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Bezug zu anhängiger früherer Patentanmeldung
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Diese Patentanmeldung beansprucht den Nutzen aus der anhängigen früheren US Provisional Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/277,510, eingereicht am 25.9.2009 von Gregory Kern für MODIFIED ZERO VOLTAGE TRANSISSION FULL BRIDGE CONVERTER (Aktenzeichen des Anwalts GRRAY-6 PROV), wobei die Patentanmeldung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft Leistungswandler und Photovoltaikanordnungen (PV) im Allgemeinen und insbesondere Schaltleistungswandler und Photovoltaikanordnungen, und noch spezieller ein weiches Schalten von isolierten Leistungswandlern und Photovoltaikanordnungen.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler (Zero Voltage Transission (ZVT) Full Bridge Converter) ist ein wohlbekannter dc/dc-Schaltwandler, der derart gesteuert werden kann, dass die Schaltelemente in der Vollbrücke, typischerweise MOSFETs oder IGBTs, unter Null-Spannung-Bedingungen geschaltet werden. Spezieller, und nun 1 betrachtend, ist ein herkömmlicher Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler 1 gezeigt. Der herkömmliche ZVT-Vollbrückenwandler 1 besteht aus einem Eingangskondensator 2, gefolgt von einer Anordnung aus Schaltvorrichtungen 4, 6, 8, 10, die in einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind, der Ausgang der Vollbrücke ist dann durch einen optionalen Primärinduktor 12 in Serie mit einem Hochfrequenztransformator 14 verbunden, der Ausgang des Hochfrequenztransformators 14 ist dann durch Dioden 16, 18, 20, 22 in entweder einer Vollbrückenkonfiguration oder einer Mittelabgriffkonfiguration gleichgerichtet, und der gleichgerichtete Ausgang ist dann durch einen Ausgangsinduktor 24 und einem Speicherkondensator 26 gefiltert.
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Als nächstes 1 und 2 betrachtend, wird der herkömmliche ZVT-Vollbrückenwandler 1 unter Verwendung zweier Steuersignale 36, 38, welche den Betrieb von Schaltvorrichtungen 4, 6, 8, 10 steuern, gesteuert. Jedes Steuersignal ist eine Hochfrequenz-Rechteckwelle 32/34, typischerweise 10 kHz bis 300 kHz, die bei einem festen 50%-Arbeitszyklus operiert. Eine Leistungswandlung wird gesteuert durch Anpassen des Phasenwinkels (”phi”) 28, zwischen den zwei Signalen. Minimale oder Null-Leistung tritt auf, wenn phi bei 0° ist, so dass beide Steuersignale exakt in Phase sind und der Vollbrückenausgang 0 Volt ist.
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Der ZVT-Vollbrückenwandler kann in diskontinuierlichem Leitungsmodus (discontinuous conduction mode, DCM), kontinuierlichem Leitungsmodus (continuous conduction mode, CCM) oder kritischem Leitungsmodus (critical conduction mode, CrCM) betrieben werden. Der diskontinuierliche Leitungsmodus (DCM) ist ein Arbeitsmodus, bei dem der Hauptinduktorstrom bei jedem Schaltzyklus zu Null zurückkehrt. Der kontinuierliche Leitungsmodus (CCM) ist ein Betriebsmodus, bei dem der Hauptinduktorstrom nicht bei jedem Schaltzyklus zu Null zurückkehrt. Der kritische Leitungsmodus (CrCM) ist direkt am Übergang zwischen den beiden zuvor genannten Leitungsmoden.
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Der herkömmliche ZVT-Vollbrückenwandler 1 aus 1 wird typischerweise verwendet, um von einer hohen Spannung (zum Beispiel 100 bis 400 Volt Gleichspannung) herunter auf eine niedrigere Ausgangsspannung (zum Beispiel < 50 Volt Gleichspannung) zu wandeln, mit Isolation zwischen dem Eingang und dem Ausgang.
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Der herkömmliche ZVT-Vollbrückenwandler 1 aus 1 ist NICHT gut geeignet für die umgekehrte Situation, bei der die Eingangsspannung niedrig ist und die Ausgangsspannung hoch ist. Dies liegt daran, da in dieser Niedrig-Eingangs-/Hoch-Ausgangs-Situation die Spannungsbelastungen an den Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 erheblich sind. Überschwingspannungen treten an den Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 auf, die groß sind und schwierig zu handhaben sind, was den Schaltkreis-Designer dazu zwingt, Ausgangsdioden zu benutzen, die für Spannungen ausgelegt sind, die viel höher sind als die Ausgangsspannung des Wandlers. Wenn die Ausgangsspannung hoch ist, wird außerdem der Ausgangsinduktor 24 nicht gut genutzt, da er an einem Punkt in dem Schaltkreis angeordnet ist, an dem der Strom relativ klein ist.
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Der Primärinduktor 12 wird in einem herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandler als optional angesehen und kann eingesetzt werden, wenn eine zusätzliche Primärinduktanz gewünscht ist. Der Primärinduktor 12 addiert sich zu der Leckageinduktanz des Transformators 14. Die Leckageinduktanz des Transformators ist häufig vorteilhaft bei dem Betrieb des Wandlers und limitiert große Stromspitzen beim Durchgang durch den Transformator und hilft auch bei einem Null-Spannung-Übergang-Betrieb des Wandlers.
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In Photovoltaik-Anwendungen ist es häufig gewünscht, von einer niedrigen Spannung (zum Beispiel < 50 Volt Gleichspannung) hoch zu einer hohen Spannung (zum Beispiel über 200 Volt Gleichspannung) zu wandeln, mit Isolation zwischen dem Eingang und den Ausgang. Photovoltaikanordnung-Anwendungen erfordern typischerweise auch hohe Zuverlässigkeit, hohe Effizienz und niedrige Kosten.
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Angesichts der vorangehenden Ausführungen wird erkannt, dass ein herkömmlicher ZVT-Vollbrückenwandler (zum Beispiel der herkömmliche ZVT-Vollbrückenwandler aus 1) nicht gut geeignet ist für eine Verwendung bei Photovoltaikanordnung-Anwendungen, da die Verwendung eines herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandlers in einer Niedrig-Eingang-/Hoch-Ausgang-Umwandlung Zuverlässigkeitsprobleme für die Ausgangsdioden erzeugt und in schlechter Induktorausnutzung und niedriger Effizienz resultiert.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem neuen und verbesserten Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler, der einen verbesserten Betrieb bei Anwendungen ermöglicht, die einen hohen Spannungsausgang erfordern, und insbesondere eine Verwendung in Photovoltaik-Anordnung-Anwendungen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung umfasst die Bereitstellung und Verwendung eines neuen modifizierten Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers, der einen verbesserten Betrieb bei Anwendungen, die einen Hochspannungsausgang erfordern, ermöglicht. Der neue modifizierte Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler der vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen ähnlich zu dem herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandler aus 1, außer dass der Ausgangsinduktor 24 des herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandlers aus dem Ausgangsschaltkreis des modifizierten ZVT-Vollbrückenwandlers eliminiert ist, wodurch dieser zu einem ”modifizierten” ZVT-Vollbrückenwandler wird. Die Auswirkungen dieser Design-Änderung sind, dass die Spannungsbelastung auf die Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 gut kontrolliert ist wegen der Klemmwirkung der Ausgangskapazität des Speicherkondensators 26. Weil der Ausgang dieses Wandlers Hochspannung ist, zum Beispiel 200 bis 400 Volt Gleichspannung, können Dioden verwendet werden, die auf 600 Volt ausgelegt sind. Wenn jedoch der Ausgangsinduktor 24 in dem modifizierten ZVT-Vollbrückenwandler aufgenommen wäre (das heißt, wie dies der Fall ist bei dem herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandler aus 1), dann wäre die Spannungsbelastung auf die Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 nicht gut kontrolliert und wäre tatsächlich mehr bestimmt durch die Eingangsspannung zu dem Wandler, das Windungsverhältnis des Transformators und parasitäre Induktanzen und Kapazitäten in der Schaltung sowie dem Betriebsmodus des Wandlers.
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Ein Eliminieren des Ausgangsinduktors 24 aus dem modifizierten ZVT-Vollbrückenwandler und ein Auslegen des Wandlers, um den Eingangsinduktor 12 voll zu nutzen, hat die folgenden wesentlichen Vorteile.
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Erstens wird der Eingangsinduktor 12 besser genutzt. Die in einem Induktor gespeicherte Energie ist proportional zu L·I2, und die Größe und Kosten eines Induktors sind typischerweise proportional zu L·I, so dass Induktoren effizienter bei niedrigen Spannungen genutzt werden, bei denen Ströme hoch sind, anstatt bei hohen Spannungen, bei denen Ströme niedrig sind.
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Zweitens zwingt ein Eliminieren des Ausgangsinduktors 24 den Wandler dazu, im diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) oder kritischen Leitungsmodus (CrCM) zu operieren, aber definitiv NICHT im kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM). DCM- und CrCM-Moden haben im Allgemeinen höhere Umwandlungseffizienzen und niedrigere abgestrahlte Emissionen und werden vermutlich als bevorzugte Betriebsmoden für Photovoltaik-Anwendungen angesehen.
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Drittens erlaubt die Eliminierung des Ausgangsinduktors 24, dass die Spannungsbelastung auf die Ausgangsdioden durch die Ausgangskapazität des Speicherkondensators 26 geklemmt wird, was für die Zuverlässigkeit und aus Kostengründen vorteilhaft ist.
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Photovoltaik-Anwendungen bedürfen typischerweise hoher Zuverlässigkeit, hoher Effizienz und niedriger Kosten. Diese Anforderungen sind üblicherweise gegensätzlich zueinander und es muss ein Kompromiss herbeigeführt werden. Der modifizierte Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler der vorliegenden Erfindung wird gegenüber dem herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandler aus 1 für Photovoltaik-Anwendungen bevorzugt, bei denen eine Isolation zwischen dem Eingang und dem Ausgang erwünscht ist und bei denen eine Spannungsverstärkung von niedriger Spannung zu hoher Spannung (zum Beispiel 200 bis 400 Volt Gleichspannung) auch erwünscht ist, da der modifizierte ZVT-Vollbrückenwandler eine verbesserte Zuverlässigkeit der Ausgangsdioden, bessere Induktorverwendung und höhere Effizienz liefert.
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Bei einem Betrieb in dem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) gibt es, zusätzlich zu den vorangehend gesagten, eine Periode, in der die Wellenform an dem Ausgang der Vollbrücke (der Schaltvorrichtungen 4, 6, 8, 10) überschwingt. Wenn gewünscht wird, die Effizienz zu maximieren, wie dies im Fall von Photovoltaik-Anwendungen, bei denen hohe Effizienz gewünscht wird, der Fall ist, dann ist der beste Zeitpunkt, die Schaltelemente anzuschalten, wenn die Spannung über die Schaltelemente am nächsten bei Null ist. Dies kann erreicht werden durch Hinzufügen spezifischer Steuerungen, die diese niedrigen Spannungspunkte in der Wellenform heraussuchen. Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil einer gesteigerten Komplexität der Elektronik. Als eine Alternative, und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, kann der modifizierte ZVT-Vollbrückenwandler mit einem Leistungsverfolgungsmodul ausgestattet sein, welches den Ausgang des Wandlers überwacht und dynamisch die Phase der zwei Steuersignale 36, 38 so anpasst, dass der effizienteste Betriebspunkt für den Wandler gefunden wird. Mit anderen Worten, überwacht das Leistungsverfolgungsmodul die Ausgangsleistung des Wandlers und fasst die Zeitgebung der zwei Steuersignale des Wandlers dynamisch, in einer Rückkopplungsschleifenanordnung, so an, um die Gesamtausgangsleistung des Wandlers zu maximieren (anstatt die Gesamteingangsleistung zu dem Wandler anzupassen oder die Überschwingwellenform des Vollbrückenausgangs durch die Verwendung von zusätzlichen Spannungskontrollen zu erfassen). Auf diese Weise werden die effizienteren Betriebspunkte des dc/dc-Wandlers natürlich gefunden.
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In einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird ein modifizierter Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler angegeben, bestehend aus:
einem Paar von Eingangsleitungen;
einem Paar von Ausgangsleitungen;
einem Eingangskondensator, der das Paar von Eingangsleitungen überspannt;
einer Anordnung aus Schaltvorrichtungen, die in einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet ist, welche das Paar von Eingangsleitungen nach dem Eingangskondensator überspannt;
einem Paar von Steuerleitungen, verbunden mit der Anordnung aus Schaltvorrichtungen;
einem Induktor in Serie mit der Primärseite eines Transformators, wobei die freie Leitung des Induktors und die freie Leitung der Primärseite des Transformators mit dem Ausgang der Anordnung aus Schaltvorrichtungen verbunden ist;
einen Diodengleichrichter, verbunden mit der Sekundärseite des Transformators, wobei der Ausgang des Diodengleichrichters mit dem Paar von Ausgangsleitungen verbunden ist; und
ein Ausgangskondensator, der das Paar von Ausgangsleitungen überspannt.
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In einer weiteren bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungssystem angegeben, aufweisend:
eine Photovoltaikanordnung mit einem Ausgang;
ein Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler, verbunden mit dem Ausgang der Photovoltaikanordnung, wobei der Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler ein Paar von Steuerleitungen zum Steuern des Betriebs des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers aufweist; und
ein Leistungsverfolgungsmodul, verbunden mit dem Ausgang des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers und mit dem Paar von Steuerleitungen, wobei das Leistungsverfolgungsmodul dazu ausgelegt ist, die an das Paar von Steuerleitungen angelegten Signale anzupassen, basierend auf dem Ausgang des Null-Spannung-Übergangs-Vollbrückenwandlers, um so den Ausgang des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers zu optimieren.
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In einer weiteren bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Umwandeln von Spannung angegeben, aufweisend:
Bereitstellen eines modifizierten Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers, wobei der modifizierte Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler besteht aus:
einem Paar von Eingangsleitungen;
einem Paar von Ausgangsleitungen;
einem Eingangskondensator, der das Paar von Eingangsleitungen überspannt;
einer Anordnung aus Schaltvorrichtungen, die in einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind, die das Paar von Eingangsleitungen nach dem Eingangskondensator überspannt;
einem Paar von Steuerleitungen, die mit der Anordnung aus Schaltvorrichtungen verbunden sind;
einem Induktor in Serie mit der Primärseite eines Transformators, wobei die freie Leitung des Induktors und die freie Leitung der Primärseite des Transformators mit dem Ausgang der Anordnung aus Schaltvorrichtungen verbunden sind;
einem Diodengleichrichter, der mit der Sekundärseite des Transformators verbunden ist, wobei der Ausgang des Diodengleichrichters mit dem Paar von Ausgangsleitungen verbunden ist; und
einem Ausgangskondensator, der das Paar von Ausgangsleitungen überspannt;
Anlegen einer Spannung an das Paar von Ausgangsleitungen; und
Anlegen von Signalen an das Paar von Steuerleitungen, um so die Ausgangsspannung des Paars von Ausgangsleitungen zu steuern.
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In einer weiteren bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen von Leistung angegeben, aufweisend:
Bereitstellen eines Leistungssystems aufweisend:
eine Photovoltaikanordnung mit einem Ausgang;
ein Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler, der mit dem Ausgang der Photovoltaikanordnung verbunden ist, wobei der Null-Spannung-Übergang-Wandler ein Paar von Steuerleitungen zum Steuern des Betriebs des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers aufweist; und
ein Leistungsverfolgungsmodul, das mit dem Ausgang des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers und mit dem Paar von Steuerleitungen verbunden ist, wobei das Leistungsverfolgungsmodul dazu ausgelegt ist, die an das Paar von Steuerleitungen angelegten Signale anzupassen, basierend auf dem Ausgang des Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers, um so den Ausgang des Null-Spannung-Übergangs-Vollbrückenwandlers zu optimieren; und
Anlegen von Signalen an das Paar von Steuerleitungen, um so die Ausgangsspannung an dem Paar von Ausgangsleitungen zu steuern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden vollständiger offenbart oder offensichtlich durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die zusammen mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden soll, und wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen, und wobei ferner gilt:
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1 ist ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers;
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2 ist ein Zeitgebungsdiagramm der Schaltsequenz für einen Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler;
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3 ist ein schematisches Diagramm des modifizierten Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers der vorliegenden Erfindung; und
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4 ist ein schematisches Diagramm eines modifizierten Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandlers, der zusammen mit einer Photovoltaikanordnung verwendet wird, wobei der modifizierte ZVT-Vollbrückenwandler mit einem Leistungsverfolgungsmodul ausgestattet ist.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Als nächstes 3 betrachtend ist ein modifizierter Null-Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler 1A gezeigt, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der modifizierte ZVT-Vollbrückenwandler 1A besteht aus einem Eingangskondensator 2, einer Vollbrückenkonfiguration von Schaltelementen 4, 6, 8, 10, einem Primärinduktor 12, einem Transformator 14, einer Vollbrückenkonfiguration von Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 und einem Ausgangskondensator 26.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist der Ausgangsinduktor 24 des herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandlers 1 (1) absichtlich aus dem modifizierten ZVT-Vollbrückenwandler 1A (3) der vorliegenden Erfindung weggelassen.
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Detaillierter ausgeführt und immer noch bezugnehmend auf 3 überträgt der modifizierte ZVT-Vollbrückenwandler 1A der vorliegenden Erfindung elektrische Energie von dem Eingangskondensator 2 zu dem Ausgangskondensator 26. Dieser Energieübertrag wird durch den Transformator 14 durchgeführt, der für eine elektrische Isolation zwischen dem Eingangsschaltkreis (das heißt, den Schaltelementen 2, 4, 6, 8, 10, 12) und dem Ausgangsschaltkreis (das heißt, den Schaltelementen 16, 18, 20, 22, 26) sorgt. Die Energiemenge, die über den Wandler übertragen wird, ist abhängig von der Zeitgebungssequenz der Schaltelemente 4, 6, 8, 10.
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Nun Bezug nehmend auf das Zeitgebungsdiagramm aus 2 gibt es zwei Steuersignale 36, 38. In dem Zeitgebungsdiagramm aus 2 repräsentiert die horizontale Achse die Zeit. Beide Steuersignale 36, 38 operieren bei einem festen 50%-Arbeitszyklus, bei dem die auf einem hohen Niveau 34 verbrachte Zeit gleich der bei einem niedrigen Niveau 32 verbrachten Zeit ist. Die Energiemenge, die während jedes Zyklus übertragen wird, ist abhängig von der Phasenzeit 28 geteilt durch die Periodendauer 30. Das erste Steuersignal 36 steuert den Betrieb der Schaltelemente 4, 6 in dem ersten Schenkel der Vollbrücke, so dass, wenn das erste Steuersignal 36 auf dem hohen Niveau 34 ist, das Schaltelement 4 geschlossen ist und das Schaltelement 8 offen ist, und wenn das erste Steuersignal 36 auf dem niedrigen Niveau 32 ist, das Schaltelement 4 offen ist und das Schaltelement 8 geschlossen ist. Das zweite Steuersignal 38 steuert den Betrieb der Schaltelemente 6, 10 in dem zweiten Schenkel der Vollbrücke, so dass, wenn das erste Steuersignal auf dem hohen Niveau 34 ist, das Schaltelement 6 geschlossen ist und das Schaltelement 10 offen ist, und wenn das zweite Steuersignal 38 auf dem niedrigen Niveau 32 ist, das Schaltelement 6 offen ist und das Schaltelement 10 geschlossen ist. Wenn die Phasenzeit 28 Null ist, sind somit beide Steuersignale 36, 38 perfekt in Phase und die an den Induktor 12 und den Transformator 14 angelegte Spannung sind Null. Wenn die Phasenzeit 28 eine Hälfte der Periodendauer 30 ist, dann sind die zwei Steuersignale 36, 38 perfekt außer Phase und die an den Induktor 12 und den Transformator 14 angelegte Spannung wäre eine maximale Wechselspannung.
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Dieser Typ von Steuerung wird typischerweise als Phasensteuerung bezeichnet. Er wird üblicherweise bei fester Frequenz durchgeführt, kannte aber auch eine variable Frequenz aufweisen. Eine Leistungsversorgung wird gesteuert durch Anpassen des Phasenwinkels zwischen den zwei Steuersignalen 36, 38. Es ist wichtig, lediglich eine Wechselspannung an den Transformator anzulegen und nicht eine Gleichspannung, wobei dies durch Verwenden einer digitalen Steuerung erreicht werden kann, um sicherzustellen, dass der Arbeitszyklus jedes Steuersignals gleich ist.
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Wenn das erste Steuersignal 36 hoch (34) ist und das zweite Steuersignal 38 niedrig (32) ist, dann wird eine positive Spannung über den Induktor 12 und die Primärseite des Transformators 14 angelegt. Während dieser Zeit steigt der Induktorstrom an und wird positiver. Weil der Strom in den Transformator in den Punkt (”into the dot”) geht, wird der Strom in der Sekundärseite des Transformators aus dem Punkt herauskommen. Dieser Ausgangsstrom wird die Ausgangsdioden 16, 22 dazu zwingen, zu leiten, was bewirkt, dass eine positive Spannung an die Sekundärseite des Transformators angelegt wird. Solange der Induktorstrom positiv ist, wird die an die Transformatorsekundärseite angelegte Spannung positiv sein. Dann, wenn beide Steuersignale 36, 38 hoch (34) sind, sind die Schaltelemente 4 und 6 an, aber der Induktorstrom ist weiterhin positiv, aber nimmt nun ab. Wenn der Induktorstrom Null erreicht, dann werden alle Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 ausgeschaltet.
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Eine ähnliche Arbeitsweise tritt für den negativen Induktorstrom während der anderen Hälfte des Schaltzyklus auf, das heißt, wenn das erste Steuersignal 36 niedrig (32) ist und das Steuersignal 38 hoch (34) ist.
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Weiterhin Bezug nehmend auf den modifizierten ZVT-Vollbrückenwandler 1A aus 3 ist der Eingangskondensator 2 größenmäßig dazu ausgelegt, die Schaltfrequenzstrompulse der Vollbrücken-Eingangsstufe zu schalten. Dieser Eingangskondensator 2 muss gute Hochfrequenzeigenschaften aufweisen und kann aus mehreren Kondensatoren parallel zueinander zusammengesetzt sein. Wenn hohe Effizienz und hohe Zuverlässigkeit beim Betrieb gewünscht sind, dann kann eine Kombination von Metallfilm- und Keramikkondensatoren für den Eingangskondensator 2 verwendet werden. Die Schaltelemente 4, 6, 8, 10 sind vorzugsweise N-Kanal-MOSFETs, es können aber auch andere Typen von Schaltelementen (zum Beispiel IGBTs) verwendet werden. Diese Schaltelemente 4, 6, 8, 10 müssen so gesteuert werden, dass die Elemente 4 und 8 niemals zeitgleich miteinander an sein können und die Elemente 6, 10 ebenfalls niemals zeitgleich miteinander an sein können, da ansonsten große Durchschussströme auftreten würden, die zu hoher elektromagnetischer Störbeeinflussung (electromagnetic influence, emi) und geringer Zuverlässigkeit führen. Es ist jedoch in dem technischen Gebiet wohlbekannt, wie eine solche Steuerung erreicht werden kann, so dass dieser Aspekt der Vorrichtung in der vorliegenden Offenbarung nicht adressiert wird. Der Eingangsinduktor 12 arbeitet sowohl mit positiven als auch negativen Strömen und mit einer verschwindenden Gleichspannungsvorspannung (zero dc bias). Dieser Eingangsinduktor 12 kann eliminiert werden, wenn der Transformator 14 mit einer kontrollierten Leckageinduktanz gleich der gewünschten Induktanz des Eingangsinduktors 12 ausgelegt werden kann. Die Stromwellenform für den Eingangsinduktor 12 ist in ihrer Form im Wesentlichen dreieckig. Der Eingangsinduktor 12 wird Spitzenströme in der Größenordnung von drei- bis viermal des Gleichstromeingangsstroms zu dem Wandler erfahren, so dass der Eingangsinduktor 12 für hohe Effizienz unter hohen Wechselstromflussbedingungen ausgelegt sein muss. Der Transformator 14 ist ein Hochfrequenztransformator und ist dazu ausgelegt, ein Windungsverhältnis von 1:N vom Eingang zum Ausgang aufzuweisen. Unter allen Betriebsbedingungen wird die Ausgangsspannung geringer sein als die Eingangsspannung mal N. Das Verhältnis der Windungen von Eingang zu Ausgang ergibt die gewünschte Spannungsverstärkungseigenschaft, selbst wenn der gesamte Wandler eine Form eines isolierten Abwärtswandlers ist. Die Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 richten den Ausgangsstrom des Transformators 14 gleich und führen diesen Strom in den Ausgangskondensator 26 zu, um eine positive Ausgangsspannung zu bilden. Die Spannungsbelastung auf die Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 ist gleich der Ausgangsspannung auf den Wandler. Die Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 müssen für Spitzenströme des Induktors 12 geteilt durch N und ½ des Wandlerausgangsdurchschnittsstroms sowie auch die Ausgangsspannungsklassifizierung ausgelegt sein. Der Ausgangskondensator 26 filtert die Pulse des von dem Transformator 14 kommenden Stroms und liefert eine Gleichspannung an die Last.
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In einer bevorzugten Form des modifizierten ZVT-Vollbrücken-Wandlers 1A aus 3 ist der Eingangskondensator ein 7,5 μF-300 V-metallisierter Film-Kondensator, die Schaltelemente 4, 6, 8, 10 sind Infineon IPP08CN10NG MOSFETs, und der Induktor ist ausgelegt für 5,3 μH und 20 Ampere Spitze mit einem elektrischen Gleichstromwiderstand von 0,009 Ohm. Der Induktor 12 hat vorzugsweise 10 Windungen eines Litzendrahts (57 Adern von Nr. 34 awg) auf einem magnetics inc-Ringkern 77550-A7. Der Transformator 14 ist ein magnetics inc-Kern ZF-43615-TC, wobei die Primärseite 11 Windungen zusammengesetzt aus Litzendraht hat und die Sekundärseite 99 Windungen aus Rubadue TCA3 Nr. 19 Draht hat, mit einem Primärseiten-Gleichstromwiderstand von 0,004 Ohm und einem Sekundärseiten-Gleichstromwiderstand von 0,141 Ohm, wobei die Primärseite zweitgewickelt ist als eine einfache Wicklung ohne Überlapp und die Sekundärseite um drei Lagen erstgewickelt über den Kern ist. Die Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 sind Cree CsD 02060 Dioden ausgelegt für 2 Ampere und 600 Volt. Der Ausgangskondensator 26 ist aus drei parallelen Kondensatoren von AVX, Teile-Nr. FFB46A0755K, ausgelegt für 7,5 μF 720 Volt jeweils, aufgebaut, für eine Nettoausgangskapazität von 22,5 μF.
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Die spezifischen Konstruktionsdetails der vorliegenden Erfindung können modifiziert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann der Induktor 12 in das Design des Transformators 14 einbezogen werden, indem die Transformatorleckage-Induktanz dazu ausgelegt wird, gleich der gewünschten Induktor-Induktanz zu sein. Die Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 müssen nicht Dioden vom Cree-Typ sein, da sie unter Bedingungen weichen Schaltens des Wandlers operieren, und können ein beliebiger geeigneter Typ von Schaltdiode sein. Die Eingangs- und Ausgangskondensatoren 2 und 26 brauchen jeweils nicht Filmkondensatoren sein: Es können elektrolytische Kondensatoren oder nahezu jeder andere Typ von Kondensator verwendet werden. Filmkondensatoren werden in der bevorzugten Konstruktion für hohe Zuverlässigkeit und Effizienzzwecke verwendet. Andere Konstruktionen für den Induktor 12 und den Transformator 14 können verwendet werden, wie sie von den mit dem technischen Gebiet vertrauten Fachleuten in Anbetracht der vorliegenden Offenbarung wohlbekannt sind. Schaltelemente 4, 6, 8, 10 können statt MOSFETs auch beispielsweise IGBTs sein.
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Die Vorteile des modifizierten ZVT-Vollbrückenwandlers der vorliegenden Erfindung umfassen, ohne Beschränkung, höhere Zuverlässigkeit und Effizienz als bei den herkömmlichen ZVT-Vollbrückenwandler, wie er in 1 gezeigt ist. Dies liegt daran, dass die Spannungsbelastungen auf die Ausgangsdioden 16, 18, 20, 22 durch den Ausgangskondensator 22 geklemmt sind und dies in Anwendungen wichtig wird, bei denen die Eingangsspannung niedrig ist und die Ausgangsspannung hoch ist, zum Beispiel Photovoltaik-Anwendungen. Es kann auch ein weiches Schalten über einen weiten Bereich von Betriebspunkten erreicht werden, weiter als in entweder einem Serien-Resonanz-Wandler oder einem Parallel-Resonanz-Wandler. Alle Schaltvorrichtungen 4, 6, 8, 10 in dem modifizierten ZVT-Vollbrückenwandler der vorliegenden Erfindung haben Spannungen, die entweder durch den Eingangs- oder den Ausgangskondensator 2 oder 26 jeweils geklemmt sind, mit minimalen Überschwingungswellenformen. Dies führt zu potentiell höherer Zuverlässigkeit als bei alternativen Designs. Nur ein Minimum von RC-Überspannungsschutzelementen wird benötigt, um die Spannungswellenformen an den Schaltelementen zu säubern. Die Ausgangsspannungs- und Stromwellenformen von der Sekundärseite des Transformators 14 sind sehr sauber, was die Menge an geleiteter elektromagnetischer Störbeeinflussung (emi), die zu der Last durchgeleitet würde, minimiert.
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Breit ausgedrückt ist die vorliegende Erfindung ein isolierter dc/dc-Wandler, der mit hoher Effizienz und hoher Zuverlässigkeit bei Anwendungen operiert, die eine niedrige Eingangsspannung und eine hohe Ausgangsspannung erfordern.
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Zusätzlich zu dem vorher Gesagten, und wie oben ausgeführt, gibt es, wenn im diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) operiert wird, eine Periode, in der die Wellenform am Ausgang der Vollbrücke (von Schaltvorrichtungen 4, 6, 8, 10) überschwingt. Wenn gewünscht wird, die Effizienz zu maximieren, wie dies bei Photovoltaik-Anwendungen der Fall ist, bei denen hohe Effizienz gewünscht ist, dann ist die beste Zeit, um die Schaltelemente anzuschalten, wenn die Spannung über die Elemente am nächsten bei Null liegt. Ebenfalls wie oben angemerkt, kann dies erreicht werden durch Hinzufügen spezifischer Steuerungen, die diese Niederspannungspunkte in der Wellenform heraussuchen. Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil zusätzlicher Komplexität der Elektroniken für ein Erfassen dieses Zustands. Als eine Alternative, und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, kann der modifizierte ZVT-Vollbrückenwandler mit einem Leistungsverfolgungsmodul ausgestattet sein, der den Ausgang des Wandlers überwacht und die Phase der zwei Steuersignale 36, 38 dynamisch so anpasst, dass der effizienteste Betriebspunkt für den Wandler gefunden wird. Mit anderen Worten, überwacht das Leistungsverfolgungsmodul den Ausgang des Wandlers und passt die Zeitgebung der zwei Steuersignale des Wandlers dynamisch an, in einer Rückkopplungsschleifenanordnung, um so die gesamte Ausgangsleistung des Wandlers zu maximieren (anstatt die gesamte Eingangsleistung zu dem Wandler über die Verwendung von zusätzlichen Spannungssteuerungen anzupassen). Auf diese Weise werden die effizienteren Betriebspunkte des dc/dc-Wandlers natürlich gefunden.
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Als nächstes 4 betrachtend ist ein Leistungssystem 100 gezeigt, welches eine Photovoltaikanordnung 102 aufweist, deren Ausgang mit einem modifizierten Null Spannung-Übergang-Vollbrückenwandler 1A verbunden ist, der einen niedrigen Spannungseingang (zum Beispiel < 50 Volt Gleichspannung) hinauf zu einer hohen Spannung (zum Beispiel > 200 Volt Gleichspannung) wandelt, mit einer Isolation zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Die Ausgangsleistung des modifizierten ZVT-Vollbrückenwandlers 1A wird durch ein Leistungsverfolgungsmodul 104 verfolgt. Das Leistungsverfolgungsmodul 104 überwacht die Ausgangsleistung des modifizierten ZVT-Vollbrückenwandlers und passt die Zeitgebung der zwei Steuersignale 36, 38 dynamisch so an, um die gesamte Ausgangsleistung des Wandlers zu maximieren.
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Während die vorangehende schriftliche Beschreibung der Erfindung einen Fachmann dazu befähigt, dasjenige auszubilden und zu nutzen, was derzeit als der beste Modus davon angesehen wird, wird ein Fachmann die Existenz von Variationen, Kombinationen und Äquivalenten der spezifischen Ausführungsformen, Verfahren und Beispiele hierin verstehen und erkennen. Die Erfindung soll daher nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, Verfahren und Beispiele beschränkt sein, sondern durch alle Ausführungsformen und Verfahren innerhalb des Gedankens und des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
