during operation of the transformer T due to the leakage inductance Lk on the primary side P is in 1 represented by the coil current ilk.

Für den Betrieb des Transformators T ist auf der Primärseite P der Eingangsanschluss A1 über eine elektrische Eingangskapazität Cin und eine Wechselrichterschaltung W an den Transformator T anschlossen. Die Eingangskapazität Cin ist als ein sogenannter Zwischenkreiskondensator zum Zwischenspeichern der Eingangsspannung Vin ausgebildet. Die Wechselrichterschaltung W umfasst vier Schalter oder Schaltelemente Q1, Q2, Q3, Q4, die in einer Vollbrückenschaltung miteinander verschaltet sind. Ein elektrischer Widerstand, den die Primärseite P aufweist, ist durch den Primärwiderstand Rp dargestellt.For the operation of the transformer T, the input connection A1 is connected to the transformer T on the primary side P via an electrical input capacitance Cin and an inverter circuit W. The input capacitance Cin is in the form of a so-called intermediate circuit capacitor for temporarily storing the input voltage Vin. The inverter circuit W includes four switches or switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, which are interconnected in a full bridge circuit. An electrical resistance exhibited by the primary side P is represented by the primary resistance Rp.

Auf der Sekundärseite S sind die Sekundärwicklungen des Transformators T über eine Schalteranordnung und eine Filterschaltung F an den Ausgangsanschluss A2 angeschlossen. Die Schalteranordnung ist vorliegend als Gleichrichterschaltung G zum gesteuerten Gleichrichten einer vom Transformator übertragenen Wechselspannung ausgebildet. Dazu umfasst die Gleichrichterschaltung G gemäß 1 zwei Schaltelemente Q5 und Q6, die als Mittelpunktgleichrichter verschaltet und an die Sekundärwicklungen angeschlossen sind. An die Gleichrichterschaltung G ist über den Mittelabgriff der Sekundärwicklungen die Filterschaltung F angeschlossen. Die Filterschaltung F ist vorliegend durch ein LC-Glied gebildet. Dabei umfasst die Filterschaltung eine Filterinduktivität Lf, an der ein Filterstrom iL abgreifbar ist. Zudem umfasst die Filterschaltung F eine Filterkapazität Co, an der ein Filterkapazitätsstrom ic abgreifbar ist. Ein Innenwiderstand oder parasitärer Widerstand Rc der Filterkapazität Co ist in 1 durch den Widerstand Rc symbolisiert. Der Ausgangsanschluss A2 ist somit durch den Mittelabgriff und einen Bezugspotentialabgriff, an dem das Bezugspotential GND2 bereitgestellt ist, ausgeführt. An dem Ausgangsanschluss ist die Ausgangsspannung Vo und der Ausgangsstrom lo abgreifbar oder bereitstellbar.On the secondary side S, the secondary windings of the transformer T are connected via a switch arrangement and a filter circuit F to the output terminal A2. In the present case, the switch arrangement is designed as a rectifier circuit G for the controlled rectification of an AC voltage transmitted by the transformer. For this purpose, the rectifier circuit G according to 1 two switching elements Q5 and Q6 connected as a midpoint rectifier and connected to the secondary windings. The filter circuit F is connected to the rectifier circuit G via the center tap of the secondary windings. In the present case, the filter circuit F is formed by an LC element. In this case, the filter circuit includes a filter inductance Lf, at which a filter current iL can be tapped. In addition, the filter circuit F includes a filter capacitance Co, at which a filter capacitance current ic can be tapped. An internal resistance or parasitic resistance Rc of the filter capacitance Co is in 1 symbolized by the resistance Rc. The output connection A2 is thus implemented by the center tap and a reference potential tap at which the reference potential GND2 is provided. The output voltage Vo and the output current lo can be tapped or provided at the output connection.

Wie in 1 gezeigt, sind die Schaltelemente Q1 - Q6 der Wechselrichterschaltung W und der Gleichrichterschaltung G sind als Halbleiterschalter, vorliegend beispielhaft als MOSFETs, ausgebildet. Natürlich kann alternativ jede andere Art von Halbleiterschalter eingesetzt werden. In 1 sind die Schaltelemente zum Darstellen ihrer elektrischen Eigenschaften durch ihre jeweilige intrinsische Kapazität C1 - C6 und ihre jeweilige intrinsische Body-Diode D1 - D6 ergänzt.As in 1 shown, the switching elements Q1-Q6 of the inverter circuit W and the rectifier circuit G are designed as semiconductor switches, in the present example as MOSFETs. Of course, any other type of semiconductor switch can be used as an alternative. In 1 the switching elements are supplemented by their respective intrinsic capacitances C1-C6 and their respective intrinsic body diodes D1-D6 to represent their electrical properties.

Zum Betreiben des Konverters K können die Schaltelemente Q1 - Q6 in bekannter Weise nach einer vorbestimmten Schaltlogik in einem jeweils vorgegebenen Schaltmuster betrieben werden. Durch das Schaltmuster können die Schaltelemente Q1 - Q6 zwischen einem ein- und ausgeschalteten Schaltzustand geschaltet werden. Im eingeschalteten Schaltzustand ist das jeweilige Schaltelement Q1 - Q6 durchgeschaltet und weist einen geringen elektrischen Widerstand R1 - R6 auf. Insbesondere ist der jeweilige Schalterwiderstand R1 - R6 sehr viel geringer als ein Diodenwiderstand oder Vorwärtswiderstand den die Body-Diode D1 - D6 des jeweiligen Schalters Q1 - Q6 aufweist. Dadurch wird ein Stromfluss durch einen jeweiligen Kanal (Kanalstrom) des Schalters Q1 - Q6 ermöglicht. Mit Kanal ist vorliegend ein leitfähiger Abschnitt zwischen einem Drain- und Source-Anschluss des jeweiligen Schalters Q1 - Q6 gemeint. Im ausgeschalteten Schaltzustand weist das jeweilige Schaltelement Q1 - Q6 einen hohen elektrischen Widerstand auf, sodass der Stromfluss durch den Kanal versperrt ist. Der Strom kann dann zum Beispiel über die jeweilige Body-Diode D1 - D6 abfließen.To operate the converter K, the switching elements Q1-Q6 can be operated in a known manner according to a predetermined switching logic in a respectively predetermined switching pattern. The switching pattern allows the switching elements Q1 - Q6 to be switched between on and off switching states. In the switched-on switching state, the respective switching element Q1-Q6 is switched through and has a low electrical resistance R1-R6. In particular, the respective switch resistance R1-R6 is very much lower than a diode resistance or forward resistance that the body diode D1-D6 of the respective switch Q1-Q6 has. This enables a current to flow through a respective channel (channel current) of the switch Q1 - Q6. In the present case, channel means a conductive section between a drain and source connection of the respective switch Q1-Q6. When switched off, the respective switching element Q1 - Q6 has a high electrical resistance, so that the flow of current through the channel is blocked. The current can then flow away via the respective body diode D1-D6, for example.

Das jeweilige Schaltmuster für die Schalter Q1 - Q6 kann zum Beispiel durch zwei vorbestimmte Logiksignale erzeugt werden. Die Logiksignale sind dabei in ihrem Verlauf gleich ausgestaltet und um einen vorbestimmten Zeitversatz zueinander phasenverschoben. Dieser Zeitversatz wird als duty cycle oder Tastverhältnis bezeichnet. Das jeweilige Schaltmuster kann sich nun beispielsweise durch Anwenden eines logischen Operators auf eines der Logiksignale oder durch logische Verknüpfung beider Logiksignalen ergeben. Somit stellt sich der duty cycle auch für das jeweilige Schaltmuster der Schalter Q1 - Q6 ein. Bei der Wechselrichterschaltung W kann für die Bestimmung des Schaltmusters aus den Logiksignalen insbesondere eine vorgegebene Totzeit Td berücksichtigt werden. Die Totzeit Td ist ein zum Beispiel vom Hersteller vorgegebener Zeitversatz, der beim Schalten der Schalter Q1 - Q4 eingehalten werden soll, um enen Kurzschluss zu vermeiden. Das jeweiliges Schaltmuster kann mittels einer Steuereinrichtung, wie zum Beispiel einem sogenannten Gatetreiber, an das jeweilige Schaltelement Q1 - Q6 bereitgestellt werden.The respective switching pattern for the switches Q1 - Q6 can be generated, for example, by two predetermined logic signals. The logic signals have the same profile and are phase-shifted relative to one another by a predetermined time offset. This time offset is referred to as the duty cycle or duty cycle. The respective switching pattern can now result, for example, by applying a logical operator to one of the logic signals or by logically linking the two logic signals. The duty cycle is thus also set for the respective switching pattern of the switches Q1-Q6. In the case of the inverter circuit W, in particular a predefined dead time Td can be taken into account for determining the switching pattern from the logic signals. The dead time Td is a time offset specified by the manufacturer, for example, which should be observed when switching the switches Q1 - Q4 in order to avoid a short circuit. The respective switching pattern can be provided to the respective switching element Q1-Q6 by means of a control device, such as a so-called gate driver.

Durch geeignetes Schalten gemäß dem jeweiligen Schaltmuster kann nun mit der Wechselrichterschaltung W aus der Eingangsspannung Vin eine elektrische Wechselspannung erzeugt werden. Mit dieser Wechselspannung wird der Transformator T für die Energieübertragung beaufschlagt, weshalb die Wechselspannung auch als Spulenspannung bezeichnet wird. Abhängig von der vorgenannten Streuinduktivität Lk stellt sich nun der Spulenstrom ilk auf der Primärseite P ein. Durch eine magnetische Kopplung des Transformators T wird abhängig von dem Spulenstrom ilk und der Spulenspannung elektrische Energie oder Leistung an die Sekundärseite S übertragen. Auf der Sekundärseite S werden die Schalter Q5 und Q6 der Gleichrichterschaltung G ebenfalls in dem jeweiligen Schaltmuster betrieben. Dadurch kann eine durch die Leistungsübertragung von der Primärseite P an die Sekundärseite S induzierte Wechselspannung in eine elektrische Gleichspannung gleichgerichtet werden. Die gleichgerichtete Spannung wird anschließend noch mittels der Filteranordnung F geglättet oder gefiltert und als Ausgangsspannung Vo am Ausgangsanschluss A2 bereitgestellt.By suitable switching according to the respective switching pattern, an electrical AC voltage can now be generated with the inverter circuit W from the input voltage Vin. This AC voltage is applied to the transformer T for energy transmission, which is why the AC voltage is also referred to as the coil voltage. Depending on the aforementioned leakage inductance Lk, the coil current ilk now sets itself on the primary side P. Electrical energy or power is transmitted to the secondary side S by magnetic coupling of the transformer T, depending on the coil current ilk and the coil voltage. On the secondary side S, the switches Q5 and Q6 of the rectifier circuit G are also operated in the respective switching pattern. As a result, an AC voltage induced by the power transmission from the primary side P to the secondary side S can be rectified into an electrical DC voltage. The rectified voltage is then smoothed or filtered by means of the filter arrangement F and is made available as an output voltage Vo at the output terminal A2.

Bei herkömmlichen Konvertern K wird das Schaltmuster zum Schalter der Schalter Q1 - Q6 in der Regel abhängig von einer Impedanz des Konverters K am Eingang oder einer Laständerungen am Ausgang eingestellt. Dabei ist das Ziel die Ausgangsspannung Vo konstant zu halten. Bei diesem herkömmlichen Betrieb wird allerdings die elektrische Eigenschaft der Spulenanordnung, hier also des Transformators T, nicht berücksichtigt. Durch die Streuinduktivität Lk werden die Spulenspannung und der Spulenstrom nämlich zeitverzögert, also phasenverschoben bereitgestellt. Dadurch kann es passieren, dass an der Sekundärseite S an dem jeweiligen Schalter Q5 und/oder Q6 schon eine Kanalspannung Vs anliegt, obwohl der jeweilige Schalter noch nicht durchgeschaltet ist. Der Strom fließt über die zugeordnete Body-Diode D5, D6 und da diese einen höheren elektrischen Widerstand als der durchgeschaltete Schalter Q5, Q6 aufweist, wird zusätzliche Verlustleistung erzeugt.In conventional converters K, the switching pattern for switching the switches Q1-Q6 is generally set as a function of an impedance of the converter K at the input or a load change at the output. The aim is to keep the output voltage Vo constant. In this conventional operation, however, the electrical property of the coil arrangement, that is to say here of the transformer T, is not taken into account. Because of the leakage inductance Lk, the coil voltage and the coil current are made available with a time delay, ie out of phase. As a result, it can happen that a channel voltage Vs is already present on the secondary side S at the respective switch Q5 and/or Q6, although the respective switch is not yet switched through. The current flows through the associated body diode D5, D6, and since this has a higher electrical resistance than the switched-through switch Q5, Q6, additional power loss is generated.

Um solche Verluste beim Betreiben des Konverters K zu vermeiden, wird, wie in 2 dargestellt, ein vorbestimmter Prognosealgorithmus F durchgeführt, um einen Schaltzeitpunkt zum Durchschalten der Schalteranordnung in dem jeweiligen Schaltmuster anzupassen. Gemäß dem Prognosealgorithmus F wird dabei für eine jeweilige Halbwelle der Spulenspannung, mit der die Spulenanordnung, also der Transformator T beaufschlagt wird, ein zeitlicher Verlauf der Kanalspannung Vs vorhergesagt oder prognostiziert. Für die Vorhersage wird ein zeitlicher Verlauf des Spulenstroms ilk berechnet oder insbesondere durch mathematische Berechnungen abgeschätzt. In Abhängigkeit von dem Spulenstromverlauf ilk wird dann der Schaltzeitpunkt bestimmt und die Gleichrichterschaltung G zum Durchschalten angesteuert. Eine Halbwelle ist dabei als Kurvenverlauf der gepulsten Spulenspannung zwischen zwei Nulldurchläufen zu verstehen. Als Berechnungsbeginn oder Startzeitpunkt für den Prognosealgorithmus F wird somit immer ein Zeitpunkt gewählt, zu dem die Spulenspannung einen Nulldurchlauf hat.In order to avoid such losses when operating the converter K, as in 2 shown, a predetermined prognosis algorithm F is carried out in order to adapt a switching time for switching through the switch arrangement in the respective switching pattern. According to the prognosis algorithm F, a time course of the channel voltage Vs is predicted or forecast for a respective half-cycle of the coil voltage with which the coil arrangement, ie the transformer T is acted upon. For the prediction, a time profile of the coil current ilk is calculated or, in particular, estimated by mathematical calculations. The switching time is then determined as a function of the coil current profile ilk and the rectifier circuit G is controlled to switch through. A half-wave is to be understood as a curve of the pulsed coil voltage between two zero crossings. A point in time at which the coil voltage has passed through zero is therefore always selected as the beginning of the calculation or the starting point in time for the prognosis algorithm F.

Als Eingangsparameter H für den Prognosealgorithmus F werden dabei Mittelwerte der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung Vo und des Ausgangsstroms lo des Konverters K ermittelt. Zudem wird der duty cycle d als weiterer Eingangsparameter H bereitgestellt. Als Ausgangsparameter gibt der Prognosealgorithmus A gemäß 2 beispielweise eine Zeitdifferenz Δt vor. Die Zeitdifferenz Δt repräsentiert die zeitliche Verschiebung zwischen dem Durchschaltzeitpunkt gemäß dem herkömmlichen Schaltmuster und dem angepassten Schaltzeitpunkt tE, der gemäß dem Prognosealgorithmus F berechnet wurde. Um die jeweiligen Schaltzeitpunkte tE für die Schalter Q5 und Q6 einzustellen oder einzuregeln, kann wie in 2 dargestellt, eine Regelung eingesetzt werden. Für die Regelung wird die Zeitdifferenz Δt mit einer Solldifferenz Δtsoll verglichen. Die Solldifferenz Δtsoll beträgt insbesondere null. Ziel der Regelung ist es somit die Zeitdifferenz Δt zu null zu regeln. Abhängig von dem Vergleich wird eine resultierende Regelabweichung an einen Gleichrichtungsregler CΔt bereitgestellt, der als eine Regelgröße abhängig von der Regelabweichung den Schaltzeitpunkt tE für die Gleichrichterschaltung G beziehungsweise deren Schalter Q5 und Q6 anpasst. Der Gleichrichtungsregler CΔt kann zum Beispiel ein Linearregler oder linearer oder stetiger Regler, wie beispielsweise ein PI- oder PID-Regler sein.Mean values of the input voltage Vin, the output voltage Vo and the output current Io of the converter K are determined as input parameters H for the prognosis algorithm F. In addition, the duty cycle d is provided as a further input parameter H. The prognosis algorithm gives A as the output parameter 2 for example a time difference Δt. The time difference Δt represents the time shift between the switching time according to the conventional switching pattern and the adjusted switching time tE, which was calculated according to the forecasting algorithm F. In order to set or regulate the respective switching times tE for the switches Q5 and Q6, as in 2 shown, a scheme can be used. For the control, the time difference Δt is compared with a setpoint difference Δtsoll. The setpoint difference Δtsoll is, in particular, zero. The aim of the regulation is therefore to regulate the time difference Δt to zero. Depending on the comparison, a resulting system deviation is provided to a rectifier controller CΔt, which adjusts the switching time tE for the rectifier circuit G or its switches Q5 and Q6 as a control variable depending on the system deviation. The rectification controller CΔt can be, for example, a linear controller or a linear or continuous controller, such as a PI or PID controller.

Im Folgenden ist ein Codebeispiel für den Prognosealgorithmus F angeführt:

Figure DE102021108698A1_0001
Figure DE102021108698A1_0002
The following is a code example for the prediction algorithm F:
Figure DE102021108698A1_0001
Figure DE102021108698A1_0002

In dem Prognosealgorithmus F wird zunächst ein Initialwert des Spulenstroms ilk in Abhängigkeit von den Eingangsparametern H ermittelt. Dieser Initialwert wird dann als einen Sollwert für den Spulenstrom ilk festgelegt. Der Initialwert wird durch Berechnung eines Rippelstroms Ir ermittelt. Der Rippelstrom Ir ist ein aus den Eingangsparametern H berechneter Schätzverlauf für den Stromverlauf des Filterstroms iL, der durch die Filterinduktivität Lf auf der Sekundärseite S für die jeweilige Halbwelle der Spulenspannung bereitgestellt wird. Der Rippelstrom Ir kann zum Beispiel wie folgt berechnet werden: I r = T s 2 ( V o 1 n V i n + l o ( R s e k + R p r i m n 2 ) ) ( d L d + 2 T d T s ) ( L ƒ + 1 n 2 L k )

Figure DE102021108698A1_0003
In the prognosis algorithm F, an initial value of the coil current ilk as a function of the input parameters H is first determined. This initial value is then set as a target value for the coil current ilk. The initial value is determined by calculating a ripple current Ir. The ripple current Ir is an estimated curve calculated from the input parameters H for the current curve of the filter current iL, which is provided by the filter inductance Lf on the secondary side S for the respective half-cycle of the coil voltage. For example, the ripple current Ir can be calculated as follows: I right = T s 2 ( V O 1 n V i n + l O ( R s e k + R p right i m n 2 ) ) ( i.e L i.e + 2 T i.e T s ) ( L ƒ + 1 n 2 L k )
Figure DE102021108698A1_0003

Hierbei ist Ts eine Dauer einer vollständige Schaltperiode des jeweiligen Logiksignals, das zum Festlegen des jeweiligen Schaltmusters für die Schalter Q1 - Q6 genutzt wird. n ist ein Windungsverhältnis der Primär- und Sekundärwindungen des Transformators T und dL ist ein sogenannter duty cycle loss. Der duty cycle loss dL beschreibt dabei einen Einschaltdauerverlust, der sich im Vergleich zu dem ursprünglichen duty cycle d ergibt. Rprim und Rsek sind Widerstandswerte, die sich für die Primärseite P und die Sekundärseite S zum Beginn der Messung ergeben, wobei Rprim = Rp + Rdsp und Rsek = Rs + Rdss. Rdsp ist ein elektrischer Widerstand, den die Schalter Q1 - Q4 im vollständig durchgeschalteten Schaltzustand (on resistance) aufweisen und Rss ein elektrischer Widerstand, den die Schalter Q5 und Q6 im vollständig durchgeschalteten Schaltzustand (on resistance) aufweisen.Here, Ts is a duration of a complete switching period of the respective logic signal used to determine the respective switching pattern for the switches Q1 - Q6. n is a turns ratio of the primary and secondary windings of the transformer T and dL is a so-called duty cycle loss. The duty cycle loss dL describes a duty cycle loss that results in comparison to the original duty cycle d. Rprim and Rsek are resistance values obtained for the primary side P and the secondary side S at the beginning of the measurement, where Rprim = Rp + Rdsp and Rsek = Rs + Rdss. Rdsp is an electrical resistance exhibited by the switches Q1-Q4 in the on-resistance state, and Rss is an electrical resistance exhibited by the switches Q5 and Q6 in the on-resistance state.

Der Initialwert kann aus dem Rippelstrom Ir zum Beispiel wie folgt berechnet werden: i l k = 1 n ( I o I r 2 )

Figure DE102021108698A1_0004
The initial value can be calculated from the ripple current Ir as follows, for example: i l k = 1 n ( I O I right 2 )
Figure DE102021108698A1_0004

Somit hängt der Initialwert von dem Mittelwert des Ausgangsstroms Io und dem berechneten Stromrippel Ir ab, und wird über das Windungsverhältnis n auf die Primärseite transformiert. Insbesondere ergibt sich der Initialwert abhängig von einem Betriebsmodus in dem der Konverter K betrieben wird. Der Betriebsmodus kann zum Beispiel ein Aufwärtswandlermodus (Boost-Converter Mode) oder ein Abwärtswandlermodus (Buck-Converter Mode) sein und beschreibt eine Energieübertragungsrichtung in dem Konverter K. Der Betriebsmodus ist insbesondere durch die Eingangsparameter H bekannt, also ein Verhältnis der Eingangsspannung Vin zu der Ausgangsspannung Vo bekannt.The initial value thus depends on the mean value of the output current Io and the calculated current ripple Ir, and is transformed to the primary side via the turns ratio n. In particular, the initial value results depending on an operating mode in which the converter K is operated. The operating mode can be, for example, a step-up converter mode (boost converter mode) or a step-down converter mode (buck converter mode) and describes an energy transmission direction in the converter K. The operating mode is known in particular by the input parameters H, i.e. a ratio of the input voltage Vin to the output voltage Vo known.

Der Sollwert des Spulenstroms ilk ist insbesondere so gewählt, dass die Kanalspannung Vs abhängig von dem Betriebsmodus gerade an dem jeweiligen Schalter Q5, Q6 anliegt, wenn der Spulenstrom ilk den Sollwert erreicht. Mit „Anliegen“ ist gemeint, dass die Kanalspannung einen Wert größer oder kleiner null aufweist.The desired value of the coil current ilk is selected in particular in such a way that the channel voltage Vs is present at the respective switch Q5, Q6, depending on the operating mode, when the coil current ilk reaches the desired value. By "presence" it is meant that the channel voltage has a value greater than or less than zero.

Nach der Berechnung des Rippelstroms Ir wird in dem Prognosealgorithmus F eine Berechnungsroutine durchgeführt. Bei der Berechnungsroutine wird ausgehend von dem Initialwert der zeitliche Verlauf des Spulenstroms ilk ermittelt. Dazu wird die betrachtete Halbwelle der Spulenspannung in einzelne Phasen (englisch: phase) unterteilt. Die Phasen repräsentieren ein vorbestimmtes Übertragungsverhalten der Bauteile in dem Konverter K. Da der Konverter K vorliegend die Wechselrichterschaltung W zum Erzeugen der Spulenspannung als Wechselspannung nutzt, werden die Phasen gemäß einer jeweiligen Schaltkonfiguration der Schalter Q1 - Q4 ausgewählt. Eine Phase ist somit als eine Periode zu verstehen, in der eine vorbestimmte Schaltkonfiguration der Schalter Q1 - Q4 beibehalten wird, während ein Phasenübergang zwischen zwei Phasen als eine Änderung der Schaltkonfiguration zu verstehen ist. Da zum Erzeugen der Halbwelle für die Spulenspannung vorliegend vier Schaltkonfigurationen der Schalter Q1 - Q4 notwendig sind, wird die Halbwelle in vier Phasen p1, p2, p3 und p4 eingeteilt.After the calculation of the ripple current Ir, a calculation routine is carried out in the prognosis algorithm F. In the calculation routine, the course of the coil current ilk over time is determined on the basis of the initial value. For this purpose, the half-wave of the coil voltage under consideration is subdivided into individual phases. The phases represent a predetermined transmission behavior of the components in the converter K. Since the converter K in the present case uses the inverter circuit W to generate the coil voltage as AC voltage, the phases are selected according to a respective switching configuration of the switches Q1-Q4. A phase is thus to be understood as a period in which a predetermined switching configuration of the switches Q1 - Q4 is maintained, while a phase transition between two phases is to be understood as a change in the switching configuration. Since four switching configurations of the switches Q1-Q4 are necessary to generate the half-wave for the coil voltage, the half-wave is divided into four phases p1, p2, p3 and p4.

Für jede der Phasen p1 - p4 wird anschließend ein jeweiliger Energiespeicherzustand (englisch: state) des Konverters K bestimmt. Der Energiespeicherzustand betrifft einen Energiespeicherverhalten, das die energiespeichernden Bauteile des Konverters K in der jeweiligen Phase p1 - p4 aufweisen. Dazu gehören zum Beispiel die intrinsischen MOSFET-Kapazitäten C1 - C6 und die Streuinduktivität. Es geht also darum zu bestimmen, ob und wie sich die energiespeichernden Bauteile in der jeweiligen Phase p1 - p4 auf den Spulenstrom ilk auswirken. Der jeweilige Energiespeicherzustand kann von möglichen Diodenleitvorgängen abhängen. Mit „Diodenleitvorgängen“ ist gemeint, welche der Body-Dioden D1 - D6 des Konverters K aktuell Strom leitet oder stromdurchflossen ist.A respective energy storage state of the converter K is then determined for each of the phases p1-p4. The energy storage state relates to an energy storage behavior that the energy-storing components of the converter K have in the respective phase p1-p4. These include, for example, the intrinsic MOSFET capacitances C1 - C6 and the leakage inductance. It is therefore a question of determining whether and how the energy-storing components in the respective phase p1 - p4 affect the coil current ilk. The particular energy storage state may depend on possible diode conduction. "Diode conduction processes" means which of the body diodes D1 - D6 of the converter K is currently conducting current or has current flowing through it.

Aus den Energiespeicherzuständen kann dann ein zugeordneter Werteverlauf des Spulenstroms ilk abgeschätzt werden. Der Werteverlauf kann abhängig von der Phase zum Beispiel als Wertepaar zum Startzeitpunkt und Endzeitpunkt der Phase oder als ein zeitlicher Verlauf durch Anwenden einer vorgegebenen Zeitfunktion vorliegen. Relevant für die Bestimmung des Schaltzeitpunkts tE zum Durschalten der Schalter Q5 und Q6 sind vorliegend insbesondere die letzten beiden Phasen p3 und p4. Somit kann in diesen Phasen zum Beispiel der zeitliche Verlauf des Spulenstroms ilk bestimmt werden, während es in den Phasen p1 und p2 genügt, die Anfangs- und Endwerte zum Startzeitpunkt und Endzeitpunkt der jeweiligen Phase zu kennen.An assigned value profile of the coil current ilk can then be estimated from the energy storage states. Depending on the phase, the course of values can be present, for example, as a pair of values at the start time and end time of the phase or as a course over time by applying a predetermined time function. In the present case, the last two phases p3 and p4 are particularly relevant for determining the switching time tE for switching on the switches Q5 and Q6. Thus, in these phases, for example, the time profile of the coil current ilk can be determined, while in phases p1 and p2 it is sufficient to know the start and end values at the start time and end time of the respective phase.

Ausgehend von dem so ermittelten Verlauf des Spulenstroms ilk kann schließlich der Schaltzeitpunkt tE als derjenige Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem der Spulenstrom ilk in dem zeitlichen Verlauf einen Wert einnimmt, der dem festgelegten Sollwert, also dem Initialwert entspricht. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Kanalspannung Vs, die an dem jeweiligen Schalter Q5, Q6 abgreifbar ist, mit dem Spulenstrom ilk durch das bekannte Übertragungsverhalten des Transformators T korreliert. Dadurch kann von dem Verlauf des Spulenstroms ilk auf den Verlauf der Kanalspannung Vs zurückgeschlossen werden.Based on the course of the coil current ilk determined in this way, the switching time tE can finally be determined as the point in time at which the coil current ilk assumes a value over time that corresponds to the specified setpoint value, ie the initial value. This exploits the fact that the channel voltage Vs, which can be tapped off at the respective switch Q5, Q6, correlates with the coil current ilk through the known transfer behavior of the transformer T. As a result, the course of the channel voltage Vs can be deduced from the course of the coil current ilk.

Der Prognosealgorithmus F kann zum Beispiel für jede einzelne Halbwelle der Spulenspannung durchgeführt werden. Insbesondere dann, wenn eine Berechnungsdauer des Prognosealgorithmus F kürzer ist, also eine Dauer eines Halbwellenverlaufs. Alternativ kann beispielsweise nur für jede x-te Halbwelle des Spulenspannungsverlaufs der Prognosealgorithmus F ausgeführt werden, beispielsweise für jede zweite, oder jede fünfte, oder jede zehnte Halbwelle. Insgesamt ist nur darauf zu achten, dass die Berechnungsdauer kürzer gehalten wird, als eine Dynamik des Konverters K, wenn dieser in einem Lastsystem, wie beispielsweise dem eingangs genannten Bordnetz des Kraftfahrzeugs betrieben wird. Typischerweise beträgt die Dynamik in diesem Einsatzgebiet etwa 20 kHz, sodass die Berechnungsdauer in höchstens 50 µs abgeschlossen sein sollte. In Testversuchen wurden zum Beispiel Berechnungsdauern von 2 - 3 µs erreicht.The prognosis algorithm F can, for example, be carried out for each individual half cycle of the coil voltage. In particular when a calculation time of the prognosis algorithm F is shorter, that is to say the duration of a half-wave curve. Alternatively, for example, the prognosis algorithm F can only be executed for every xth half-wave of the coil voltage profile, for example for every second, or every fifth, or every tenth half-wave. Overall, it is only necessary to ensure that the calculation time is kept shorter than the dynamics of the converter K when it is operated in a load system, such as the vehicle electrical system mentioned at the outset. The dynamic range in this area of application is typically around 20 kHz, so the calculation should take no more than 50 µs. In tests, for example, calculation times of 2 - 3 µs were achieved.

Im Folgenden sind beispielhaft Berechnungsschritte zum Berechnen des Spulenstromverlaufs ilk in den einzelnen Phasen p1 - p4 näher beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zum Berechnen des Spulenstromverlaufs ilk Zustandsraumberechnungen, numerische Berechnungen mittels Newton-Verfahren und eine Anfangswertsatz und Endwertsatzberechnung mithilfe der Laplace-Transformation eingesetzt. Zum Berechnen des Spulenstromverlaufs ilk kann das von dem Konverter K bereitgestellte Übertragungssystem zum Beispiel durch ein Zustandsraummodell gemäß folgenden Zustandsraumgleichungen beschrieben werden: A x s = A x x + B u u A = A x 1 A x  B = A x 1 B u sx x 0   = Ax + Bu = Cx + Du

Figure DE102021108698A1_0005
Calculation steps for calculating the coil current curve ilk in the individual phases p1-p4 are described in more detail below by way of example. In the present exemplary embodiment, state space calculations, numerical calculations using Newton's method and an initial value set and final value set calculation using the Laplace transformation are used to calculate the coil current profile ilk. To calculate the coil current profile ilk, the transmission system provided by the converter K can be described, for example, by a state space model according to the following state space equations: A x s x = A x x + B and and A = A x 1 A x B = A x 1 B and sx x 0 = axe + Bu y = Cx + You
Figure DE102021108698A1_0005

In der ersten Phase p1 sind die Schalter Q1, Q5 und Q6 geschlossen, also durchgeschaltet, und sind deshalb durch ihren jeweiligen Schalterwiderstand R1, R4 und R6 repräsentiert. Die Schalter Q2, Q3, und Q4 sind geöffnet, also ausgeschaltet. In der ersten Phase p1 ist ihr Einfluss durch ihre jeweiligen Body-Dioden D2, D3 und D4 sowie ihre jeweiligen Kapazitäten C2, C3 und C4 sichtbar. Die erste Phase p1 umfasst somit eine Totzeit Td der Wechselrichterschaltung W und kann als Totzeitphase bezeichnet werden.In the first phase p1, the switches Q1, Q5 and Q6 are closed, ie switched through, and are therefore represented by their respective switch resistances R1, R4 and R6. The switches Q2, Q3, and Q4 are open, ie switched off. In the first phase p1 their influence can be seen through their respective body diodes D2, D3 and D4 and their respective capacitances C2, C3 and C4. The first phase p1 thus includes a dead time Td of the inverter circuit W and can be referred to as a dead time phase.

Die Zustandsraumbeschreibung gemäß den obigen Zustandsraumgleichungen für die erste Phase p1 ergibt sich wie folgt: A x ˙ = [ 0 ( R d s p + R c p ) C p 0 0 R c p C p 0 R c p C p 0 0 R c p C p R c p C p L k C c p 0 C c p 0 ] A x = [ 0 1 0 R d s p 1 0 1 0 0 1 1 R p + n 2 4 R d s s 0 0 0 1 ]  Bu = [ 1 0 1 0 0 n 4 R d s s 0 0 ]  x = [ u 2   u 3   u 4   i l k ]  u = [ V i n   i L ] T  x 0 = [ V i n   V i n   0   1 n ( i L ) ] T

Figure DE102021108698A1_0006
The state space description according to the above state space equations for the first phase p1 is as follows: A x ˙ = [ 0 ( R i.e s p + R c p ) C p 0 0 R c p C p 0 R c p C p 0 0 R c p C p R c p C p L k C c p 0 C c p 0 ] A x = [ 0 1 0 R i.e s p 1 0 1 0 0 1 1 R p + n 2 4 R i.e s s 0 0 0 1 ] Bu = [ 1 0 1 0 0 n 4 R i.e s s 0 0 ] x = [ and 2 and 3 and 4 i l k ] and = [ V i n i L ] T x 0 = [ V i n V i n 0 1 n ( i L ) ] T
Figure DE102021108698A1_0006

Rcp ist ein Primärwiderstand der Schalterkapazitäten Cp. Es wird angenommen, dass alle Schalter Q1 - Q6 die gleiche Schalterkapazität aufweisen. Für die erste Phase p1 sind die Anfangszustände im Vektor x0 angegeben. Die Kapazitäten C2 und C3 sind zu Beginn von Phase 1 geladen, während die Kapazität C4 vollständig entladen ist. Der Anfangswert des Spulenstroms ilk durch die Streuinduktivität Lk entspricht somit dem um das Windungsverhältnis n reduzierten Maximalwert des Filterstroms iL = Io + Ir/2.Rcp is a primary resistance of the switch capacitances Cp. It is assumed that all switches Q1 - Q6 have the same switch capacitance. For the first phase p1, the initial states are given in the vector x 0 . Capacitors C2 and C3 are charged at the beginning of phase 1, while capacitor C4 is fully discharged. The initial value of the coil current ilk through the leakage inductance Lk thus corresponds to the maximum value of the filter current iL=Io+Ir/2 reduced by the turns ratio n.

Um den zugehörigen Anfangswert uQi (t0), mit i ∈ {2, 3, 4} für die Kanalspannung Vs der jeweiligen Schalter Q2, Q3 und Q4 zu bestimmen, werden in dem Prognosealgorithmus F als nächstes die möglichen Diodenleitvorgänge auf Basis der Zustandsraumbeschreibungen bestimmt. Die Diode D2 leitet, wenn uQ2 (t0) = u2 + (s u2 - u2,0) CpRcp < Vd, wobei Vd die Vorwärtsspannung der Diode D2 ist. Entsprechendes gilt auch für die Dioden D3 und D4. Durch Anwenden der Laplace Endwertsatzberechnung ergeben sich folgende Anfangswerte uQi (t0) für die jeweilige Schalterspannung uQi: u Q 2 ( t 0 ) = V i n 1 2 R c p   i l k u Q 3 ( t 0 ) = V i n i l k   R d s p u Q 4 ( t 0 ) = 1 2 R c p   i l k

Figure DE102021108698A1_0007
In order to determine the associated initial value uQi (t0), with i ∈ {2, 3, 4} for the channel voltage Vs of the respective switches Q2, Q3 and Q4, the possible diode conduction processes are next determined in the prognosis algorithm F on the basis of the state space descriptions. Diode D2 conducts when uQ2 (t0) = u2 + (s u2 - u2,0) CpRcp < Vd, where Vd is the forward voltage of diode D2. The same applies to the diodes D3 and D4. The following initial values uQi (t0) result for the respective switch voltage uQi by applying the Laplace final value theorem calculation: and Q 2 ( t 0 ) = V i n 1 2 R c p i l k and Q 3 ( t 0 ) = V i n i l k R i.e s p and Q 4 ( t 0 ) = 1 2 R c p i l k
Figure DE102021108698A1_0007

Für den Fall, dass eine dieser Spannungen kleiner ist als die negative Vorwärtsspannung Vd, leitet die zugehörigen Diode D2, D3, D4. Da der Durchschaltwiderstand Rdsp der Diode D3 vernachlässigbar klein ist, wird die Diode D3 in Phase 1 in der Regel nicht leiten, sodass nur die Kapazität C3 ins Gewicht fällt. Für einen negativen Spulenstrom ilk (ilk < 0), der typischerweise in dem Aufwärtswandlerbetrieb des Konverters K auftritt, leitet die Diode D4. Im Abwärtswandlerbetrieb, also wenn der Spulenstrom ilk positiv ist (ilk > 0), insbesondere bei einem hohen Ausgangsstrom lo, leitet die Diode D2.In the event that one of these voltages is less than the negative forward voltage Vd, the associated diodes D2, D3, D4 conduct. Since the on-state resistance Rdsp of the diode D3 is negligibly small, the diode D3 will generally not conduct in phase 1, so that only the capacitance C3 is relevant. For a negative coil current ilk (ilk<0), which typically occurs in the step-up operation of the converter K, the diode D4 conducts. In step-down converter operation, ie when the coil current ilk is positive (ilk>0), in particular with a high output current lo, the diode D2 conducts.

In dem Prognosealgorithmus F wird demensprechend zunächst berechnet, welche Diode aktuell leitet, um anschließend aus der Zustandsraumbeschreibung das zu berechnende Zustandsraumsystem für Phase p1 auszuwählen. Für das ausgewählte Zustandsraumsystem wird dann anhand der festgelegten Schalterspannungsgleichungen uQi, die im Zeitbereich angegeben sind, der Zeitpunkt berechnet, zu dem die nächste Diode leitet. Falls der berechnete Zeitpunkt außerhalb der Totzeit Td für die Schalter Q1 - Q4 liegt, wird ein Endzeitpunkt der Totzeit Td als nächster Zeitpunkt für die Berechnung ausgewählt. Ansonsten werden die Endwerte für Phase p1 für die sich aus den Schalterspannungsgleichungen uQi ergebende, kürzeste Zeit berechnet und anschließend wird das nächste Zustandsraumsystem ausgewählt.Accordingly, in the prognosis algorithm F, it is first calculated which diode is currently conducting in order to then select the state-space system to be calculated for phase p1 from the state-space description. The point in time at which the next diode conducts is then calculated for the selected state-space system using the specified switch voltage equations uQi, which are specified in the time domain. If the calculated time is outside the dead time Td for the switches Q1 - Q4, an end time of the dead time Td is selected as the next time for the calculation. Otherwise, the final values for phase p1 are calculated for the shortest time resulting from the switch voltage equations uQi, and the next state space system is then selected.

Üblicherweise entspricht die Darstellung im Zeitbereich der Zustände x oder der Schalterspannungen uQi der einer abklingenden Oszillation um einen Offset (decaying offsetted oscillation), wie sie im Folgenden gezeigt ist: x ( t ) = A e t B ( c o s ( t C ) + sin ( t C ) D ) + E   = A e t B D 2 + 1 sin ( t C + arctan ( 1 D ) ) + E

Figure DE102021108698A1_0008
Usually, the representation in the time domain of the states x or the switch voltages uQi corresponds to that of a decaying oscillation around an offset (decaying offsetted oscillation), as shown below: x ( t ) = A e t B ( c O s ( t C ) + sin ( t C ) D ) + E = A e t B D 2 + 1 sin ( t C + arctan ( 1 D ) ) + E
Figure DE102021108698A1_0008

Hierbei sind die Koeffizienten A, B, C, D und E bekannte systemcharakteristische Konstanten oder hängen von den Anfangswerten u gemäß der Zustandsraumbeschreibung ab. Da die obige Gleichung für x(t) = 0 für bestimmte t analytisch nicht bestimmt werden kann, kann zum Lösen eine numerische Berechnung mittels Newton-Verfahren gewählt werden.Here, the coefficients A, B, C, D and E are known system-characteristic constants or depend on the initial values u according to the state-space description. Since the above equation for x(t) = 0 cannot be determined analytically for certain t, a numerical calculation using Newton's method can be chosen to solve it.

Eine erste Abschätzung für eine mögliche Näherungslösung kann nach Anwendung eines vereinfachten trigonometrischen Additionstheorems wie folgt aussehen: t 0 = 1 C ( arcsin ( E A ( D 2 + 1 ) ) arctan ( 1 D ) ) x ( t 0 ) = A e t 0 B ( ( B + C D ) c o s ( t 0 C )   + ( D B C ) sin ( t 0 C ) ) x ( t 0 ) = A e t 0 B ( c o s ( t 0 C ) + s i n ( t 0 C ) + E   = t 0 x ( t 0 ) x ( t 0 )

Figure DE102021108698A1_0009
A first estimate for a possible approximate solution can look like this after applying a simplified trigonometric addition theorem: t 0 = 1 C ( arcsin ( E A ( D 2 + 1 ) ) arctan ( 1 D ) ) x ( t 0 ) = A e t 0 B ( ( B + C D ) c O s ( t 0 C ) + ( D B C ) sin ( t 0 C ) ) x ( t 0 ) = A e t 0 B ( c O s ( t 0 C ) + s i n ( t 0 C ) + E = t 0 x ( t 0 ) x ( t 0 )
Figure DE102021108698A1_0009

Die Näherungslösung kann angewendet werden, da der Abklingfaktor B eine vergleichsweise lange Zeitkonstante aufweist, sich die Berechnungen vorliegend jedoch auf Totzeiteffekte beziehen. Typische Totzeiten liegen in der Regel unterhalb von 100 ns.The approximate solution can be used because the decay factor B has a comparatively long time constant, but the calculations here relate to dead time effects. Typical dead times are generally below 100 ns.

Nachdem daraus ein Endzeitpunkt für den Diodenleitvorgang der ausgewählten Diode oder ein Endzeitpunkt für einen Zeitraum in dem keine der Dioden leitet bestimmt ist, ergeben sich die Endwerte für die erste Phase p1 wie folgt: x = ( s I n A ) 1 ( Bu + x 0 )

Figure DE102021108698A1_0010
After an end time for the diode conduction process of the selected diode or an end time for a period in which none of the diodes conducts has been determined, the end values for the first phase p1 result as follows: x = ( s I n A ) 1 ( Bu + x 0 )
Figure DE102021108698A1_0010

Prinzipiell ist nur ein Endwert des Spulenstroms ilk von Interesse, da dieser zum Bestimmen der Schaltzeit tE möglich präzise bekannt sein soll. Da sich jedoch das System innerhalb der Totzeit Td aufgrund von verschiedenen Diodenleitvorgängen ändern kann, werden auch die Ladezustände oder Spannungen an den Kapazitäten bestimmt, um diese für die nachfolgenden Phasen zu kennen.In principle, only a final value of the coil current ilk is of interest, since this should be known as precisely as possible in order to determine the switching time tE. However, since the system can change within the dead time Td due to different diode conduction processes, the states of charge or voltages at the capacitances are also determined in order to know them for the subsequent phases.

Im Vergleich zur ersten Phase p1 ist die zweite Phase p2 ein Langzeitprozess. In der Wechselrichterschaltung W sind die beiden oberen Schalter Q1 und Q2 geschlossen, also durchgeschaltet, während die beiden unteren Schalter Q3 und Q4 geöffnet sind. Die Phase p2 ist somit die sogenannte Freilaufphase (Free Wheeling Mode) des Konverters K. Der Spulenstrom ilk wird in Phase p2 durch die Schalter Q1 und Q2 fließen. Dieser Zusammenhang ist analytisch in der folgenden Gleichung dargestellt: d d t i l k = 1 L k ( n 2 2 R d s s + 2 R d s p + R p ) i l k = m 2 i l k ,

Figure DE102021108698A1_0011
wobei m2 ein systemabhängiger Steigungskoeffizient der zweiten Phase p2 ist. Durch eine iterative Berechnung, kann der Endwert des Spulenstroms ilk festgelegt werden. Eine erste Schätzung für den Endwert ilke des Spulenstroms ilk kann durch ilke = ilk (m2t + 1) bestimmt werden. Anschließend kann die Ableitung des Spulenstroms ilk für einen vorbestimmten Strom von ilk (m2t + 1) m2 berechnet werden. Dabei kann angenommen werden, dass die berechnete Ableitung für den Langzeitprozess in Phase p2 konstant ist. Daraus ergibt sich die Mittelwert-Ableitung für den Anfangswert und den Endwert des Spulenstroms ilk in Phase p2 wie folgt: i l k ( t = ( 1 d ) T s 1 T d ) = 1 + m 2 2 ( 2 + m 2 t ) t
Figure DE102021108698A1_0012
Anschließend folgt die Berechnung der dritten Phase p3, die ähnlich zu der Berechnung in Phase p1 abläuft. Da in der Phase p3 die Kanalspannung Vs anliegen kann und die Phase p3 somit der Ursprung für den vorgenannten duty cycle loss dL sein kann, ergeben sich hier wesentliche Einflüsse für eine Dynamik des Systems.Compared to the first phase p1, the second phase p2 is a long-term process. In the inverter circuit W, the two upper switches Q1 and Q2 are closed, ie switched through, while the two lower switches Q3 and Q4 are open. The phase p2 is thus the so-called freewheeling phase (free wheeling mode) of the converter K. The coil current ilk will flow through the switches Q1 and Q2 in phase p2. This relationship is shown analytically in the following equation: i.e i.e t i l k = 1 L k ( n 2 2 R i.e s s + 2 R i.e s p + R p ) i l k = m 2 i l k ,
Figure DE102021108698A1_0011
where m 2 is a system dependent slope coefficient of the second phase p2. The end value of the coil current ilk can be determined by an iterative calculation. A first estimate for the final value ilke of the coil current ilk can be determined by ilke=ilk(m 2 t+1). Then the derivative of the coil current ilk can be calculated for a predetermined current of ilk (m 2 t + 1) m 2 . It can be assumed that the calculated derivation for the long-term process in phase p2 is constant. out of it the mean value derivation for the initial value and the final value of the coil current ilk in phase p2 is as follows: i l k ( t = ( 1 i.e ) T s 1 T i.e ) = 1 + m 2 2 ( 2 + m 2 t ) t
Figure DE102021108698A1_0012
This is followed by the calculation of the third phase p3, which is similar to the calculation in phase p1. Since the channel voltage Vs can be present in phase p3 and phase p3 can therefore be the origin of the aforementioned duty cycle loss dL, there are significant influences on the dynamics of the system here.

In der dritten Phase p3 sind die Schalter Q4 und Q6 geschlossen, also durchgeschaltet, und sind deshalb durch ihren jeweiligen Schalterwiderstand R4 und R6 repräsentiert. Die Schalter Q1, Q2, Q3, und Q5 sind geöffnet, also ausgeschaltet. In der Phase p3 ist ihr Einfluss durch ihre jeweiligen Body-Dioden D1, D2, D3 und D5 sowie ihre jeweiligen Kapazitäten C1, C2, C3 und C5 sichtbar. Die Phase p3 kann analog zur Phase p1 somit ebenfalls als Totzeitphase bezeichnet werden.In the third phase p3, the switches Q4 and Q6 are closed, ie switched through, and are therefore represented by their respective switch resistors R4 and R6. The switches Q1, Q2, Q3, and Q5 are open, ie off. In phase p3 their influence can be seen through their respective body diodes D1, D2, D3 and D5 and their respective capacitances C1, C2, C3 and C5. The phase p3 can thus also be referred to as a dead time phase, analogously to the phase p1.

In Phase p3 ergibt sich insbesondere folgende Zustandsraumbeschreibung: A x ˙ = [ R c p C p R c p C p 0 0 C p C p 0 0 0 0 2 n C s 0 0 R c p C p n 2 ( R c s + R d s s ) C a L k ] A x = [ 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 n 2 R d s p + R p ]  Bu = [ 1 0 0 0 0 1 n 0 n 2 R d s s ]  x = [ u 2   u 3   u 4   i l k ] 2  u = [ V i n   i L ] T  x 0 = [ V i n   0   0   i l k ] T

Figure DE102021108698A1_0013

  • Auffällig ist, dass eine Systemdynamik in Phase p3 gemäß der Zustandsbeschreibung stark von dem Anfangswert x0(4) = ilk abhängt. Dieser Zusammenhang betätigt die Relevanz der Bestimmung des Spulenstromverlaufs.
In particular, the following state space description results in phase p3: A x ˙ = [ R c p C p R c p C p 0 0 C p C p 0 0 0 0 2 n C s 0 0 R c p C p n 2 ( R c s + R i.e s s ) C a L k ] A x = [ 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 n 2 R i.e s p + R p ] Bu = [ 1 0 0 0 0 1 n 0 n 2 R i.e s s ] x = [ and 2 and 3 and 4 i l k ] 2 and = [ V i n i L ] T x 0 = [ V i n 0 0 i l k ] T
Figure DE102021108698A1_0013
  • It is noticeable that a system dynamics in phase p3 according to the state description depends strongly on the initial value x 0 (4) = ilk. This relationship confirms the relevance of determining the course of the coil current.

Durch Anwenden der Laplace Endwertsatzberechnung ergeben sich folgende Anfangswerte uQi (t0) für die jeweilige Schalterspannung uQi in Phase p3: u Q 1 ( t 0 ) = V i n + 1 2 i l k R c p u Q 3 ( t 0 ) = 1 2 i l k R c p ) u Q 5 ( t 0 ) = R c p C p 2 C s ( I L n i l k )

Figure DE102021108698A1_0014
The following initial values uQi (t0) result for the respective switch voltage uQi in phase p3 by applying the Laplace end value theorem calculation: and Q 1 ( t 0 ) = V i n + 1 2 i l k R c p and Q 3 ( t 0 ) = 1 2 i l k R c p ) and Q 5 ( t 0 ) = R c p C p 2 C s ( I L n i l k )
Figure DE102021108698A1_0014

Hierbei gilt, wie zuvor zu Phase p1 beschrieben, dass die jeweilige Diode leitet, wenn die Schalterspannung uQi kleiner ist als die negative Vorwärtsspannung Vd der zugeordneten Diode. Die Diodenleitvorgänge können dann wieder abhängig von dem ausgewählten Zustandsraumsystem bestimmt werden. In Phase p3 ist zu beachten, dass mehrere Dioden insbesondere gleichzeitig leitend sein können.In this case, as described above for phase p1, the respective diode conducts when the switch voltage uQi is less than the negative forward voltage Vd of the associated diode. The diode conduction processes can then again be determined depending on the selected state space system. In phase p3 it should be noted that a number of diodes can be conductive, in particular at the same time.

Nachdem abhängig von den Diodenleitvorgängen das passende Zustandsraumsystem ausgewählt ist und die jeweilige Diodenleitdauer mittels Newton-Verfahren bestimmt ist, ergeben sind für die Endwerte x in Phase p3, analog zu der Gleichung für die Endwerte x gemäß Phase p1.After the appropriate state space system has been selected depending on the diode conduction processes and the respective diode conduction time has been determined using Newton's method, the end values x in phase p3 are obtained, analogously to the equation for the end values x according to phase p1.

In Phase p3 wird die Schaltzeit tE zum Durschalten der Schalter Q5 und/oder Q6 vorgezogen, wenn die Diode D5 in Phase p3 nicht leitet, also zum Beispiel dann, wenn keine Diodenleitvorgänge auftreten oder Diode D1 leitet. Dann kann auch eine zusätzliche Spannung uadd innerhalb der Totzeit Td auftreten. Dieser Fall kann zum Beispiel im Aufwärtswandlerbetrieb des Konverters K oder bei geringer Last, also geringem Ausgangsstrom lo eintreten. Die Sekundärspannung, also die Kanalspannung Vs steigt dann innerhalb der Totzeit Td an. Dadurch kann sich die Dynamik des Systems ändern. Die Sekundärspannung Vs kann in diesem Falls wie folgt berechnet werden: V s = u 3 + R c p C p d d t u 3 L k d d t i l k ( R p + R d s p ) i l k n

Figure DE102021108698A1_0015
In phase p3, the switching time tE for turning on the switches Q5 and/or Q6 is brought forward if the diode D5 is not conducting in phase p3, ie, for example, if no diode conduction processes occur or diode D1 is conducting. An additional voltage uadd can then also occur within the dead time Td. This case can occur, for example, when the converter K is in step-up mode or when there is a low load, ie a low output current Io. The secondary voltage, ie the channel voltage Vs, then increases within the dead time Td. This can change the dynamics of the system. In this case, the secondary voltage Vs can be calculated as follows: V s = and 3 + R c p C p i.e i.e t and 3 L k i.e i.e t i l k ( R p + R i.e s p ) i l k n
Figure DE102021108698A1_0015

Durch Integrieren der Spannung Vs über die Zeitdauer der Phase p3 und Teilen des Ergebnisses durch die Hälfte der Schaltzeit Ts/2 kann ein Durchschnittswert für die Sekundärspannung Vs ermittelt werden. Dieser Durchschnittswert ergibt dann die zusätzliche Spannung uadd, die in Phase p3 auftreten kann.By integrating the voltage Vs over the duration of phase p3 and dividing the result by half the switching time Ts/2, an average value for the secondary voltage Vs can be determined. This average value then results in the additional voltage uadd that can occur in phase p3.

In der vierten Phase p4 kommt es darauf an, ob die Diode D5 immer noch leitet. Die vierte Phase p4 wird auch als Leistungstransferphase (Power Transition Mode) des Konverters K bezeichnet. Wenn die Diode D5 am Ende von Phase p3 und somit in der vierten Phase p4 immer noch leitet, ist die Schaltzeit tE zum Durschalten der Schalter Q5 und/oder Q6 zu verzögern. In diesem Fall tritt dann auch der vorgenannte duty cycle loss dL auf. Die Diodenleitdauer des Schalters Q5 hat somit direkte Auswirkungen auf die Schaltverzögerung und den duty cycle loss dL. Der duty cycle loss dL kann durch Berechnen eines durchschnittlichen Spulenstroms ilka, eines Stromanstiegs islp und der Sekundärspannung Vs wie folgt bestimmt werden: i L = I o 1 2 I r i l k a = 1 2 ( 1 n i L + i l k )   i s l p = 1 n i L i l k V s = ( 1 4 ( i L + n i l k ) I L 2 n + i L ) R d s s V d 2 Δ t = L k V i n i l k a ( 2 R d s p + R p ) + V s n 2 i s i p   d L = 2 t T s

Figure DE102021108698A1_0016
In the fourth phase p4 it depends on whether the diode D5 is still conducting. The fourth phase p4 is also referred to as the power transfer phase (power transition mode) of the converter K. If the diode D5 is still conducting at the end of phase p3 and thus in the fourth phase p4, the switching time tE for switching on the switches Q5 and/or Q6 must be delayed. In this case, the aforementioned duty cycle loss dL then also occurs. The diode conduction time of the switch Q5 thus has a direct impact on the switching delay and the duty cycle loss dL. The duty cycle loss dL can be determined by calculating an average coil current ilka, a current rise islp and the secondary voltage Vs as follows: i L = I O 1 2 I right i l k a = 1 2 ( 1 n i L + i l k ) i s l p = 1 n i L i l k V s = ( 1 4 ( i L + n i l k ) I L 2 n + i L ) R i.e s s V i.e 2 Δ t = L k V i n i l k a ( 2 R i.e s p + R p ) + V s n 2 i s i p i.e L = 2 t T s
Figure DE102021108698A1_0016

Insgesamt kann so anhand von wenigen gemessenen Mittelwerten und einem mathematischen Modell des Konverters K der Verlauf des Spulenstroms ilk vorausgerechnet werden. Anhand des Spulenstroms ilk kann dann auf die Kanalspannung Vs rückgeschlossen und die Schaltzeitpunkte td angepasst werden.Overall, the course of the coil current ilk can be calculated in advance using a few measured mean values and a mathematical model of the converter K. The coil current ilk can then be used to draw conclusions about the channel voltage Vs and the switching times td can be adjusted.

BezugszeichenlisteReference List

A1A1
erster Anschlussfirst connection
A2A2
zweiter Anschlusssecond connection
Coco
Filterkapazitätfilter capacity
C1 - C6C1 - C6
intrinsische Kapazitätintrinsic capacity
Cincin
Eingangskapazitätinput capacitance
CΔtCΔt
Gleichrichtungsreglerrectification regulator
di.e
Tastverhältnisduty cycle
D1 - D6D1 - D6
intrinsische Body-Diodeintrinsic body diode
Ff
Prognosealgorithmusprediction algorithm
GG
Gleichrichterschaltungrectifier circuit
GND1, GND2GND1, GND2
Bezugspotentialreference potential
HH
Eingangsparameterinput parameters
lolo
Ausgangsstromoutput current
ici.e
Filterstromfilter stream
ilkilk
Spulenstromcoil current
iLiL
Filterspulenstromfilter coil current
IrIrish
Rippelstromripple current
KK
Konverterconverter
Lflf
Filterinduktivitätfilter inductance
LkLuke
Streuinduktivitätleakage inductance
PP
Primärseiteprimary side
p1 - p4p1 - p4
Phasenphases
Q1 - Q6Q1 - Q6
Schaltelementeswitching elements
Rcrc
Innenwiderstandinternal resistance
SS
Sekundärseitesecondary side
ΔtΔt
Zeitdifferenztime difference
ΔtsollΔtset
Solldifferenztarget difference
tEte
Schaltzeitpunktswitching time
TT
Transformatortransformer
VoVo
Ausgangsspannungoutput voltage
Vinvintage
Eingangsspannunginput voltage
WW
Wechselrichterschaltunginverter circuit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2013/075896 A2 [0004]WO 2013/075896 A2 [0004]
  • DE 102015107960 A1 [0005]DE 102015107960 A1 [0005]
  • DE 112014006828 T5 [0006]DE 112014006828 T5 [0006]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Wandlermoduls (K), welches für eine Energiezwischenspeicherung eine Spulenanordnung (T) und für eine gesteuerte Gleichrichtung eine Schalteranordnung (G) bereitstellt, wobei die Schalteranordnung (G) nach einem vorbestimmten Schaltmuster betrieben wird, und für das vorbestimmte Schaltmuster gemäß einem vorbestimmten Prognosealgorithmus (F) ein Schaltzeitpunkt (tE) zum Durchschalten der Schalteranordnung (G) angepasst wird, wobei gemäß dem Prognosealgorithmus (F) für eine jeweilige Halbwelle einer Spulenspannung, mit der die Spulenanordnung (T) beaufschlagt wird, ein zeitlicher Verlauf einer Kanalspannung (Vs), die an der Schalteranordnung (G) bereitstellbar ist, vorhergesagt wird, indem ein zeitlicher Verlauf eines Spulenstroms (ilk), der von der Spulenanordnung (T) abhängig von der angelegten Spulenspannung bereitgestellt wird, berechnet wird und in Abhängigkeit von dem Spulenstromverlauf (ilk) der Schaltzeitpunkt (tE) bestimmt und die Schalteranordnung (G) zum Durchschalten angesteuert wird.Method for operating a converter module (K), which provides a coil arrangement (T) for intermediate energy storage and a switch arrangement (G) for controlled rectification, the switch arrangement (G) being operated according to a predetermined switching pattern, and for the predetermined switching pattern according to a predetermined prognosis algorithm (F) a switching time (tE) for switching through the switch arrangement (G) is adjusted, wherein According to the prognosis algorithm (F), for a respective half-wave of a coil voltage applied to the coil arrangement (T), a time profile of a channel voltage (Vs) that can be provided at the switch arrangement (G) is predicted by a time profile of a coil current (ilk), which is provided by the coil arrangement (T) as a function of the coil voltage applied, is calculated and the switching time (tE) is determined as a function of the coil current curve (ilk) and the switch arrangement (G) is actuated to switch through. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Eingangsparameter (H) für den Prognosealgorithmus (F) ein Mittelwert einer Eingangsspannung (Vin), einer Ausgangsspannung (Vo) und eines Ausgangsstroms (lo) des Wandlermoduls (K), sowie ein durch das Schaltmuster vorgegebenes Tastverhältnis (d) der Schalteranordnung (G) bestimmt werden, und gemäß dem Prognosealgorithmus (F) folgende Schritte durchgeführt werden: - Bestimmen eines Initialwerts des Spulenstroms (ilk) in Abhängigkeit von den Eingangsparametern (H) und Festlegen des Initialwerts als einen Sollwert für den Spulenstrom (ilk), - Durchführen einer Berechnungsroutine bei der ausgehend von dem Initialwert der zeitliche Verlauf des Spulenstroms (ilk) ermittelt wird, wobei in der Berechnungsroutine die Halbwelle in wenigstens zwei Phasen (p1, p2, p3, p4) eingeteilt wird und für jede der Phasen (p1, p2, p3, p4) ein jeweiliger Energiespeicherzustand des Wandlermoduls (K) berechnet wird und ein dem jeweiligen Energiespeicherzustand zugeordneter Werteverlauf des Spulenstroms (ilk) bestimmt wird, und - Ermitteln des Schaltzeitpunkts (tE) für die Schalteranordnung (G) als denjenigen Zeitpunkt, zu dem der Spulenstrom (ilk) in dem zeitlichen Verlauf einen Wert einnimmt, der dem festgelegten Sollwert entspricht.procedure after claim 1 , wherein the input parameter (H) for the prognosis algorithm (F) is a mean value of an input voltage (Vin), an output voltage (Vo) and an output current (lo) of the converter module (K), and a duty cycle (d) of the switch arrangement predetermined by the switching pattern (G) are determined, and the following steps are carried out according to the prognosis algorithm (F): - determining an initial value of the coil current (ilk) as a function of the input parameters (H) and setting the initial value as a target value for the coil current (ilk), - Carrying out a calculation routine in which, starting from the initial value, the time profile of the coil current (ilk) is determined, with the half-wave being divided into at least two phases (p1, p2, p3, p4) in the calculation routine and for each of the phases (p1, p2 , p3, p4) a respective energy storage state of the converter module (K) is calculated and a value profile of the coil current assigned to the respective energy storage state ms (ilk) is determined, and - determining the switching time (tE) for the switch arrangement (G) as that time at which the coil current (ilk) assumes a value over time that corresponds to the specified setpoint value. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zum Bestimmen des Initialwerts des Spulenstroms (ilk) aus den Eingangswerten für die Halbwelle ein Rippelstrom (Ir), der sich als ein Schalteranordnungs-Ausgangsstrom an der Schalteranordnung (G) einstellt, bestimmt wird, wobei der Rippelstrom (Ir) ein Oszillationsverhalten des Schalteranordnungs-Ausgangsstroms um den Mittelwert des Ausgangsstroms (lo) des Wandlermoduls (K) angibt.procedure after claim 2 , wherein to determine the initial value of the coil current (ilk) from the input values for the half-wave, a ripple current (Ir), which is set as a switch arrangement output current at the switch arrangement (G), is determined, the ripple current (Ir) having an oscillation behavior of the Switch arrangement output current to the mean value of the output current (lo) of the converter module (K) indicates. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei gemäß der Berechnungsroutine die Phasen (p1, p2, p3, p4) in Abhängigkeit von einem Übertragungsverhalten der Spulenanordnung (T) für einen jeweiligen Wertebereich der Spulenspannung innerhalb der Halbwelle festgelegt werden.Procedure according to one of claims 2 or 3 , wherein according to the calculation routine the phases (p1, p2, p3, p4) depending on a transfer behavior of the coil arrangement (T) for a respective value range of the coil voltage within the half-wave are determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Spulenspannung mit der die Spulenanordnung (T) beaufschlagt wird, mittels einer Wechselrichterschaltung (W) des Wandlermoduls (K) bereitgestellt wird, und die Phasen (p1, p2, p3, p4) zum Einteilen der Halbwelle in Abhängigkeit von einer Schaltkonfiguration der Wechselrichterschaltung (W) gewählt werden.Procedure according to one of claims 2 until 4 , wherein the coil voltage applied to the coil arrangement (T) is provided by means of an inverter circuit (W) of the converter module (K), and the phases (p1, p2, p3, p4) for dividing the half-wave depending on a switching configuration of the Inverter circuit (W) can be selected. Verfahren nach Anspruch 5, wobei gemäß dem Prognosealgorithmus (F) bei der Bestimmung des jeweiligen Schaltzeitpunkts (tE) eine vorgegebene Schaltverzögerungszeit (Td) der Wechselrichterschaltung (W) berücksichtigt wird.procedure after claim 5 , A predetermined switching delay time (Td) of the inverter circuit (W) being taken into account according to the prognosis algorithm (F) when determining the respective switching time (tE). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als die Schalteranordnung (G) eine Gleichrichterschaltung (G) mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern (Q5, Q6) bereitgestellt wird, und die wenigstens zwei Halbleiterschalter (Q5, Q6) nach dem Schaltmuster betrieben werden, wobei die Schaltmuster für die Halbleiterschalter (Q5, Q6) gemäß einer vorbestimmten Schaltlogik mit einen vorbestimmten Schaltversatz zueinander auf die Halbleiterschalter (Q5, Q6) angewendet werden, wobei der Schaltversatz ein Tastverhältnis (d) repräsentiert, und gemäß dem Prognosealgorithmus (F) der Schaltzeitpunkt (tE) für jeden der Halbleiterschalter (Q5, Q6) angepasst wirdMethod according to one of the preceding claims, wherein a rectifier circuit (G) with at least two semiconductor switches (Q5, Q6) is provided as the switch arrangement (G), and the at least two semiconductor switches (Q5, Q6) are operated according to the switching pattern, the switching pattern for the semiconductor switches (Q5, Q6) are applied to the semiconductor switches (Q5, Q6) according to a predetermined switching logic with a predetermined switching offset to one another, the switching offset representing a pulse duty factor (d), and according to the prognosis algorithm (F) the switching time (tE) is adjusted for each of the semiconductor switches (Q5, Q6). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Anpassen des Schaltzeitpunkts (tE) in einer Reglerroutine der mittels des Prognosealgorithmus (F) ermittelte Schaltzeitpunkt (tE) mit einem gemäß dem Schaltmuster vorgesehenen Schaltzeitpunkt verglichen wird und eine Differenz (Δt) zwischen den Schaltzeitpunkten zu null geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein to adapt the switching time (tE) in a controller routine, the switching time (tE) determined by means of the prognosis algorithm (F) is compared with a switching time provided according to the switching pattern and a difference (Δt) between the switching times is zero is regulated. Wandlervorrichtung mit einem Wandlermodul (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Steuereinrichtung, die zum Betreiben des Wandlermoduls (K) durch Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Converter device with a converter module (K) according to one of the preceding claims and a control device which is designed to operate the converter module (K) by carrying out a method according to one of the preceding claims. Kraftfahrzeug mit einer Wandlervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Wandlervorrichtung zum Wandeln von elektrischer Energie zwischen einem Hochvoltbordnetz und einem Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.Motor vehicle with a converter device claim 9 , wherein the converter device is designed for converting electrical energy between a high-voltage electrical system and a low-voltage electrical system of the motor vehicle.
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