DE112015005755T5

DE112015005755T5 - Stromwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112015005755T5
Application number: DE112015005755.2T
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Uno
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-10-05
Also published as: JPWO2016103819A1; JP6256631B2; WO2016103819A1; CN107005172B; CN107005172A

Abstract

Stromübertragung in einer Isolierrichtung von einem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss (P1) (oder einen dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss (P2) (oder einem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss (P4)) wird mit Vollbrückenschaltungen und einem dazwischen geschalteten Transformator (30) durchgeführt. Stromübertragung in einer Nicht-Isolierungsrichtung von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss (P1) oder dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss (P2)) an den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 (oder den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss (P4)) wird mit einer Vollbrückenschaltung und Induktoren (Lu1, Lu2) (oder Induktoren (Lu2, Lv2)) durchgeführt. Damit wird eine Stromwandlungsvorrichtung bereitgestellt, die in der Lage ist, einen Leitungsverlust, der bei der Stromübertragung erzeugt wird, zu unterbinden.

Description

HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Diese Anmeldung ist eine Weiterführung der internationalen Patentanmeldung PCT/J22015/076840, eingereicht am 24. September 2015, welche die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-263226 , eingereicht am 25. Dezember 2014, beansprucht. Die Inhalte dieser Anmeldungen sind durch Bezugnahme vollständig in der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Stromwandlungsvorrichtung, die eine Leistungswandlung zwischen gewünschten Eingangs-/Ausgangsanschlüssen unter einer Vielzahl von Eingangs-/Ausgangsanschlüssen durchführt.
Beschreibung der verwandten Technik
Patentdokument 1 offenbart eine Leistungswandlungsschaltung, die eine Leistungswandlung zwischen gewünschten zwei Eingangs-/Ausgangsanschlüssen unter vier Eingangs-/Ausgangsanschlüssen durchführt. Die Stromwandlungsschaltung beinhaltet eine primärseitige Wandlungsschaltung mit zwei Eingangs-/Ausgangsanschlüssen und eine sekundärseitige Wandlungsschaltung, die eine magnetische Kopplung mit der primärseitigen Wandlungsschaltung herstellt und zwei andere Eingangs-/Ausgangsanschlüsse besitzt. Die primärseitige Wandlungsschaltung und die sekundärseitige Wandlungsschaltung stellen eine magnetische Kopplung miteinander durch einen Transformator mit zentraler Anzapfung her.
Die primärseitige Wandlungsschaltung besitzt eine primärseitige Vollbrückenschaltung. Die primärseitige Vollbrückenschaltung besitzt einen Kopplungsinduktor, die eingerichtet ist, zwei Induktoren, die mit beiden Enden einer primärseitigen Spule des Transformators verbunden sind, eine magnetische Kopplung miteinander herzustellen. Die sekundärseitige Wandlungsschaltung besitzt eine sekundärseitige Vollbrückenschaltung. Die sekundärseitige Vollbrückenschaltung besitzt einen Kopplungsinduktor, die eingerichtet ist, zwei Induktoren, die mit beiden Enden einer sekundärseitigen Spule des Transformators verbunden sind, eine magnetische Kopplung miteinander herzustellen. Ein Leistungswandlungsverhältnis zwischen zwei Eingangs-/Ausgangsanschlüssen (in einer nicht isolierten Richtung) an der Primärseite (bzw. der Sekundärseite) wird durch Änderung der EIN-Zeit einer Schaltperiode verändert. Eine Leistung, die zwischen der Primärseite und der Sekundärseite (in einer Isolierungsrichtung) übertragen werden soll, wird durch eine Phasendifferenz in der Schaltperiode gesteuert.
Die Kopplungsinduktoren sind mit derartigen Polaritäten verbunden, dass sich magnetische Flüsse für einen Strom, der bei der Leistungsübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite (in Isolierungsrichtung) fließt, gegenseitig abschwächen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass geringere Induktivitäten die Übertragung einer höheren Leistung bei der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung ermöglichen. Auf der anderen Seite sind die Kopplungsinduktoren mit derartigen Polaritäten verbunden, dass sich die magnetischen Flüsse für einen Strom, der bei der Leistungsübertragung zwischen den beiden Eingangs- /Ausgangsanschlüssen (in der nicht-Isolierungsrichtung) auf der Primärseite (bzw. der Sekundärseite) fließt, gegenseitig verstärken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass höhere Induktivitäten die Verringerung von Rippelströmen ermöglichen.
Der Transformator fungiert als magnetisches Bauteil bei der Leistungsübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite (in der Isolierungsrichtung). Der Transformator fungiert hingegen nicht als das magnetische Bauteil bei der Leistungsübertragung zwischen den beiden Eingangs-/Ausgangsanschlüssen (in der nicht-Isolationsrichtung) auf der Primärseite (bzw. der Sekundärseite), weil ein Strom mit der gleichen Phase durch Wicklungen des Transformators fließt, die zueinander bezüglich der zentralen Anzapfung symmetrisch sind. Deshalb übt der Transformator keinen Einfluss auf einen Leistungsübertragungsbetrieb in der nicht-Isolationsrichtung aus.

Patentdokument 1: nicht geprüfte japanische Offenbarungsschrift Nr. 2011-193713 .

KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Bei der in Patentdokument 1 dargestellten Leistungswandlungsschaltung, obgleich sich die magnetischen Flüsse bei der Leistungsübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite (in einer Isolierungsrichtung) abschwächen, um die Induktion wie oben beschrieben zu senken, tritt ein fließender Strom durch unnötige Elemente (zwei Induktoren), die nicht zur Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung beitragen. Dementsprechend besteht ein Problem dahingehend, dass ein Leiterverlust erzeugt wird. Auf die gleiche Weise tritt ein bei der Leistungsübertragung in die nicht-Isolierungsrichtung fließender Strom durch ein unnötiges Element (die Spule des Transformators), das nicht zur Leistungsübertragung in der nicht-Isolierungsrichtung beiträgt, was zu dem Problem führt, dass Leiterverlust erzeugt wird.
Ferner besteht ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, Kopplungsverhältnisse der Kopplungsinduktoren mit hoher Genauigkeit zu gestalten als wichtiger Parameter zur Gestaltung je der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und der Leistungsübertragung in der nicht-Isolierungsrichtung. Zudem bestehen die Probleme, dass der Transformator hinsichtlich der Größe vergrößert ist und die Form des Transformators kompliziert ist, weil die zentrale Anzapfung für den Transformator benötigt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromwandlungsvorrichtung anzugeben, die Leiterverlust, der bei der Leistungsübertragung erzeugt wird, unterbinden kann, die einfach aufgebaut ist und hinsichtlich der Größe verkleinert ist.
Lösung der Aufgabe
Eine Stromwandlungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der Offenbarung beinhaltet einen ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss und einen zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss, eine erste Vollbrückenschaltung, die mit dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist, eine zweite Vollbrückenschaltung, die mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist, einen Transformator, der eine erste Spule und eine zweite Spule besitzt, die eine magnetische Kopplung miteinander aufbauen und von denen die erst Spule mit einem ersten Mittelpunkt und einem zweiten Mittelpunkt der ersten Vollbrückenschaltung verbunden ist und von denen die zweite Spule mit einem ersten Mittelpunkt und einem zweiten Mittelpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden ist, und ein Induktionsbauteil, das an einer Position zwischen der ersten Spule und der ersten Vollbrückenschaltung und/oder einer Position zwischen der zweiten Spule und der zweiten Vollbrückenschaltung vorgesehen ist, einen ersten Induktor, dessen ersten Ende mit dem ersten Mittelpunkt der ersten Vollbrückenschaltung oder dem ersten Mittelpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden ist, einen zweiten Induktor, von dem ein erstes Ende mit dem zweiten Mittelpunkt der ersten Vollbrückenschaltung oder dem zweiten Mittelpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden ist, und einen dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss, der mit zweiten Enden des ersten Induktors und des zweiten Induktors verbunden ist.
Mit dieser Ausgestaltung kann ein Strompfad bei Leistungsübertragung zwischen dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss (in einer Isolierungsrichtung) und ein Strompfad bei Leistungsübertragung zwischen dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss und dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss (in einer nicht-Isolierungsrichtung) derart eingestellt werden, dass ein Strom durch Elemente tritt, die für jedes Element erforderlich sind. Hiermit treten Ströme, die bei Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und bei Leistungsübertragung in der nicht-Isolierungsrichtung fließen, nicht durch unnötige Elemente, wodurch eine Erzeugung von Leiterverlusten unterbunden wird. Ferner erfolgt die Gestaltung einfach weil der Induktor bezüglich der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und der Induktor bezüglich der Leistungsübertragung in der nicht-Isolierungsrichtung unabhängig entworfen werden können. Zudem ist keine zentrale Anzapfung für den Transformator erforderlich und die Ausgestaltung des Transformators kann deshalb vereinfacht und hinsichtlich der Größe verkleinert werden.
Bei der Stromwandlungsvorrichtung in dem Aspekt der Offenbarung ist es bevorzugt, dass der erste Induktor und der zweite Induktor aneinandergekoppelt werden können, um ihre Polaritäten einander umzukehren.
Mit dieser Ausgestaltung werden Rippelströme durch magnetische Kopplung ausgelöscht, wodurch die Induktoren in ihrer Größe verringert werden.
Bei der Stromwandlungsvorrichtung in dem Aspekt der Offenbarung ist es bevorzugt, dass das erste Ende des ersten Induktors mit dem ersten Mittelpunkt der ersten Vollbrückenschaltung verbunden ist, das erste Ende des zweiten Induktors mit dem zweiten Mittelpunkt der ersten Vollbrückenschaltung verbunden ist, und die Stromwandlungsvorrichtung ferner einen dritten Induktor beinhaltet, von dem ein erstes Ende mit dem ersten Mittelpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden ist, einen vierten Induktor, von dem ein erstes Ende mit dem zweiten Mittelpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden ist, und einen vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss, der mit zweiten Enden des dritten Induktors und des vierten Induktors verbunden ist.
Mit dieser Konfiguration kann ein Strompfad bei Leistungsübertragung zwischen dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss (in der Isolierungsrichtung) und ein Strompfad bei Leistungsübertragung zwischen dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss und dem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss (in der nicht-Isolierungsrichtung) derart eingestellt werden, dass ein Strom durch Elemente tritt, der für jedes Element benötigt wird. Hiermit treten Ströme, die bei der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung fließen und die bei der Leistungsübertragung in der nicht-Isolierungsrichtung fließen, nicht durch unnötige Elemente, wodurch die Erzeugung von Leiterverlusten unterbunden wird. Ferner können die magnetischen Bauteile unabhängig voneinander in den jeweiligen Pfaden gestaltet werden, weil die Strompfade zwischen der Isolierungsrichtung und der nicht-Isolierungsrichtung verschieben sind. Zudem wird keine zentrale Anzapfung für den Transformator benötigt und die Konfiguration des Transformators kann deshalb vereinfacht und hinsichtlich der Größe verringert werden.
Bei der Stromwandlungsvorrichtung in dem Aspekt der Offenbarung ist es bevorzugt, dass der dritte Induktor und der vierte Induktor aneinandergekoppelt sind, so dass ihre Polaritäten zueinander umgekehrt werden.
Mit dieser Ausgestaltung werden Rippelströme durch magnetische Kopplung gelöscht, wodurch die Induktoren hinsichtlich der Größe verringert werden.
Es ist bevorzugt, dass die Stromwandlungsvorrichtung in dem Aspekt der Offenbarung ferner einen Kondensator umfasst, der mit zwischen der ersten Vollbrückenschaltung und/oder der zweiten Vollbrückenschaltung des Transformators verbunden ist.
Mit dieser Ausgestaltung kann die Bereitstellung des Kondensators die Erzeugung einer vorgespannten Magnetisierung in dem Transformator verhindern.
Vorteilhafte Effekte der Offenbarung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung treten Ströme, die bei Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung fließen und bei Leistungsübertragung in der nicht-Isolierungsrichtung fließen, nicht durch unnötige Elemente, wodurch die Erzeugung von Leiterverlusten unterbunden wird. Ferner erfolgt der Entwurf auf einfache Art und Weise, weil ein Induktor bezüglich der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und ein Induktor bezüglich der Leistungsübertragung in der nicht-Isolierungsrichtung unabhängig gestaltet werden können. Zudem ist keine zentrale Anzapfung für einen Transformator erforderlich und die Ausgestaltung des Transformators kann daher vereinfacht und hinsichtlich der Größe verringert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltdiagram einer Stromwandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein Blockdiagram, welches Funktionen eines Controllers veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, dass Spannungswellenformen und Stromwellenformen jeweiliger Bauteile einer primärseitigen Schaltung der Stromwandlungsvorrichtung veranschaulicht.
4 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Strompfads, wenn die Stromwandlungsvorrichtung als eine Abwärtswandlerschaltung fungiert.
5 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Strompfads, wenn die Stromwandlungsvorrichtung als eine DAB-Wandlerschaltung fungiert.
6 ist ein Diagramm zu Erläuterung eines Strompfads, wenn die Stromwandlungsvorrichtung als die DAB-Wandlerschaltung fungiert.
7 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Strompfads, wenn die Stromwandlungsvorrichtung als die DAB-Wandlerschaltung fungiert.
8 ist ein Schaltungsdiagram einer Stromwandlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
9 ist ein Schaltungsdiagramm einer Stromwandlungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
10 ist ein Schaltungsdiagramm einer Stromwandlungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. Beschreibung von Ausführungsformen
(Erste Ausführungsform)
1 ist ein Schaltungsdiagramm einer Stromwandlungsvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Die Stromwandlungsvorrichtung 1 umfasst einen Transformator 30 mit einer Primärspule 31 („erste Spule” gemäß der Offenbarung) und eine Sekundärspule 32 („zweite Spule” gemäß der Offenbarung) die eine magnetische Kopplung miteinander bewirken. Ein erster Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 mit Eingangs-/Ausgangsanschlussstellen IO1 und IO2 und ein dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 mit Eingangs-/Ausgangsanschlussstellen IO2 und IO3 sind an der Primärseite des Transformators 30 vorgesehen. Ein zweiter Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 mit Eingangs-/Ausgangsanschlussstellen IO4 und IO5 und ein vierter Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 mit Eingangs-/Ausgangsanschlussstellen IO5 und IO6 sind an der Sekundärseite vorgesehen. Die Stromwandlungsvorrichtung 1 führt eine Stromwandlung zwischen zwei gewünschten Anschlüssen unter den vier Eingangs-/Ausgangsanschlüssen P1 bis P4 durch.
Nachstehend wird eine Schaltung, die auf der Primärseite des Transformators 30 gebildet ist, als primärseitige Wandlungsschaltung 10 bezeichnet, und eine Schaltung, die auf der Sekundärseite gebildet ist, wird als sekundärseitige Wandlungsschaltung 20 bezeichnet. Die primärseitige Wandlungsschaltung 10 umfasst die Primärspule 31 des Transformators 30. Die sekundärseitige Wandlungsschaltung 20 umfasst die Sekundärspule 32 des Transformators 30. Das bedeutet, dass die primärseitige Wandlungsschaltung 10 und die sekundärseitige Wandlungsschaltung 20 magnetisch miteinander durch die Primärspule 31 und die Sekundärspule 32 koppeln.
Die Stromübertragung von der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 zu der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 (oder umgekehrt) wird als „Stromübertragung in einer Isolierrichtung” bezeichnet. Die Stromübertragung in die primärseitige Wandlungsschaltung 10 (oder sekundärseitige Wandlungsschaltung 20), beispielsweise die Stromübertragung zwischen dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 und dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3, wird als „Stromübertragung in einer Nicht-Isolierrichtung” bezeichnet.
Zunächst wird die primärseitige Wandlungsschaltung 10 beschrieben.
Die primärseitige Wandlungsschaltung 10 umfasst eine primärseitige Vollbrückenschaltung. Die primärseitige Vollbrückenschaltung entspricht einer „ersten Vollbrückenschaltung” gemäß der Offenbarung. Nachfolgend wird die primärseitige Vollbrückenschaltung einfach als Vollbrückenschaltung bezeichnet. Die Vollbrückenschaltung besitzt Schaltelemente Q11, Q12, Q13 und Q14. Die Schaltelemente Q11, Q12, Q13 und Q14 sind n-Typ-MOSFETS. Jedem der Gates bzw. Steuerelektroden der Schaltelemente Q11, Q12, Q13 und Q14 wird von einem primärseitigen Treiber 33 ein Gate-Signal eingegeben. Damit werden die jeweiligen Schaltelemente Q11, Q12, Q13 und Q14 AN- und AUS geschaltet.
Ein erstes Armpaar, das die Schaltelemente Q11 und Q12 in Reihe verbindet, und ein zweites Armpaar, das die Schaltelemente Q13 und Q14 in Reihe verbindet, sind parallel miteinander verbunden und mit den Eingangs-/Ausgangs-Anschlussstellen IO1 und IO2 verbunden. Ein Verbindungspunkt („erster Mittenpunkt”) der Schaltelemente Q11 und Q12 wird mit einem ersten Ende der primärseitigen Spule 31 des Transformators 30 mit einem dazwischen angeordneten Induktor L1 verbunden. Ein Verbindungspunkt („zweiter Mittenpunkt” gemäß der Offenbarung) der Schaltelemente Q13 und Q14 ist mit einem zweiten Ende der primärseitigen Spule 31 des Transformators 30 verbunden.
Der Induktor L1 ist ein Element zum Einstellen der Spannungswandlung bei der Stromübertragung in der Isolierungsrichtung und entspricht einem „Induktionsbauteil” gemäß der Offenbarung. Der Induktor L1 kann ein Eigen-Element oder eine Streuinduktivität des Transformators 30 sein.
Ferner wird der Verbindungspunkt der Schaltelemente Q11 und Q12 auch mit einem zwischengeschalteten Induktor Lu1 mit der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO3 verbunden. Der Verbindungspunkt der Schaltelemente Q13 und Q14 ist auch mit der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO3 mit einem zwischengeschalteten Induktor Lv1 verbunden. Der Induktor Lu1 entspricht einem „ersten Induktor” gemäß der Offenbarung. Der Induktor Lv1 entspricht einem „zweiten Induktor” gemäß der Offenbarung.
Die Schaltelemente Q11 bis Q14 und die Induktoren Lu1 und Lv1 bilden eine Aufwärts/Abwärtswandlerschaltung zwischen dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 und dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3. Konkret ist die Abwärtswandlerschaltung zwischen dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 und dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 gebildet, wenn man sich auf einen Pfad von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 zu dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 konzentriert. Wenn man sich auf einen Pfad von dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 zu dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 konzentriert, ist die Aufwärtswandlerschaltung zwischen dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 und dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 gebildet. Entsprechend kann eine Spannungseingabe von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 abwärts gewandelt werden und aus dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 ausgegeben. Eine Spannungseingabe von dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 wird aufwärts gewandelt und aus dem ersten Eingangs-/Ausgangseinschluss P1 ausgegeben.
Wenn die Brückenschaltung und der dritte Eingangs-Ausgangsanschluss P3 mit den zwischengeschalteten Induktoren Lu1 und Lv1 verbunden sind, gelangt bei der Stromübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung kein von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 zu dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 fließender Strom durch die Primärspule 31 (oder umgekehrt). Daher kann ein Leitungsverlust, der bei der Stromübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung durch einen durch die Primärspule 31 fließenden Strom erzeugt wird, unterbunden werden.
Als nächstes wird die sekundärseitige Wandlungsschaltung 20 beschrieben.
Die sekundärseitige Wandlungsschaltung 20 umfasst eine sekundärseitige Vollbrückenschaltung. Die sekundärseitige Vollbrückenschaltung entspricht einer „zweiten Vollbrückenschaltung” gemäß der Offenbarung. Die sekundärseitige Vollbrückenschaltung wird nachfolgend einfach als Vollbrückenschaltung bezeichnet. Die Vollbrückenschaltung besitzt Schaltelemente Q21, Q22, Q23 und Q24. Die Schaltelemente Q21, Q22, Q23 und Q24 sind n-Typ-MOSFETs. Jedem der Gates der Schaltelemente Q11, Q12, Q13 und Q14 wird von einem primärseitigen Treiber 33 ein Gate-Signal eingegeben. Damit werden die jeweiligen Schaltelemente Q21, Q22, Q23 und Q24 AN- und AUS geschaltet.
Ein drittes Armpaar, das die Schaltelemente Q21 und Q22 in Reihe verbindet, und ein viertes Armpaar, das die Schaltelemente Q23 und Q24 in Reihe verbindet, sind parallelgeschaltet und mit dem Eingangs-/Ausgangsanschlussstellen IO4 und IO5 verbunden. Ein Verbindungspunkt („erster Mittenpunkt” gemäß der Offenbarung) der Schaltelemente Q21 uns Q22 ist mit einem ersten Ende der Sekundärspule 32 des Transformators 30 mit einem zwischengeschalteten Induktor L2 angeordnet. Ein Verbindungspunkt („zweiter Mittenpunkt” gemäß der Offenbarung) der Schaltelemente Q23 und Q24 ist mit einem zweiten Ende der Sekundärspule 32 des Transformators 30 verbunden.
Der Induktor L2 ist ein Element zum Einstellen der Spannungswandlung bei der Stromübertragung in der Isolierungsrichtung und entspricht einem „Induktionsbauteil” gemäß der Offenbarung. Der Induktor L2 kann ein Eigenelement oder eine Streuinduktivität des Transformators 30 sein.
Ferner ist der Verbindungspunkt der Schaltelemente Q21 und Q22 auch mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss IO6 mit einem dazwischen angeordneten Induktor Lu2 verbunden. Der Verbindungspunkt der Schaltelemente Q23 und Q24 ist auch mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss IO6 mit einen dazwischen angeordneten Induktor Lv2 verbunden. Der Induktor Lu2 entspricht einem „dritten Induktor” gemäß der Offenbarung. Der Induktor Lv2 entspricht einem „vierten Induktor” gemäß der Offenbarung.
Die Schaltelemente Q21 bis Q24 und die Induktoren Lu2 und Lv2 bilden eine Aufwärts-/Abwärtswandlerschaltung zwischen dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 und dem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4. Konkret wird die Abwärtswandlerschaltung zwischen dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 und dem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 gebildet, wenn man sich auf einen Pfad von dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 zu dem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 konzentriert. Wenn man sich auf einen Pfad von dem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 zu dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 konzentriert, wird die Aufwärtswandlerschaltung zwischen dem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 und dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 gebildet. Entsprechend wird eine Spannungseingabe von dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 abwärts gewandelt und aus dem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 ausgegeben. Eine Spannungseingabe von dem vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 wird aufwärts gewandelt und aus dem zweiten Eingangs-/Ausgangseinschluss P2 ausgegeben.
Wenn die Brückenschaltung und der vierte Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 mit den zwischengeschalteten Induktoren Lu2 und Lv2 verbunden sind, gelangt bei der Stromübertragung kein von dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 an den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 fließender Strom durch die Sekundärspule 32 (oder umgekehrt). Daher kann ein Leitungsverlust, der bei der Stromübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung durch einen durch die Sekundärspule 32 fließenden Strom erzeugt wird, unterbunden werden.
Die Stromwandlungsvorrichtung 1 umfasst einen Controller 35. Der Controller 35 gibt ein Steuersignal an jeweils den primärseitigen Treiber 33 und den sekundärseitigen Treiber 34 aus. Der primärseitige Treiber 33 und der sekundärseitige Treiber 34, an den die Steuersignale eingegeben wurden, geben Gate-Signale an die jeweiligen Schaltelemente aus.
Obwohl die Vollbrückenschaltung der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 der „ersten Vollbrückenschaltung” gemäß der Offenbarung entspricht, und die Vollbrückenschaltung der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 der „zweiten Vollbrückenschaltung” gemäß der Offenbarung in der Ausführungsform entspricht, können diese umgekehrt sein. Das bedeutet, dass die Vollbrückenschaltung der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 als die „zweite Vollbrückenschaltung” gemäß der Offenbarung und die Vollbrückenschaltung der sekundärseitigen Wandlungsschaltung als „die erste Vollbrückenschaltung” gemäß der Offenbarung eingerichtet sein können. In diesem Fall entspricht der Induktor Lu2 dem „ersten Induktor” gemäß der Offenbarung und der Induktor Lv2 entspricht dem „zweiten Induktor” gemäß der Offenbarung. Ferner entspricht der Induktor Lu1 dem „dritten Induktor” gemäß der Offenbarung und der Induktor „Lv1” entspricht dem „vierten Induktor” gemäß der Offenbarung. Ferner entspricht die Primärspule 31 der „zweiten Spule” gemäß der Offenbarung und die Sekundärspule 32 entspricht der „ersten Spule” gemäß der Offenbarung.
Die Stromwandlungsvorrichtung 1 umfasst die Induktoren L1 und L2, es ist jedoch ausreichend, dass die Stromwandlungsvorrichtung 1 zumindest einen der Induktoren L1 und L2 umfasst.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Funktionen des Controllers 35 veranschaulicht. Der Controller 35 umfasst eine Stromwandlungsmodusbestimmungseinheit 351, eine Phasendifferenzbestimmungseinheit 352, eine Tastverhältnisbestimmungseinheit 353, eine primärseitige Ausgabeeinheit 354 und eine sekundärseitige Ausgabeeinheit 355.
Die Stromwandlungsmodusbestimmungseinheit 351 bestimmt beispielsweise einen Stromwandlungsmodus der Stromwandlungsvorrichtung 1 auf Grundlage einer externen Signaleingabe an den Controller 35. Der Stromwandlungsmodus umfasst einen ersten bis zwölften Modus.
Der erste Modus ist ein Modus, bei dem die Leistungseingabe von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 gewandelt wird, um an den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 ausgegeben zu werden. Der zweite Modus ist ein Modus, bei dem die Leistungseingabe von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 gewandelt wird, um an den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 ausgegeben zu werden. Der dritte Modus ist ein Modus, bei dem von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 eingegebene Leistung gewandet wird, um an den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 ausgegeben zu werden. Es sei angemerkt, dass bei dem dritten Modus, um genau zu sein, die Leistung nacheinander an den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1, den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 und den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 übertragen wird.
Der vierte Modus ist ein Modus, bei dem von dem dritten Eingangs-/Ausganganschluss P3 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den ersten Eingangs-/Ausganganschluss P1 ausgegeben zu werden. Der fünfte Modus ist ein Modus, bei dem von dem dritten Eingangs-/Ausganganschluss P3 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 ausgegeben zu werden. Der sechste Modus ist ein Modus, bei dem von dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 ausgegeben zu werden. Es sei angemerkt, dass in dem fünften Modus konkret die Leistung nacheinander an den dritten Eingangs-/Ausganganschluss P3, den ersten Eingangs-/Ausganganschluss P1 und den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 übertragen wird. Konkret wird in dem sechsten Modus die Leistung nacheinander an den dritten Eingangs-/Ausganganschluss P3, den ersten Eingangs-/Ausganganschluss P1, den zweiten Eingangs-/Ausganganschluss P2 und den vierten Eingangs-/Ausganganschluss P4 übertragen.
Der siebte Modus ist ein Modus, bei dem von dem zweiten Eingangs-/Ausganganschluss P2 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 ausgegeben zu werden. Der achte Modus ist ein Modus, bei dem von dem zweiten Eingangs-/Ausganganschluss P2 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 ausgegeben zu werden. Der neunte Modus ist ein Modus, bei dem von dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 ausgegeben zu werden. Es sei angemerkt, dass in dem achten Modus konkret die Leistung nacheinander in den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2, den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 und den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 übertragen wird.
Der zehnte Modus ist ein Modus, bei dem die von dem vierten Eingangs-/Ausganganschluss P4 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 ausgegeben zu werden. Der elfte Modus ist ein Modus, bei dem von dem vierten Eingangs-/Ausganganschluss P4 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 ausgegeben zu werden. Der zwölfte Modus ist ein Modus, bei dem von dem vierten Eingangs-/Ausganganschluss P4 eingegebene Leistung gewandelt wird, um an den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 ausgegeben zu werden. Es sei angemerkt, dass in dem zehnten Modus konkret die Leistung nacheinander in den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4, den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 und den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 ausgegeben wird. Konkret wird in dem elften Modus die Leistung nacheinander in den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4, den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2, den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 und den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 übertragen.
Die Phasendifferenzbestimmungseinheit 352 bestimmt Phasendifferenzen φ zwischen Schaltperioden der Schaltelemete, die in der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 und der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 umfasst sind, gemäß dem von der Stromwandlungsbestimmungseinheit 351 bestimmten Modus. Der Strom wird in der Isolierungsrichtung mit den bestimmten Phasendifferenzen φ übertragen.
Die Tastverhältnisbestimmungseinheit 353 bestimmt Tastverhältnisse der in der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 und der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 beinhalteten Schaltelemente gemäß dem bestimmten Modus. Eine Spannung wird sowohl in der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 als auch der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 gemäß den bestimmten Tastverhältnissen gesteuert (aufwärtsgewandelt oder abwärtsgewandelt).
Die primärseitige Ausgabeeinheit 354 sorgt dafür, dass Gate-Signale gemäß den Phasendifferenzen φ und den Tastverhältnissen, die jeweils von der Phasendifferenzbestimmungseinheit 352 und der Tastverhältnisbestimmungseinheit 353 bestimmt wurden, ausgegeben werden.
Die sekundärseitige Ausgabeeinheit 355 sorgt dafür, dass der sekundärseitige Treiber 34 die Gate-Signale an das jeweilige Schaltelement Q21, Q22, Q23 und Q24 der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 auf Grundlage des von der Stromwandlungsbestimmungseinheit 351 bestimmten Modus ausgibt. Damit wird das jeweilige Schaltelement Q21, Q22, Q23 und Q24 AN- und AUS geschaltet. Ferner veranlasst die sekundärseitige Ausgabeeinheit 355 die Ausgabe der Gate-Signale gemäß der Phasendifferenz φ und den Tastverhältnissen, die von die jeweils von der Phasendifferenzbestimmungseinheit 352 und der Tastverhältnisbestimmungseinheit 353 bestimmt wurden.
Nachfolgend werden Betriebe der Stromwandlungsvorrichtung 1 genauer beschrieben. Dieses Beispiel beschreibt den Fall, in dem eine Eingangsstromversorgung mit dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 verbunden ist, eine Last mit anderen Anschlüssen verbunden ist, und Leistung von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 an den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 und den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 übertragen wird.
3 ist ein Diagramm, das Spannungswellenformen und Strom(stärken)Wellenformen jeweiliger Bauteile der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 der Stromwandlungsvorrichtung 1 veranschaulicht. Vu1 gibt eine Drain-Source Spannung des Schaltelements Q14 an, Vu2 gibt eine Drain-Source Spannung des Schaltelements Q24 an (vgl. 1). Perioden von AN-Zeiten von allen von Vu1, Vv1, Vu2 und Vv2 sind δ(alle der AN-Zeitperioden der High-seitigen Schaltelemente der jeweiligen Paare sind δ). Sowohl eine Phasendifferenz zwischen Vu1 und Vv1 als auch eine Phasendifferenz zwischen Vu2 und Vv2 beträgt 180 Grad (π). I_Lu, gibt einen Strom an, der durch den Induktor Lv1 fließt und I1 gibt einen Strom an, der durch den Induktor L1 fließt. Es sei angemerkt, dass in diesem Beispiel alle von δ, φ und δ + φ kleiner als π sind.
Zunächst wird der Fall beschrieben, bei dem Strom von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 an den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 übertragen wird.
4 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Strompfads, wenn die Stromwandlungsvorrichtung 1 als Abwärtswandlerschaltung wirkt.
Bei einem Zustand (1) und einem Zustand (2), die in 3 veranschaulicht sind, ist Vu1 auf einem High (H) Pegel und Vv1 ist auf einem Low (L) Pegel. Bei diesen Zuständen sind die Schaltelemente Q11 und Q14 AN und die Schaltelemente Q12 und Q13 sind AUS. In diesem Fall fließt, wie in 4(A) veranschaulicht, der Strom I_Lu nacheinander in die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO1, das Schaltelement Q11, den Induktor Lu1 und den Eingangs-/Ausgangsanschluss IO3. Ferner fließt der Strom I_Lv nacheinander in die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO2, das Schaltelement Q14, den Induktor Lv1 und den Eingangs-/Ausgansanschluss IO3. In diesem Zeitraum wird der Induktor Lu1 durch eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 und dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 erregt, um Energie zu speichern bzw. zu akkumulieren, und der Strom bzw. die Stromstärke I_Lu nimmt zu. Der Induktor Lv1 führt ferner gespeicherte bzw. akkumulierte Energie ab, und der Strom bzw. die Stromstärke I_Lv nimmt ab.
Bei einem in 3 veranschaulichten Zustand (3) und einem Zustand (4) sind Vu1 und Vv1 an dem Low (L) Pegel. In diesen Zuständen sind die Schaltelemente Q11 und Q13 AUS und die Schaltelemente Q12 und Q14 sind AN. In diesem Fall wird, wie in 4(B) gezeigt, der Strom I_Lu und I_Lv nacheinander in die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO2, die Schaltelemente Q12 und Q14, die Induktoren Lu1 und Lv1 und der Eingangs-/Ausgangsanschluss IO3 fließen. In diesem Zeitraum entladen der Induktor Lu1 und den Induktor Lv1 akkumulierte Energie und die Stromstärke I_Lu und die Stromstärke I_Lv nehmen ab.
In einem Zustand (5) und einem Zustand (6), die in 3 gezeigt sind, ist Vu1 auf den Low (L) Pegel, und Vv1 ist an dem High (H) Pegel. In diesen Zuständen sind die Schaltelemente Q11 und Q14 AUS und die Schaltelemente Q12 und Q13 sind AN. In diesem Fall fließt, wie in 4(C) gezeigt, der Strom I_Lu nacheinander in die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO2, das Schaltelement Q12, den Induktor Lu1 und die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO3. Der Strom I_Lv fließt nacheinander in die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO1, das Schaltelement Q13, den Induktor Lv1 und die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO3. In diesem Zeitraum entlädt der Induktor Lu1 akkumulierte Energie und die Stromstärke I_Lu nimmt ab. Der Induktor Lv1 wird durch eine Phasendifferenz zwischen dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 und dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 angeregt, Energie zu speichern und die Stromstärke I_LV nimmt zu.
Ein Zustand (7) und ein Zustand (8), die in 3 veranschaulicht sind, sind die gleichen wie die von Zustand (3) und Zustand (4). Danach werden Zustand (1) und der Zustand (2) eingenommen.
Werden Vu1 und Vv1 wiederholt auf diese Weise auf den High Pegel und den Low Pegel gelegt, wird die Spannungseingabe von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 abwärts gewandelt, um an den dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 ausgegeben zu werden. Ein Abwärtswandlungsverhältnis der Spannung kann durch die AN-Zeit δ definiert sein.
Bei der Stromwandlung von dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 an den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1, wenn Vu1 und Vv1 wiederholt auf den High- und in den Low-Pegel gelegt werden, wird die von dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 eingegebene Spannung aufwärtsgewandelt, um an den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 ausgegeben zu werden. Ein Aufwärtswandlungsverhältnis davon kann durch die AN-Zeit δ definiert sein. Ferner kann die Leistungswandlung auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 auf die gleiche Weise beschrieben werden wie die auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10.
Auf diese Weise fließt bei der Leistungsübertragung in der Nicht-Isolierrichtung kein Strom durch den Induktor L1 und die Sekundärspule 32. Dies kann einen Leitungsverlust unterbinden, der bei der Stromübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung erzeugt wird.
Als nächstes wird der Fall beschrieben, bei dem Leistung von dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 an den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 übertragen wird.
Die 5, 6 und 7 sind Diagramme zur Erläuterung eines Strompfads, wenn die Stromwandlungsvorrichtung 1 als eine duale Aktiv-Brücken-Wandlerschaltung (nachfolgend DAB) fungiert.
Bei dem in 3 veranschaulichten Status (1) ist Vu1 auf dem High-Pegel (H) und Vv1, Vu2 und Vu3 sind an dem Low-Pegel (L). In diesem Zustand sind die Schaltelemente Q12, Q13, Q21 und Q23 AUS. In diesem Fall fließt wie in 5(A) gezeigt, der Strom I1 nacheinander in die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO1, das Schaltelement Q11, den Induktor L1 und die Primärspule 31, das Schaltelement Q14 und die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO2 auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO1 an den Induktor L1 und die Primärspule 31 angelegt, um die Stromstärke I1 (vgl. 3) zu erhöhen. Das Anlegen der Spannung an der Primärspule 31 induziert eine Spannung in der Sekundärspule 32 des Transformators 30. Dann fließt ein Strom nacheinander durch einen Pfad der Sekundärspule 32, des Induktors L2, des Schaltelements Q22, des Schaltelements Q24 und der Sekundärspule 32 auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20.
Bei dem in 3 veranschaulichten Zustand (2) sind Vu1 und Vu2 auf dem High-Pegel (H) und Vv1 und Vv2 sind auf dem Low-Pegel (L). In diesem Zustand sind die Schaltelemente Q11, Q14, Q21 und Q24 AN und die Schaltelemente Q12, Q13, Q22 und Q23 sind AUS. In diesem Fall fließt, wie in 5(B) gezeigt, der Strom I1 durch den gleichen Pfad wie der in dem Zustand (1) auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10. Ein Strom fließt durch einen Pfad der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO5, das Schaltelement Q24, die Sekundärspule 32, den Induktor L2, das Schaltelement Q21 und die Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO4 in dieser Reihenfolge auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20. In diesem Zeitraum werden eine Spannung der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO1, eine Spannung der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO4 und Spannungen gemäß der Anzahl von Wicklungen der Spulen des Transformators 30 an den Induktor L1 und den Induktor L2 angelegt und der Induktor L1 und der Induktor L2 speichern Energie oder entladen Energie. 3 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem die Energie akkumuliert und die Stromstärke erhöht wird.
Bei dem in 3 veranschaulichten Zustand (3) ist Vu2 auf dem High (H) Pegel und Vu1, Vv1 und Vv2 sind auf dem Low (L) Pegel. In diesem Zustand sind die Schaltelemente Q12, Q14, Q21 und Q24 AN und die Schaltelemente Q11, Q13, Q22 und Q23 sind AUS. Wie in 5(C) veranschaulicht veranlasst die in dem Induktor L1 akkumulierte Energie den Strom I1 dahingehend, nacheinander durch einen Pfad des Induktors L1, der Primärspule 31, das Schaltelement Q14, das Schaltelement Q12 und den Induktor L1 zu fließen. Zu diesem Zeitpunkt verringert sich die Stromstärke I1 (vgl. 3). Die in dem Induktor L2 gesammelte Energie veranlasst einen Strom dazu, durch den gleichen Pfad zu fließen wie den in dem Zustand (2) auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20.
Bei dem in 3 veranschaulichten Zustand (4) sind Vu1, Vv1, Vu2 und Vv2 auf dem Low (L)-Pegel. In diesem Zustand sind die Schaltelemente Q12, Q14, Q21 und Q24 AN und die Schaltelemente Q11, Q13, Q22 und Q23 sind AUS. In diesem Fall fließt, wie in 6(A) veranschaulicht, der Strom I1 durch den gleichen Pfad wie den in dem Zustand (3) auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10. Ein Strom fließt durch den gleichen Pfad wie den in dem Zustand (1) auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20. In diesem Zeitraum befinden sich der Induktor L1 und der Induktor L2 in kurzgeschlossenen Zuständen und die Stromstärke I1 und die Stromstärke I2 werden konstant eingestellt.
In dem in 3 veranschaulichten Zustand (6), sind Vv1 und Vv2 auf dem High (H) Pegel und Vu1 und Vu2 sind auf dem Low (L) Pegel. In diesem Zustand sind die Schaltelemente Q12, Q13, Q22 und Q24 AN und die Schaltelemente Q11, Q14, Q21 und Q23 sind AUS. In diesem Fall fließt wie in 6(B) gezeigt, der Strom I1 durch einen Pfad der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO1, des Schaltelements Q13, der Primärspule 31, des Induktors L1, der Schaltelements 12 und der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO2 auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10. Zu diesem Zeitpunkt wird an den Induktor L1 und die Primärspule umgekehrt eine Spannung der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO1 an den Zustand (1) angelegt und der Strom I1 fließt in die entgegengesetzte Richtung zu der in den Zuständen (1) bis (4). Daher wird eine Spannung mit positiver und negativer Polarität entgegen der in den Zuständen (1) bis (4) in die Sekundärspule 32 des Transformators 30 induziert. Ein Strom fließt durch einen Pfad der Sekundärspule 32, des Schaltelements Q24, des Schaltelements Q22, des Induktors L2 und der Sekundärspule 32 in dieser Reihenfolge auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20.
Bei dem in 3 veranschaulichten Zustand sind Vv1 und Vv2 auf dem High (H) Pegel und Vu1 und Vu2 sind auf dem Low (L) Pegel. Bei diesem Zustand sind die Schaltelemente Q12, Q13, Q22 und Q23 AN und die Schaltelemente Q11, Q14, Q21 und Q24 sind AUS. In diesem Fall fließt wie in 6(C) veranschaulicht, der Strom I1 durch den gleichen Pfad wie den in dem Zustand (5) auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10. Ein Strom fließt nacheinander durch einen Pfad der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO5, des Schaltelements Q22, des Induktors L2, der Sekundärspule 32, des Schaltelements Q23 und der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO4 auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20. In diesem Zeitraum, auf die gleiche Weise wie in dem Zustand (2), werden eine Spannung der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO1, eine Spannung der Eingangs-/Ausgangsanschlussstelle IO4 und Spannungen gemäß der Anzahl von Wicklungen der Spulen des Transformators 30 an den Induktor L1 und den Induktor L2 angelegt und der Induktor L1 und der Induktor L2 speichern Energie bzw. leiten diese ab.
Bei dem in 3 veranschaulichten Zustand (7) ist Vv2 auf dem High (H) Pegel und Vv1 und Vu1 und Vu2 sind auf dem Low (L) Pegel. Bei diesem Zustand sind die Schaltelemente Q12, Q14, Q22 und Q23 AN und die Schaltelemente Q11, Q13, Q21 und Q24 sind AUS. In diesem Fall veranlasst wie in 7(A) veranschaulicht, die in dem Induktor L1 angesammelte Energie den Strom I1 dazu nacheinander durch einen Pfad des Induktors L1, des Schaltelements Q12, des Schaltelements Q14, der Primärspule 31 und des Induktors L1 auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 zu fließen. Die in dem Induktor L2 angesammelte Energie veranlasst einen Strom, durch den gleichen Pfad zu strömen wie den in dem Zustand (6) auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20.
Bei dem in 3 veranschaulichten Zustand (8) sind Vv1, Vu1, Vv2 und Vu2 auf den Low (L) Pegel. Bei diesem Zustand sind die Schaltelemente Q12, Q14, Q22 und Q23 AN und die Schaltelemente Q11, Q13, Q21 und Q24 sind AUS. In diesem Fall fließt wie in 7(B) veranschaulicht, der Strom I1 durch den gleichen Pfad wie den in dem Zustand (7) auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10. Ein Strom fließt durch den gleichen Pfad wie den in dem Zustand (5) auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20. In diesem Zeitraum befinden sich der Induktor L1 und der Induktor L2 in kurzgeschlossenen Zuständen und der Strom I1 und der Strom I2 werden konstant gemacht.
Somit werden das erste Armpaar und das zweite Armpaar veranlasst, in schaltender Weise mit einer Phasendifferenz von 180 Grad (π) zwischen sich auf der Seite der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 betrieben zu werden, und das dritte Armpaar und das vierte Armpaar werden veranlasst, in schaltender Weise mit der Phasendifferenz von 180 Grad (π) zwischen sich auf der Seite der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 betrieben zu werden. Die Leistungseingabe an den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 wird gewandelt, um durch Anpassen der Phasendifferenzen der Schaltperioden der Schaltelemente an den zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 übertragen zu werden.
Bei der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung fließt kein Strom durch die Induktoren Lu1 und Lv1 und dergleichen, die für die Stromübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung notwendig sind, wodurch der Leitungsverlust unterbunden wird, der bei der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung erzeugt wird.
Es sei angemerkt, dass die gleiche Beschreibung auf die Stromübertragung von dem dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 an den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 angewendet werden kann.
Wie obenstehend beschrieben fließt bei der Stromwandlungsvorrichtung 1 Strom durch Pfade, die durch jeweilige, notwendige Elemente bei der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und der Stromübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung verlaufen, wodurch die Erzeugung von Leitungsverlust unterbunden wird um die effiziente Leistungsübertragung zu erreichen. Ferner können die magnetischen Bauteile unabhängig in den jeweiligen Pfaden ausgestaltet sein, da die magnetischen Bauteile, durch die die Ströme verlaufen, sich zwischen der Isolierungsrichtung und der Nicht-Isolierungsrichtung unterscheiden. Beispielsweise können die Induktoren Lu1 und Lv1 ausgestaltet sein, ohne die Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung zu berücksichtigen. Ferner ist keine zentrale Anzapfung für den Transformator 30 notwendig und die Konfiguration des Transformators kann daher vereinfacht und größenmäßig verringert werden.
(Zweite Ausführungsform)
8 ist ein Schaltungsdiagramm einer Stromwandlungsvorrichtung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Bei diesem Beispiel sind der erste Eingangs-/Ausgangsanschluss P1 und der dritte Eingangs-/Ausgangsanschluss P3 auf der Primärseite des Transformators 30 der Stromwandlungsvorrichtung 2 vorgesehen und der zweite Eingangs-/Ausgangsanschluss P2 ist auf der Sekundärseite vorgesehen. Das bedeutet, dass die Stromwandlungsvorrichtung 2 Stromwandlung zwischen zwei gewünschten Anschlüssen unter den drei Eingangs-/Ausgangsanschlüssen P1 bis P3 vorsieht.
Die primärseitige Stromwandlungsschaltung 10, die in der Stromwandlungsvorrichtung 2 beinhaltet ist, ist die gleiche wie die in der ersten Ausführungsform. Eine sekundärseitige Wandlungsschaltung 21 umfasst keinen Induktor L2, keine Induktoren Lu2 und Lv2 und nicht den vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss P4 der sekundärseitigen Wandlungsschaltung 20 in der ersten Ausführungsform.
Es sei angemerkt, dass als die Konfiguration der Stromwandlungsvorrichtung umfassend die drei Eingangs-/Ausgangsanschlüsse, die primärseitige Wandlungsschaltung einen Eingangs-/Ausgangsanschluss umfassen kann, wohingegen die sekundärseitige Wandlungsschaltung zwei Eingangs-/Ausgangsanschlüsse umfassen kann. In diesem Fall umfasst die primärseitige Wandlungsschaltung keine Induktoren Lu1 und Lu2 und die sekundärseitige Wandlungsschaltung umfasst die Induktoren Lu2 und Lv2 (vgl. 1).
Selbst wenn die Stromwandlungsvorrichtung 2 die Konfiguration umfassend die drei Eingangs-/Ausgangsanschlüsse P1, P2 und P3 besitzt, fließen Ströme durch unterschiedliche Pfade zwischen der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und der Leistungsübertragung, wodurch die Entstehung eines Leitungsverlustes unterbunden wird, um eine effiziente Leistungsübertragung zu erreichen.
(Dritte Ausführungsform)
9 ist ein Schaltungsdiagramm einer Stromwandlungsvorrichtung 3 gemäß einer dritten Ausführungsform.
Bei diesem Beispiel besitzt eine primärseitige Wandlungsschaltung 13 die Konfiguration, bei der die Induktoren Lu1 und Lv1 in der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 in der ersten Ausführungsform umfasst sind als Kopplungsinduktoren gebildet sind, die miteinander magnetisch koppeln, um ihre Polaritäten zueinander umzukehren. Ferner besitzt eine sekundärseitige Wandlungsschaltung 23 die Konfiguration, bei der die Induktoren Lu2 und Lv2, die in der primärseitigen Wandlungsschaltung 10 in der ersten Ausführungsform umfasst sind, als Kopplungsinduktoren ausgebildet sind, die miteinander magnetisch koppeln, um ihre Polaritäten zueinander umzukehren. Die Induktoren Lu1 und Lv1 koppeln magnetisch miteinander, um ihre Polaritäten zueinander umzukehren, wodurch sie Rippelströme löschen, die durch die Induktoren fließen. Dies ermöglicht es den Induktoren Lu1 und Lv1, größenmäßig verkleinert zu werden. Auf die gleiche Weise können die Induktoren Lu2 und Lv2 größenmäßig verringert werden.
Es sei angemerkt, dass nur einer der Induktoren Lu1 und Lv1 und der Induktoren Lu2 und Lv2 als Kopplungsinduktoren gebildet sein können, die magnetisch miteinander koppeln.
(Vierte Ausführungsform)
10 ist ein Schaltungsdiagramm einer Stromwandlungsvorrichtung 4 gemäß einer vierten Ausführungsform.
Bei diesem Beispiel ist in einer primärseitigen Wandlungsschaltung 14 ein Kondensator Ca in Reihe mit der Primärspule 31 verbunden. Das Einsetzen des Kondensators C1 kann eine Erzeugung Vormagnetisierung in dem Transformator 30 verhindern. Bei der Ausführungsform sind Strompfade zwischen der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und der Leistungsübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung unterschiedlich. Daher kann der Kondensator C1 vorgesehen sein.
Es sei angemerkt, dass der Kondensator C1 für einen anderen Zweck als den der Verhinderung einer Vormagnetisierung verwendet werden kann. Der Kondensator C1 kann beispielsweise zusammen mit dem Induktor L1 einen LC-Resonanzkreis bilden oder kann zusammen mit dem Induktor L1 und der Primärspule 31 einen LLC-Resonanzkreis bilden.
Wenn die Strompfade zwischen der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und der Leistungsübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung dieselben sind, bewirkt das Vorsehen eines Kondensators zum Verhindern einer Vormagnetisierung eine Beeinflussung auf die Leistungsübertragung (Aufwärts- oder Abwärtswandlung) in der Nicht-Isolierungsrichtung. Jedoch sind bei der Ausführungsform die Strompfade bei der Stromwandlungsvorrichtung 4 zwischen der Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung und der Leistungsübertragung in der Nicht-Isolierungsrichtung wie obenstehend in der ersten Ausführungsform beschrieben unterschiedlich, und der Kondensator C1 kann daher nur an dem Strompfad für die Leistungsübertragung in der Isolierungsrichtung vorgesehen werden.
Bezugszeichenliste

C1: KONDENSATOR
IO1, IO2, IO3, IO4, IO5, IO6: EINGANGS-/AUSGANGSANSCHLUSSSTELLE
L1, L2: INDUKTOR (INDUKTIONSELEMENT)
Lu1: INDUKTOR (ERSTER INDUKTOR)
Lv1: INDUKTOR (ZWEITER INDUKTOR)
Lu2: INDUKTOR (DRITTER INDUKTOR)
Lv2: INDUKTOR (VIERTER INDUKTOR)
P1: ERSTER EINGANGS-/AUSGANGSANSCHLUSS
P2: ZWEITER EINGANGS-/AUSGANGSANSCHLUSS
P3: DRITTER EINGANGS-/AUSGANGSANSCHLUSS
P4: VIERTER EINGANGS-/AUSGANGSANSCHLUSS
Q11, Q12, Q13, Q14: SCHALTELEMENT
Q21, Q22, Q23, Q24: SCHALTELEMENT
1, 2, 3, 4: STROMWANDLUNGSVORRICHTUNG
10, 13, 14: PRIMÄRSEITIGE WANDLUNGSSCHALTUNG
20, 21, 23: SEKUNDÄRSEITIGE WANDLUNGSSCHALTUNG
30: TRANSFORMATOR
31: PRIMÄRSPULE
32: SEKUNDÄRSPULE
33: PRIMÄRSEITIGER TREIBER
34: SEKUNDÄRSEITIGER TREIBER
35: CONTROLLER
351: LEISTUNGSWANDLUNGSMODUSBESTIMMUNGSEINHEIT
352: PHASENDIFFERENZBESTIMMUNGSEINHEIT
353: TASTVERHÄLTNISBESTIMMMUNGSEINHEIT
354: PRIMÄRSEITIGE AUSGABEEINHEIT
355: SEKUNDÄRSEITIGE AUSGANGSEINHEIT

Claims

Stromwandlungsvorrichtung, aufweisend: einen ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss; einen zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss; eine erste Vollbrückenschaltung, die mit dem ersten Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist; eine zweite Vollbrückenschaltung, die mit dem zweiten Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist; einen Transformator umfassend eine erste Spule und eine zweite Spule, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, die erste Spule ist mit einem ersten Mittelpunkt und einem zweiten Mittelpunkt der ersten Vollbrückenschaltung verbunden, die zweite Spule ist mit einem ersten Mittelpunkt und einem zweiten Mittelpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden; ein Induktionsbauteil, welches an einem Punkt zwischen der ersten Spule und der ersten Vollbrückenschaltung und/oder einem Punkt zwischen der zweiten Spule und der zweiten Vollbrückenschaltung vorgesehen ist; einen ersten Induktor, umfassend ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste Ende mit dem ersten Mittenpunkt der ersten Vollbrückenschaltung oder dem ersten Mittenpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden ist; einen zweiten Induktor, umfassend ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste Ende mit dem zweiten Mittenpunkt der ersten Vollbrückenschaltung oder dem zweiten Mittenpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden; und einen dritten Eingangs-/Ausgangsanschluss, der mit den zweiten Enden des ersten Induktors und des zweiten Induktors verbunden ist.
Stromwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Induktor und der zweite Induktor miteinander gekoppelt sind, um jeweilige Polaritäten des ersten Induktors und des zweiten Induktors einander umzukehren.
Stromwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Ende des ersten Induktors mit dem ersten Mittenpunkt der ersten Vollbrückenschaltung verbunden ist, das erste Ende des zweiten Induktors mit dem zweiten Mittenpunkt der ersten Vollbrückenschaltung verbunden ist, und die Stromwandlungsvorrichtung ferner umfasst: einen dritten Induktor, von dem ein erstes Ende mit dem ersten Mittenpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden ist; einen vierten Induktor, von dem ein erstes Ende mit dem zweiten Mittenpunkt der zweiten Vollbrückenschaltung verbunden ist; und einen vierten Eingangs-/Ausgangsanschluss, der mit zweiten Enden des dritten Induktors und des vierten Induktors verbunden ist.
Stromwandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der dritte Induktor und der vierte Induktor miteinander gekoppelt sind, um die Polaritäten einander umzukehren.
Stromwandlungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen Kondensator, der mit zwischen der ersten Vollbrückenschaltung und/oder der zweiten Vollbrückenschaltung und dem Transformator geschaltet ist.