DE112021007967T5

DE112021007967T5 - Leistungswandler

Info

Publication number: DE112021007967T5
Application number: DE112021007967.0T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Matsuda; Satoshi OJIKA; Tomokazu Sakashita; Shinichiro OIKAWA
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2023286190A1; US20240266961A1; JPWO2023286190A1

Abstract

Ein erster Reaktorstrom (IL1), der in einem ersten Reaktor (L1) fließt, und ein zweiter Reaktorstrom (IL2), der in einem zweiten Reaktor (L2) fließt, werden von einer AN-/AUS-Steuerung über ein erstes Schaltelement (S1) und ein zweites Schaltelement (S2) gesteuert. Die Steuereinheit (20) berechnet auf Grundlage des ersten und des zweiten Reaktorstroms (IL1 und IL2), die von den Stromdetektoren (11 und 12) detektiert werden, einen ersten Betriebsumfang und einen zweiten Betriebsumfang. Der erste Betriebsumfang definiert einen AN-Zeitraum des ersten Schaltelements (S1). Der zweite Betriebsumfang definiert einen AN-Zeitraum des zweiten Schaltelements (S2). Der erste und der zweite Betriebsumfang werden mit einer Nicht-Interferenz-Steuerung berechnet, um eine wechselseitige Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktorstrom (IL1 und IL2), die durch magnetische Kopplung zwischen dem ersten Reaktor (L1) und dem zweiten Reaktor (L2) verursacht wird, zu unterdrücken.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Leistungswandler.
STAND DER TECHNIK
Als ein Aspekt eines Leistungswandlers, der für Größen- und Gewichtsabnahmen geeignet ist, ist ein verschachtelter Wandler bekannt, bei dem eine Vielzahl von parallel geschalteten DC/DC-Wandlern verwendet wird. Die Vielzahl der entsprechenden DC/DC-Wandler wird einer Steuerung unterzogen, um in dem verschachtelten Wandler in unterschiedliche Phasen zu schalten, um zu ermöglichen, dass eine Stromwelligkeit in einem Ausgangskondensator verringert wird. Dies ermöglicht die Verringerung der Größe des Ausgangskondensators.
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2012-210145 (PTL 1) beschreibt eine Schaltungskonfiguration, bei der ein Transformator zur magnetischen Kopplung, bei dem 2-Phasen-Induktoren in einem einzigen Kern zusammengefasst sind, in einem verschachtelten 2-Phasen-Boost-Wandler verwendet wird, bei dem zwei Boost-Chopper-Schaltungen (DC/DC-Wandler) parallel geschaltet sind. Dies ermöglicht es, weitere Größen- und Gewichtsabnahmen zu erreichen.
Ferner beschreibt die PTL 1 Mittel zum Korrigieren eines Stromungleichgewichts zwischen den Phasen, das durch eine Elementvariation oder dergleichen in dem verschachtelten 2-Phasen-Boost-Wandler, in dem der Transformator zur magnetischen Kopplung verwendet wird, verursacht wird. Infolgedessen ist es möglich, die magnetische Sättigung des Transformators zur magnetischen Kopplung zu verhindern.
ENTGEGENHALTUNGSLISTE
PATENTLITERATUR
PTL 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2012-210145
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Bei der Verwendung eines Transformators zur magnetischen Kopplung oder dergleichen für Größen- und Gewichtsabnahmen bestehen jedoch Bedenken hinsichtlich des Auftretens einer wechselseitigen Interferenz zwischen den Reaktorströmen in den jeweiligen Phasen. Eine Steuerungsoperation in einer der Phasen, die eine solche wechselseitige Interferenz verursacht, beeinflusst eine Operation in der anderen Phase.
Im Falle einer Steuerungsgestaltung mit einer Übertragungsfunktion eines normalen verschachtelten Wandlers ist es daher in einigen Fällen nicht möglich, die gewünschten Frequenzeigenschaften zu erhalten. Infolgedessen bestehen Bedenken hinsichtlich eines Problems wie zum Beispiel eines degenerierten Ansprechverhaltens oder Schwierigkeiten bei der Sicherstellung eines stabilen Betriebs des gesamten verschachtelten Wandlers. Die PTL 1 erwähnt jedoch kein Problem hinsichtlich einer wechselseitigen Interferenz zwischen den Reaktorströmen, die durch die magnetische Kopplung verursacht wird.
Die vorliegende Offenbarung wurde entwickelt, um ein solches Problem zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, das Ansprechverhalten und die Stabilität eines verschachtelten Leistungswandlers, einschließlich eines ersten und eines zweiten Reaktors, die magnetisch gekoppelt sind, zu erhöhen.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Leistungswandler bereitgestellt. Der Leistungswandler beinhaltet eine Gleichspannungsumwandlungsschaltung und eine Steuereinheit. Die Gleichspannungsumwandlungsschaltung wandelt eine Gleichspannung zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss um. Die Gleichspannungsumwandlungsschaltung beinhaltet einen ersten Reaktor, einen zweiten Reaktor, der eine Induktivität aufweist, die der des ersten Reaktors entspricht, einen dritten Reaktor, ein erstes Halbleiterelement, ein zweites Halbleiterelement, ein drittes Halbleiterelement, ein viertes Halbleiterelement und einen Stromdetektor. Der erste Reaktor ist zwischen einem ersten Knoten und einem Zwischenknoten angeschlossen. Der zweite Reaktor ist zwischen einem zweiten Knoten und dem Zwischenknoten angeschlossen und an den ersten Reaktor in umgekehrter Polarität magnetisch gekoppelt. Der dritte Reaktor ist zwischen einem Eingangsknoten und dem Zwischenknoten angeschlossen. Der Eingangsknoten ist an den ersten Anschluss angeschlossen. Das erste Halbleiterelement ist zwischen einem Referenzspannungsknoten und dem ersten Knoten angeschlossen. Das zweite Halbleiterelement ist zwischen dem Referenzspannungsknoten und dem zweiten Knoten angeschlossen. Das dritte Halbleiterelement ist zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Anschluss angeschlossen. Das vierte Halbleiterelement ist zwischen dem zweiten Knoten und dem zweiten Anschluss angeschlossen. Der Stromdetektor detektiert einen ersten Reaktorstrom und einen zweiten Reaktorstrom. Der erste Reaktorstrom fließt zu dem ersten Reaktor. Der zweite Reaktorstrom fließt zu dem zweiten Reaktor. Eines des ersten und des dritten Halbleiterelements beinhaltet ein erstes Schaltelement, und eines des zweiten und des vierten Halbleiterelements beinhaltet ein zweites Schaltelement. Die Steuereinheit führt eine Steuerung durch, um das erste und das zweite Schaltelement an- und auszuschalten, um eine Phasendifferenz zwischen den Anschaltzeitpunkten des ersten und des zweiten Schaltelements bereitzustellen. Die Steuereinheit beinhaltet eine Stromsteuerung. Die Stromsteuerung berechnet auf Grundlage des von dem Stromdetektor detektierten ersten und zweiten Reaktorstroms einen ersten Betriebsumfang und einen zweiten Betriebsumfang. Der erste Betriebsumfang definiert einen AN-Zeitraum des ersten Schaltelements. Der zweite Betriebsumfang definiert einen AN-Zeitraum des zweiten Schaltelements. Die Stromsteuerung ist ferner dazu konfiguriert, den ersten und den zweiten Betriebsumfang mittels Nicht-Interferenz-Steuerung zu berechnen, um eine wechselseitige Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktorstrom zu unterdrücken. Die wechselseitige Interferenz wird durch magnetische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktor verursacht.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglicht es die Einführung einer Nicht-Interferenz-Steuerung, das Ansprechvermögen und die Stabilität eines verschachtelten Leistungswandlers, einschließlich eines ersten und eines zweiten Reaktors, die magnetisch gekoppelt sind, zu erhöhen. Die Nicht-Interferenz-Steuerung hebt die wechselseitige Interferenz zwischen den Reaktorströmen, die durch die magnetische Kopplung verursacht wird, auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration eines Leistungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform beschreibt.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Hardware-Konfiguration einer in 1 veranschaulichten Steuereinheit beschreibt.
3 ist ein Stromsteuerungsblockdiagramm einer Gleichspannungsumwandlungsschaltung durch die Steuereinheit.
4 ist ein Wellenformdiagramm, das eine Verschachtelungsoperation des Leistungswandlers gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt.
5 ist ein äquivalenter Schaltplan der Gleichspannungsumwandlungsschaltung zum Analysieren einer Beziehung zwischen einem Tastverhältnis und einem Reaktorstrom.
6 ist ein erstes Wellenformdiagramm, das ein Betriebsbeispiel für eine Nicht-Interferenz-Steuerung in dem Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt.
7 ist ein zweites Wellenformdiagramm, das ein Betriebsbeispiel für die Nicht-Interferenz-Steuerung in dem Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt.
8 ist ein drittes Wellenformdiagramm, das ein Betriebsbeispiel der Nicht-Interferenz-Steuerung in dem Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt.
9 ist ein viertes Wellenformdiagramm, das ein Betriebsbeispiel für die Nicht-Interferenz-Steuerung in dem Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt.
10 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration eines Leistungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform beschreibt.
11 ist ein Wellenformdiagramm, das eine Verschachtelungsoperation des Leistungswandlers gemäß der zweiten Ausführungsform beschreibt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden im Folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben. Es ist anzumerken, dass die gleichen oder entsprechende Abschnitte in den Zeichnungen nachstehend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, jedoch nicht wiederholt grundsätzlich beschrieben werden.
Erste Ausführungsform
1 veranschaulicht einen Schaltplan, der eine Konfiguration eines Leistungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform beschreibt.
Wie in 1 veranschaulicht, beinhaltet ein Leistungswandler 100 gemäß der ersten Ausführungsform eine Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10, eine Steuereinheit 20, einen niederspannungsseitigen Anschluss LV und einen hochspannungsseitigen Anschluss HV.
Eine Gleichstromversorgung 5 ist zwischen dem niederspannungsseitigen Anschluss LV und einem Erdungsanschluss GL angeschlossen. Eine Last 30, die mit Gleichstrom arbeitet, ist an den hochspannungsseitigen Anschluss HV und einen Erdungsanschluss GH angeschlossen. Ferner ist ein Kondensator C1 zwischen dem hochspannungsseitigen Anschluss HV und dem Erdungsanschluss GH zu der Last 30 parallel geschaltet, um eine Gleichspannung, mit der die Last 30 versorgt wird, zu glätten.
Der Leistungswandler 100 wird zum Beispiel hergestellt, um an einem künstlichen Satelliten angebracht zu werden, dessen Größe und Gewicht in vielen Fällen verringert werden müssen. In diesem Fall beinhaltet die Last 30 an dem künstlichen Satelliten angebrachte Vorrichtungen wie zum Beispiel eine Kommunikationsvorrichtung, eine Lagesteuervorrichtung, eine Antriebsvorrichtung und eine Beobachtungsvorrichtung. Zusätzlich ist es möglich, dass die Gleichstromversorgung 5 eine Batterie beinhaltet. Die Batterie ist mittels Solar-Fotovoltaik-Stromerzeugung wiederaufladbar. Die Erdungsanschlüsse GL und GH sind an einen Referenzspannungsknoten Ng angeschlossen, der eine Erdungsspannung GND zuführt.
Die Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 führt eine Gleichspannungsumwandlung (DC/DC-Umwandlung) zwischen dem niederspannungsseitigen Anschluss LV und dem hochspannungsseitigen Anschluss HV aus. Die Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 beinhaltet die Reaktoren L1 und L2, einen Glättungsreaktor L3, die Halbleiterelemente S1 und S2 sowie die Halbleiterelemente D1 und D2. Die Reaktoren L1 und L2 sind magnetisch gekoppelt. Im Folgenden werden die Induktivitätswerte der Reaktoren L1 bis L3 auch als L1 bis L3 beschrieben. Es ist möglich, dass die Reaktoren L1 und L2 wie in der PTL 1 den Transformator zur magnetischen Kopplung Tr beinhalten.
Der Reaktor L3 ist zwischen einem Eingangsknoten Ni und einem Knoten Nt angeschlossen. Der Eingangsknoten Ni ist an den niederspannungsseitigen Anschluss LV angeschlossen. Der Reaktor L1 beinhaltet eine erste Wicklung des Transformators zur magnetischen Kopplung Tr, die zwischen dem Knoten Nt und einem Knoten N1 angeschlossen ist. Gleichermaßen beinhaltet der Reaktor L2 eine zweite Wicklung des Transformators zur magnetischen Kopplung Tr, die zwischen dem Knoten Nt und einem Knoten N2 angeschlossen ist.
Der Transformator zur magnetischen Kopplung Tr wird konfiguriert, indem die erste Wicklung und die zweite Wicklung, die vorstehend beschrieben sind, um den gleichen Magnetkern herumgewickelt werden. Die erste Wicklung und die zweite Wicklung sind so ausgestaltet, dass sie ein Windungsverhältnis von 1:1 aufweisen, und die Reaktoren L1 und L2 sind so ausgestaltet, dass sie den gleichen Induktivitätswert (L1 = L2) aufweisen. Die gemeinsame Verwendung des Magnetkerns geht davon aus, dass eine Differenz zwischen L1 und L2, die durch eine Elementvariation verursacht wird, unterdrückt wird. Ferner sind, wie veranschaulicht, die erste Wicklung (Reaktor L1) und die zweite Wicklung (Reaktor L2) in umgekehrter Polarität magnetisch gekoppelt.
Es ist anzumerken, dass eine Vielfalt von Konfigurationen auf die Reaktoren L1 und L2 sowie den Reaktor L3 anwendbar ist, solange die Konfigurationen elektrisch äquivalent zu 1 sind. Zum Beispiel ist es unnötig, die Reaktoren L1 und L2 sowie den Reaktor L3 durch striktes Trennen des Transformators zur magnetischen Kopplung Tr (L1 und L2) und des Glättungsreaktors (L3) zu konfigurieren. Es ist beispielsweise auch möglich, mindestens einen Teil der Induktivität des Glättungsreaktors L3 unter Verwendung der Streuinduktivität des Transformators zur magnetischen Kopplung Tr zu konfigurieren. Mit anderen Worten wird die Induktivität des Reaktors L3 als die Summe der Induktivität des Reaktors L3 und der Streuinduktivität des Transformators zur magnetischen Kopplung Tr ausgedrückt.
Vorzugsweise werden Magnetkerne unterschiedlicher Materialqualität für den Transformator zur magnetischen Kopplung Tr und den Glättungsreaktor L3 verwendet. Spezifisch wird für den Magnetkern des Transformators zur magnetischen Kopplung vorzugsweise ein Material verwendet, das im Falle einer Wechselstromanregung einen geringeren Kernverlust aufweist, da die in dem Transformator zur magnetischen Kopplung Tr erzeugten magnetischen Vernetzungsflüsse hauptsächlich magnetische Wechselstromflüsse beinhalten. Im Gegensatz dazu beinhalten die in dem Glättungsreaktor L3 erzeugten magnetischen Vernetzungsflüsse hauptsächlich magnetische Gleichstromflüsse. Daher wird für den Magnetkern des Reaktors L3 vorzugsweise ein Material verwendet, das eine hohe Sättigungsflussdichte und günstige Gleichstromüberlagerungseigenschaften aufweist. Die Verwendung der unterschiedlichen Kernmaterialien wie vorstehend beschrieben ermöglicht es dem Transformator zur magnetischen Kopplung Tr (Reaktoren L1 und L2) und dem Glättungsreaktor L3, gleichmäßige Verlustverringerungen und Größenreduktionen zu erzielen.
Es ist anzumerken, dass es zwar grundsätzlich auch möglich ist, dass der Reaktor L3 nur die Streuinduktivität des Transformators zur magnetischen Kopplung Tr beinhaltet, es jedoch notwendig ist, die zum Glätten erforderliche Induktivität sicherzustellen.
Ein Stromdetektor 11 ist angeordnet, um einen Reaktorstrom IL1 zu detektieren, der in der ersten Wicklung (Reaktor L1) des Transformators zur magnetischen Kopplung fließt. Ein Stromdetektor 12 ist angeordnet, um einen Reaktorstrom IL2 zu detektieren, der in der zweiten Wicklung (Reaktor L2) des Transformators zur magnetischen Kopplung fließt.
Das Halbleiterelement D1 ist zwischen dem Knoten N1 und einem Ausgangsknoten No angeschlossen. Das Halbleiterelement D2 ist zwischen dem Knoten N2 und dem Ausgangsknoten No angeschlossen. Das Halbleiterelement S1 ist zwischen dem Knoten N1 und dem Referenzspannungsknoten Ng angeschlossen. Das Halbleiterelement S2 ist zwischen dem Knoten N2 und dem Referenzspannungsknoten Ng angeschlossen.
Die Halbleiterelemente S1 und S2 und die Halbleiterelemente D1 und D2 beinhalten jeweils ein Halbleiterschaltelement (das nachfolgend auch einfach als „Schaltelement“ bezeichnet wird) oder eine Diode. Es ist zum Beispiel möglich, dass jedes der Schaltelemente einen MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder dergleichen beinhaltet. Die Schaltelemente werden jeweils gemäß einem Steuersignal von der Steuereinheit 20 einer AN-/AUS-Steuerung unterzogen.
In dem Konfigurationsbeispiel von 1 sind die Kathoden der Halbleiterelemente D1 und D2 an den Ausgangsknoten No angeschlossen. Mit anderen Worten beinhalten die Halbleiterelemente D1 und D2 Dioden, welche die Richtungen von den Knoten N1 und N2 zu dem Ausgangsknoten No (hochspannungsseitigen Anschluss HV) als Vorwärtsrichtungen verwenden. Andererseits beinhalten die Halbleiterelemente S1 und S2 jeweils ein Schaltelement, das einer AN/AUS-Steuerung durch die Steuereinheit 20 unterzogen wird. Dies ermöglicht es der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10, eine Hochsetz(Boost)-Operation des Hochsetzens der Gleichspannung des niederspannungsseitigen Anschlusses LV und des Ausgebens der hochgesetzten Gleichspannung an den hochspannungsseitigen Anschluss HV durchzuführen. Das Folgende bezieht sich sowohl auf die Halbleiterelemente S1 und S2 als auch auf die Schaltelemente S1 und S2.
Die Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 führt eine Verschachtelungsoperation an einem ersten Phasenwandler (Boost-Chopper in 1) und einem zweiten Phasenwandler (Boost-Chopper in 1) durch, um eine DC/DC-Umwandlung zwischen dem niederspannungsseitigen Anschluss LV und dem hochspannungsseitigen Anschluss HV auszuführen. Der erste Phasenwandler beinhaltet die Halbleiterelemente S1 und D1 und den Reaktor L1. Der zweite Phasenwandler beinhaltet die Halbleiterelemente S2 und D2 und den Reaktor L2.
Die Steuereinheit 20 gibt PWM(Pulsweitenmodulations)-Signale zum Steuern der Reaktorströme IL1 und IL2 als gepulste Ansteuersignale zur Kontrolle des An- und Ausschaltens der Halbleiterelemente S1 und S2 aus. Die Ansteuersignale werden in einen Treiber (nicht veranschaulicht) eingegeben, der die Gate-Spannungen der Halbleiterelemente S1 und S2 ansteuert. Dadurch werden die Schaltelemente S1 und S2 einer AN-/AUS-Steuerung (Steuerung zum Umschalten) gemäß den Ausgangssignalen der Steuereinheit 20 unterzogen.
In dem Konfigurationsbeispiel von 1 entspricht der niederspannungsseitige Anschluss LV einem Beispiel für einen „ersten Anschluss“ und der hochspannungsseitige Anschluss HV einem Beispiel für einen „zweiten Anschluss“. Ferner entsprechen der Reaktor L1, der Reaktor L2 und der Reaktor L3 Beispielen für einen „ersten Reaktor“, einen „zweiten Reaktor“ bzw. einen „dritten Reaktor“. Außerdem entsprechen der Knoten N1 und der Knoten N2 Beispielen für einen „ersten Knoten“ und einen „zweiten Knoten“, und der Knoten Nt entspricht einem Beispiel für einen „Zwischenknoten“. Ferner entsprechen das Halbleiterelement S1 und das Halbleiterelement S2 Beispielen für ein „erstes Halbleiterelement“ bzw. ein „zweites Halbleiterelement“. Insbesondere entspricht in 1 das Halbleiterelement (Schaltelement) S1 einem „ersten Schaltelement“ und das Halbleiterelement (Schaltelement) S2 einem „zweiten Schaltelement“. Außerdem entspricht das Halbleiterelement D1 einem Beispiel für ein „drittes Halbleiterelement“ und das Halbleiterelement D2 entspricht einem Beispiel für ein „viertes Halbleiterelement“.
2 veranschaulicht ein Beispiel für eine Hardware-Konfiguration der Steuereinheit 20. Typischerweise ist es möglich, dass die Steuereinheit 20 einen Mikrocomputer beinhaltet. Der Mikrocomputer speichert im Voraus ein vorgegebenes Programm.
Zum Beispiel ist es, wie in 2 veranschaulicht, möglich, eine computerbasierte Konfiguration anzunehmen, bei der die Steuereinheit 20 eine CPU (Zentraleinheit) 22, einen Speicher 24 und eine Eingabe-/Ausgabe(E/A)-Schaltung 26 beinhaltet. Es ist möglich, Daten zwischen der CPU 22, dem Speicher 24 und der E/A-Schaltung 26 über einen Bus 25 auszutauschen. Ein Teilbereich des Speichers 24 speichert ein Programm im Voraus. Die CPU 22 führt das Programm aus, um die nachstehend beschriebene Reaktorstromsteuerung ausführen zu können. Die E/A-Schaltung 26 empfängt und gibt Signale und Daten von der und an die Außenseite der Steuereinheit 20 (z. B. die Stromdetektoren 11 und 12 und die Schaltelemente S1 und S2) aus.
Alternativ ist es, anders als im Beispiel von 2, möglich, mindestens einen Teil der Steuereinheit 20 unter Verwendung einer Schaltung wie zum Beispiel einer FPGA (im Feld programmierbare Gate-Anordnung) oder einer ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) zu konfigurieren. Darüber hinaus ist es auch möglich, mindestens einen Teil der Steuereinheit 20 unter Verwendung einer analogen Schaltung zu konfigurieren. Auf diese Weise ist es möglich, Funktionen der jeweiligen Blöcke, die in jedem der Funktionsblockdiagramme der nachstehend beschriebenen Steuereinheit 20 enthalten sind, unter Verwendung mindestens eines von Softwareverarbeitung und Hardwareverarbeitung zu implementieren.
3 ist ein Stromsteuerungsblockdiagramm der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 durch die Steuereinheit 20. Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht es mindestens eine von Softwareverarbeitung und Hardwareverarbeitung der Steuereinheit 20, eine Stromsteuerung 20X zum Steuern der Reaktorströme IL1 und IL2 mit einem Strombefehlswert Iref zu konfigurieren.
Wie in 3 veranschaulicht, berechnet die Stromsteuerung 20X die Tastverhältnisse DT1 und DT2 als Betriebsumfänge der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 zum Anpassen der jeweiligen Reaktorströme IL1 und IL2, die von den Stromdetektoren 11 und 12 detektiert werden, an den Strombefehlswert Iref.
4 veranschaulicht ein Wellenformdiagramm, das eine Verschachtelungsoperation des Leistungswandlers gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt. Unter Bezugnahme auf 4 werden auch die Definitionen der von der Steuereinheit 20 berechneten Tastverhältnisse DT1 und DT2 beschrieben.
Wenn, wie in 4 veranschaulicht, davon ausgegangen wird, dass das Schaltelement S1 eine Schaltzykluslänge Ts von 360 (Grad) aufweist, wird das Schaltelement S1 in jedem Schaltzyklus zum Zeitpunkt einer Phase von 0 (Grad) angeschaltet und zu dem Zeitpunkt, an dem DT1·Ts abläuft, nachdem das Schaltelement S1 angeschaltet wird, ausgeschaltet. Gleichermaßen wird das Schaltelement S2 in jedem Schaltzyklus zum Zeitpunkt einer Phase von 180 (Grad) angeschaltet und zu dem Zeitpunkt, an dem DT2·Ts abläuft, nachdem das Schaltelement S2 angeschaltet wird, ausgeschaltet.
Mit anderen Worten werden die Schaltelemente S1 und S2 einer AN-/AUSSteuerung unterzogen, um mit einer Phasendifferenz zwischen den Anschaltzeitpunkten versehen zu werden, wann immer die Schaltzykluslänge Ts vorüber ist. Dadurch wird eine Verschachtelungsoperation zum Unterdrücken eines Welligkeitsstroms und einer Welligkeitsspannung, die in dem Kondensator C1 erzeugt werden, erreicht, um eine Verringerung des Kapazitätswerts des Kondensators C1, das heißt eine Verringerung der Größe des Kondensators Cl, zu ermöglichen. Es ist anzumerken, dass das oben beschriebene Einstellen der Phasendifferenz auf 180 wie in dem Beispiel von 4 das Maximieren der Welligkeitsunterdrückungswirkung der Verschachtelungsoperation ermöglicht.
Das Tastverhältnis DT1 ist als das Verhältnis der Länge des AN-Zeitraums des Schaltelements S1 zur Schaltzykluslänge Ts definiert. Gleichermaßen ist das Tastverhältnis DT2 als das Verhältnis der Länge des AN-Zeitraums des Schaltelements S2 zu der Länge des Schaltzyklus Ts definiert. 4 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem die Tastverhältnisse DT1 und DT2 in den Bereich von 0 ≤ DT1 (DT2) < 0,5 fallen, die Tastverhältnisse DT1 und DT2 jedoch innerhalb des Bereichs von 0 ≤ DT1 (DT2) < 1 in Übereinstimmung mit den Boost-Verhältnissen variabel gesteuert werden.
Es wird erneut auf 3 Bezug genommen. Eine Übertragungsfunktion 70 gibt die Änderungseigenschaften der Reaktorströme IL1 und IL2 in Bezug auf die Tastverhältnisse DT1 und DT2 in der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 an. Der Reaktorstrom IL1 empfängt nicht nur über das Schaltelement S1, das mit dem Tastverhältnis DT1 übereinstimmt, den direkten Einfluss der AN-/AUS-Steuerung, sondern über den Transformator zur magnetischen Kopplung Tr auch den Einfluss einer Veränderung des Reaktorstroms IL2. Infolgedessen wird der Reaktorstrom IL1 als nachstehende Formel (1) ausgedrückt, indem nicht nur eine Übertragungsfunktion G11, sondern auch eine Übertragungsfunktion G12 verwendet wird. Die Übertragungsfunktion G11 gibt eine Änderungseigenschaft des Reaktorstroms IL1 in Bezug auf das Tastverhältnis DT1 an. Die Übertragungsfunktion G12 gibt eine Änderungseigenschaft des Reaktorstroms IL1 in Bezug auf das Tastverhältnis DT2 an. $IL1 = G11 \cdot DT1 + G12 \cdot DT2$
Gleichermaßen wird der Reaktorstrom IL2 als nachstehende Formel (2) ausgedrückt, indem nicht nur eine Übertragungsfunktion G22, sondern auch eine Übertragungsfunktion G21 verwendet wird. Die Übertragungsfunktion G22 gibt eine Änderungseigenschaft des Reaktorstroms IL2 in Bezug auf das Tastverhältnis DT2 an. Die Übertragungsfunktion G21 gibt eine Änderungseigenschaft des Reaktorstroms IL2 in Bezug auf das Tastverhältnis DT1 an. $IL2 = G22 \cdot DT2 + G21 \cdot DT1$
Auf diese Weise beinhaltet die Übertragungsfunktion 70 der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 die Übertragungsfunktionen G11, G12, G21 und G22, einschließlich der wechselseitigen Interferenz zwischen den Reaktorströmen IL1 und IL2.
Die Stromsteuerung 20X beinhaltet die Subtrahierer 41 und 42, die Addierer 43 und 44, die Kompensatoren 51 und 52 und die Nicht-Interferenz-Steuerungen 61 und 62.
Der Subtrahierer 41 subtrahiert den Wert des vom Stromdetektor 11 detektierten Reaktorstroms IL1 vom Strombefehlswert Iref, um eine Stromabweichung ΔIL1 zu berechnen. Gleichermaßen subtrahiert der Subtrahierer 42 den Wert des vom Stromdetektor 12 detektierten Reaktorstroms IL2 vom Strombefehlswert Iref, um eine Stromabweichung ΔIL2 zu berechnen. Die Stromabweichungen ΔIL1 und ΔIL2 werden jeweils in die Kompensatoren 51 und 52 eingegeben.
Der Kompensator 51 berechnet ein Grundtastverhältnis DT1* zum Kompensieren der Stromabweichung ΔIL1. Gleichermaßen berechnet der Kompensator 52 ein Grundtastverhältnis DT2* zum Kompensieren der Stromabweichung ΔIL2. Zum Beispiel nimmt jeder der Kompensatoren 51 und 52 eine Berechnung unter der PI(Proportional-Integral)-Steuerung, der PID(Proportional-Integral-Differential)-Steuerung oder dergleichen vor. Die Kompensatoren 51 und 52 sind normalerweise dazu ausgestaltet, die gewünschten Frequenzeigenschaften zum Sichern des Ansprechverhaltens und der Stabilität der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 zu bieten. Zum Beispiel werden die Frequenzeigenschaften mit einer Verstärkung der vorstehend beschriebenen PI-Steuerung oder PID-Steuerung angepasst.
Die Nicht-Interferenz-Steuerung 61 multipliziert ein Grundtastverhältnis DT2* und einen nicht interferierenden Koeffizienten Gc1, um einen Korrekturumfang DT1c des Tastverhältnisses DT1 für die Nicht-Interferenz-Steuerung zu berechnen. Wie nachstehend beschrieben, wird der Korrekturumfang DT1c so eingestellt, dass der Umfang der im Reaktorstrom IL1 vorgenommenen Änderungen gemäß einer Änderung des Tastverhältnisses DT2 mittels der magnetischen Kopplung zwischen den Reaktoren L1 und L2 aufgehoben wird Gleichermaßen multipliziert die Nicht-Interferenz-Steuerung 62 das Grundtastverhältnis DT1* und einen nicht interferierenden Koeffizienten Gc2, um einen Korrekturumfang DT2c des Tastverhältnisses DT2 für die Nicht-Interferenz-Steuerung zu berechnen. Der Korrekturumfang DT2c wird so eingestellt, dass der Umfang der im Reaktorstrom IL2 vorgenommenen Änderungen gemäß einer Änderung des Tastverhältnisses DT1 mittels der magnetischen Kopplung aufgehoben wird.
Der Addierer 43 addiert ein Grundtastverhältnis DT1 * von dem Kompensator 51 und einen Korrekturumfang DT1c von der Nicht-Interferenz-Steuerung 61, um ein Tastverhältnis DT1 des Schaltelements S1 (DT1 = DT1* + DT1c) zu berechnen. Gleichermaßen addiert der Addierer 44 das Grundtastverhältnis DT2* von dem Kompensator 52 und den Korrekturumfang DT2c von der Nicht-Interferenz-Steuerung 62, um das Tastverhältnis DT2 des Schaltelements S2 (DT2 = DT2* + DT2c) zu berechnen.
Wie in 3 beschrieben, werden die Verhältnisse der AN-Zeiträume der Schaltelemente S1 und S2 zur Schaltzykluslänge Ts gemäß den berechneten Tastverhältnissen DT1 und DT2 gesteuert. Es ist möglich, AN-/AUS-Steuersignale der Schaltelemente S1 und S2 wie nachstehend beschrieben unter PWM-Steuerung zu erzeugen.
In dem Konfigurationsbeispiel von 3 entsprechen die Reaktorströme IL1 und IL2 Beispielen für einen „ersten Reaktorstrom“ bzw. einen „zweiten Reaktorstrom“. Zusätzlich entspricht das Tastverhältnis DT1 einem Beispiel für einen „ersten Betriebsumfang“ und der Korrekturumfang DT1c einem „Korrekturumfang des ersten Betriebsumfangs“. Gleichermaßen entspricht das Tastverhältnis DT2 einem Beispiel für einen „zweiten Betriebsumfang“ und der Korrekturumfang DT2c einem „Korrekturumfang des zweiten Betriebsumfangs“. Zusätzlich entsprechen der Kompensator 51 und die Nicht-Interferenz-Steuerung 61 Beispielen für einen „ersten Kompensator“ bzw. eine „erste Nicht-Interferenz-Steuerung“, und der Kompensator 52 und die Nicht-Interferenz-Steuerung 62 entsprechen Beispielen für einen „zweiten Kompensator“ bzw. eine „zweite Nicht-Interferenz-Steuerung“.
Als Nächstes wird die Ableitung der nicht interferierenden Koeffizienten Gc1 und Gc2, die von den Nicht-Interferenz-Steuerungen 61 und 62 verwendet werden, beschrieben.
Es ist möglich, einen nicht interferierenden Koeffizienten Gc1 aus einer nachstehenden Formel (3) unter Verwendung eines Änderungskoeffizienten (∂IL1/∂DT1) des Reaktorstroms IL1 in Bezug auf eine Änderung des Tastverhältnisses DT1 und eines Änderungskoeffizienten (∂IL1/∂DT2) des Reaktorstroms IL1 in Bezug auf eine Änderung des Tastverhältnisses DT2 zu erhalten. Der nicht interferierende Koeffizient Gc1 entspricht einem „ersten nicht interferierenden Koeffizienten“. $Gc1 = - (\partial IL1/ \partial DT2) / (\partial IL1/ \partial DT1)$
Gleichermaßen ist es möglich, einen nicht interferierenden Koeffizienten Gc2 aus einer nachstehenden Formel (4) unter Verwendung eines Änderungskoeffizienten (∂IL2/∂DT1) des Reaktorstroms IL2 in Bezug auf eine Änderung des Tastverhältnisses DT1 und eines Änderungskoeffizienten (∂IL2/∂DT2) des Reaktorstroms IL2 in Bezug auf eine Änderung des Tastverhältnisses DT2 zu erhalten. Der nicht interferierende Koeffizient Gc2 entspricht einem „zweiten nicht interferierenden Koeffizienten“. $Gc2 = - (\partial IL2/ \partial DT1) / (\partial IL2/ \partial DT2)$
5 veranschaulicht einen äquivalenten Schaltplan der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 zum Analysieren von Beziehungen zwischen den Tastverhältnissen DT1 und DT2 und den Reaktorströmen IL1 und IL2.
Wie in 5 veranschaulicht, ist es möglich, die Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 mit einer äquivalenten Schaltung zu veranschaulichen, bei der eine Spannungsquelle 81 einer Ausgangsspannung V1 in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis DT1 zwischen dem Knoten N1 und dem Referenzspannungsknoten Ng angeschlossen ist und eine Spannungsquelle 82 einer Ausgangsspannung V2 in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis DT2 zwischen dem Knoten N2 und dem Referenzspannungsknoten Ng angeschlossen ist. Es ist möglich, die Ausgangsspannung V1 unter Verwendung einer Spannung Vo des Ausgangsknotens No als Spannungsdurchschnittswert des Knotens N1 mit V1 = Vo (1 - DT1) auszudrücken. Gleichermaßen ist es möglich, die Ausgangsspannung V2 als Spannungsdurchschnittswert des Knotens N2 mit V2 = Vo (1 - DT2) auszudrücken.
Ferner ist in dieser äquivalenten Schaltung eine Spannungsquelle 80 einer Ausgangsspannung Vi zwischen dem Eingangsknoten Ni und dem Referenzspannungsknoten Ng angeschlossen. Die Spannungsquelle 80 entspricht der in 1 veranschaulichten Gleichstromversorgung 5. Die Ausgangsspannung Vi ist eine Konstante.
Ein in der äquivalenten Schaltung veranschaulichter Strom Ic entspricht einem Strom, der durch beide Reaktoren L1 und L2 fließt und eine wechselseitige Interferenz verursacht. Die Induktivitäten der Reaktoren L1 und L2, die magnetisch gekoppelt sind, sind gleich (L1 = L2). Es ist somit möglich, den Strom Ic unter Verwendung der Spannungsdifferenz (V2 - V1) und der Induktivität L1 als Ic = (V2 - V1)/(4·s·L1) auszudrücken. Die Substitution von V1 und V2, vorstehend durch die Tastverhältnisse DT1 und DT2 ausgedrückt, ermöglicht es, eine untenstehende Formel (5) zu erhalten. Es ist anzumerken, dass „s“ in der Formel einen Differentialoperator der Laplace-Transformation darstellt.
[Ausdruck 1] $I c = \frac{V 2 - V 1}{4 s L 1} = \frac{V o (D T 1 - D T 2)}{4 s L 1}$
Darüber hinaus ist es möglich, unter Verwendung einer Spannung Vt des Knotens Nt einen in dem Reaktor L3 fließenden Reaktorstrom IL3 als IL3 = (Vi - Vt)/(s·L3) auszudrücken. Hier bewirkt der Strom Ic, dass beide Enden der Reaktoren L1 und L2 ΔVL in umgekehrter Polarität aufweisen. Dies erfüllt Vt = V1 - ΔVL = V2 + ΔVL. Dies führt zu den Ausdrücken ΔVL = (V1 + V2)/2 und Vt = V2 + ΔVL = Vo (1 - (DT1 + DT2)/2). Infolgedessen ist es möglich, den Reaktorstrom IL3 mit einer untenstehenden Formel (6) auszudrücken.
[Ausdruck 2] $I L 3 = \frac{V i - V t}{s L 3} = \frac{2 V i + V o (D T 1 + D T 2 - 2)}{2 s L 3}$
Wenn ferner L1 = L2 berücksichtigt wird, ist es möglich, den Reaktorstrom IL1 unter Verwendung des Reaktorstroms IL3 und des Stroms Ic als IL1 = IL3/2 + Ic auszudrücken. Die vorstehend beschriebene Substitution der Formel (5) und der Formel (6) ermöglicht es, den Reaktorstrom IL1 mit einer untenstehenden Formel (7) auszudrücken, in der die Tastverhältnisse DT1 und DT2 Variablen sind.
[Ausdruck 3] $\begin{array}{l} I L 1 = \frac{1}{2} I L 3 + I c = \frac{2 V i + V o (D T 1 + D T 2 - 2)}{4 s L 3} + \frac{V o (D T 1 - D T 2)}{4 s L 1} \\ = \frac{1}{s} {\frac{V i - V o}{2 L 3} + (\frac{V o}{4 L 3} + \frac{V o}{4 L 1}) D T 1 + (\frac{V o}{4 L 3} - \frac{V o}{4 L 1}) D T 2} \end{array}$
Formel (7) ist in Bezug auf die Reaktorströme IL1 und IL2 teilweise differenziert, um es zu ermöglichen, dass der vorstehend beschriebene nicht interferierende Koeffizient Gc1 in Formel (3) gemäß einer nachstehenden Formel (8) erhalten wird.
[Ausdruck 4] $G c 1 = - \frac{\frac{\partial I L 1}{\partial D T 2}}{\frac{\partial I L 1}{\partial D T 1}} = - \frac{\frac{1}{L 3} - \frac{1}{L 1}}{\frac{1}{L 3} + \frac{1}{L 1}} = \frac{L 3 - L 1}{L 1 + L 3}$
Gleichermaßen ist es möglich, den Reaktorstrom IL2 unter Verwendung des Reaktorstroms IL3 und des Stroms Ic als IL2 = IL3/2 - Ic auszudrücken. Die vorstehend beschriebene Substitution der Formel (5) und der Formel (6) ermöglicht es somit, den Reaktorstrom IL2 mit einer unten stehenden Formel (9) auszudrücken, in der die Tastverhältnisse DT1 und DT2 Variablen sind.
[Ausdruck 5] $\begin{array}{l} I L 2 = \frac{1}{2} I L 3 - I c = \frac{2 V i + V o (D T 1 + D T 2 - 2)}{4 s L 3} + \frac{V o (D T 2 - D T 1)}{4 s L 2} \\ = \frac{1}{s} {\frac{V i - V o}{2 L 3} + (\frac{V o}{4 L 3} - \frac{V o}{4 L 2}) D T 1 + (\frac{V o}{4 L 3} + \frac{V o}{4 L 2}) D T 2} \end{array}$
Formel (9) ist in Bezug auf die Reaktorströme IL1 und IL2 teilweise differenziert, um es zu ermöglichen, dass der vorstehend beschriebene nicht interferierende Koeffizient Gc2 in Formel (4) gemäß einer nachstehenden Formel (10) erhalten wird.
[Ausdruck 6] $G c 2 = - \frac{\frac{\partial I L 2}{\partial D T 1}}{\frac{\partial I L 2}{\partial D T 2}} = - \frac{\frac{1}{L 3} - \frac{1}{L 2}}{\frac{1}{L 3} + \frac{1}{L 2}} = \frac{L 3 - L 2}{L 2 + L 3}$
Aus Formel (8) und Formel (10) versteht es sich, dass die Polaritäten (positiv/negativ) der nicht interferierenden Koeffizienten Gc1 und Gc2 von der Größenordnungsbeziehung zwischen den Induktivitäten (L1 = L2) der Reaktoren L1 und L2 und der Induktivität (L3) des Reaktors L3 abhängen.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 6 bis 9 Betriebsbeispiele für die Nicht-Interferenz-Steuerung in dem Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. 6 und 7 veranschaulichen Beispiele für eine Steuerung, die durchgeführt wird, wenn L3 > L1 und L2.
Unter Bezugnahme auf 6 wird zunächst eine PWM-Steuerung zum Durchführen einer Steuerung zum An- und Ausschalten der Schaltelemente S1 und S2 beschrieben. Die PWM-Steuerung ist in den 6 bis 9 die gleiche.
Das Schaltelements S1 wird auf Grundlage eines Vergleichs, der angibt, welches von dem Tastverhältnis DT1 und einer Trägerwelle CW größer ist, angeschaltet. Die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Trägerwelle CW entspricht den Maximalwerten (1,0) der Tastverhältnisse DT1 und DT2. Spezifisch wird das Schaltelement S1 in einem Zeitraum mit DT1 ≥ CW angeschaltet. Im Gegensatz dazu wird das Schaltelement S1 in einem Zeitraum mit DT1 < CW ausgeschaltet. Ausgehend davon versteht es sich, dass das AN-Zeitraum-Verhältnis des Schaltelements S1 zunimmt, wenn das durch die Stromsteuerung 20X berechnete Tastverhältnis DT1 zunimmt.
Gleichermaßen wird das Schaltelement S2 auf Grundlage eines Vergleichs, der angibt, welches von dem Tastverhältnis DT1 und einer Trägerwelle /CW größer ist, an- und ausgeschaltet. Die Trägerwelle /CW weist eine Phasendifferenz von 180 (Grad) zu der Trägerwelle CW auf. Die Trägerwelle /CW ist ein invertiertes Signal der Trägerwelle CW. Das Schaltelement S2 wird in einem Zeitraum mit DT1 ≥ /CW angeschaltet. Im Gegensatz dazu wird das Schaltelement S2 in einem Zeitraum mit DT1 < /CW ausgeschaltet. Ausgehend davon versteht es sich, dass das AN-Zeitraum-Verhältnis des Schaltelements S2 zunimmt, wenn das durch die Stromsteuerung 20X berechnete Tastverhältnis DT2 zunimmt.
Darüber hinaus wird die PWM-Steuerung an den Schaltelementen S1 und S2 unter Verwendung der Trägerwellen CW und /CW mit einer Phasendifferenz von 180 (Grad) durchgeführt. Dies ermöglicht es, eine Phasendifferenz von 180 (Grad) zwischen Operationen der Schaltelemente S1 und S2, wie in 3 veranschaulicht, bereitzustellen. In dem Konfigurationsbeispiel von 2 nehmen die Hochsetzverhältnisse zu und die Reaktorströme IL1 und IL2 in der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 nehmen ebenfalls zu, wenn die Tastverhältnisse DT1 und DT2 höher eingestellt werden.
In dem Betriebsbeispiel von 6 sind die Tastverhältnisse DT1 und DT2 bis zu einem Zeitpunkt ta unter der Steuerung von IL1 = Iref und IL2 = Iref im Wesentlichen konstant. Es wird ein Betrieb der Nicht-Interferenz-Steuerung veranschaulicht, der durchgeführt wird, während der Reaktorstrom IL1 in Bezug auf den Strombefehlswert Iref nach dem Zeitpunkt ta zunimmt. Es ist anzumerken, dass davon ausgegangen wird, dass IL2 = Iref auch nach dem Zeitpunkt ta gilt.
Wenn der Reaktorstrom IL1 zunimmt (IL1 > Iref), nimmt das Grundtastverhältnis DT1* ausgehend von dem Wert zu dem Zeitpunkt ta gemäß der Stromabweichung ΔIL1 < 0 in 5 zu. Im Gegensatz dazu wird das Grundtastverhältnis DT2* zum Steuern des Reaktorstroms IL2 bei dem Wert zu dem Zeitpunkt ta gehalten, da weiterhin LL2 = Iref gilt.
Der Korrekturumfang DT1c ändert sich somit auch nach dem Zeitpunkt ta nicht von dem Wert zu dem Zeitpunkt ta. Das Tastverhältnis DT1 des Schaltelements S1 nimmt somit gemäß einer Abnahme des Grundtastverhältnisses DT1 * entsprechend der Stromabweichung ΔIL1 ab.
In diesem Fall wird die Stromsteuerung 20X in der äquivalenten Schaltung in 4 betrieben, um die Ausgangsspannung V1 der Spannungsquelle 81 durch Verringern des Tastverhältnisses DT1 zu erhöhen, um den Reaktorstrom IL1 zu verringern. Die Verringerung des Tastverhältnisses DT1 dient dazu, den Reaktorstrom IL2 im Falle von L3 > L1 und L2 zu erhöhen. Ohne Nicht-Interferenz-Steuerung erhöht ein Betrieb des Kompensators 51 zum Kompensieren der Stromabweichung ΔIL1 somit den Reaktorstrom IL2, der bei dem Strombefehlswert Iref gehalten wird.
In der vorliegenden Ausführungsform, in der die Nicht-Interferenz-Steuerung ausgeführt wird, wird eine Änderung des Tastverhältnisses DT1 von dem Korrekturumfang DT2c des Tastverhältnisses DT2 unter Verwendung des nicht interferierenden Koeffizienten Gc2 der Nicht-Interferenz-Steuerung 62 widergespiegelt. Wie vorstehend beschrieben, gilt in 6 L3 > L1 und L2. Der nicht interferierende Koeffizient Gc2 ist somit positiv (Gc2 > 0) gemäß Formel (10). Die Nicht-Interferenz-Steuerung 62 verringert somit den Korrekturumfang DT2c, wenn das Tastverhältnis DT1 abnimmt. Dies verringert zudem das Tastverhältnis DT2 (DT2 = DT2* + DT2c) ausgehend von dem Wert zu dem Zeitpunkt ta. Dies ermöglicht es, eine Zunahme des Reaktorstroms IL2 zu unterdrücken, der durch den Einfluss einer Abnahme des Tastverhältnisses DT1, die durch den Transformator zur magnetischen Kopplung Tr verursacht wird, bewirkt wird.
Dies ermöglicht es, die wechselseitige Interferenz zwischen den Reaktorströmen IL1 und IL2, die durch die magnetische Kopplung in dem Transformator zur magnetischen Kopplung Tr verursacht wird, zu unterdrücken und dann ein Stromungleichgewicht zu unterdrücken, indem die Reaktorströme IL1 und IL2 bei dem Strombefehlswert Iref gesteuert werden.
Das Betriebsbeispiel von 7 steht dem Betriebsbeispiel von 6 gegenüber. Es wird ein Betrieb der Nicht-Interferenz-Steuerung veranschaulicht, der durchgeführt wird, während der Reaktorstrom IL1 in Bezug auf den Strombefehlswert Iref nach dem Zeitpunkt ta zunimmt. Selbst in dem Betriebsbeispiel von 7 ist das Verhalten zu dem oder vor dem Zeitpunkt ta ähnlich dem von 6. Außerdem wird davon ausgegangen, dass IL2 = Iref auch nach dem Zeitpunkt ta gilt.
In 7 nimmt das Grundtastverhältnis DT1* ausgehend von dem Wert zu dem Zeitpunkt ta zu, wenn der Reaktorstrom IL1 abnimmt (IL1 < Iref). Im Gegensatz dazu wird das Grundtastverhältnis DT2* zum Steuern des Reaktorstroms IL2 beim Wert zu dem Zeitpunkt ta wie in 6 gehalten. Das Tastverhältnis DT1 des Schaltelements S1 nimmt somit nach dem Zeitpunkt ta gemäß einer Zunahme des Grundtastverhältnisses DT1*, die der Stromabweichung ΔIL1 entspricht, zu.
Selbst in dem Betriebsbeispiel von 7 wird eine Änderung des Tastverhältnisses DT1 von dem Korrekturumfang DT2c des Tastverhältnisses DT2 unter Verwendung des nicht interferierenden Koeffizienten Gc2 (Gc2 > 0) ähnlich dem von 6 widergespiegelt. Der Korrekturumfang DT2c nimmt somit zu, wenn das Tastverhältnis DT1 zunimmt. Im Gegensatz zu 6 nimmt das Tastverhältnis DT2 ausgehend von dem Wert zu dem Zeitpunkt ta zu. Dies ermöglicht es, eine Abnahme des Reaktorstroms IL2 zu unterdrücken, die durch den Einfluss einer Zunahme des Tastverhältnisses DT1, die durch magnetische Kopplung in dem Transformator zur magnetischen Kopplung Tr verursacht wird, bewirkt wird.
Dies ermöglicht es, die wechselseitige Interferenz zwischen den Reaktorströmen IL1 und IL2 wie in dem Betriebsbeispiel von 6 zu unterdrücken und dann ein Stromungleichgewicht zu unterdrücken, indem die Reaktorströme IL1 und IL2 bei dem Strombefehlswert Iref gesteuert werden.
Als Nächstes veranschaulichen 8 und 9 Beispiele für eine Steuerung, die durchgeführt wird, wenn im Gegensatz zu 6 und 7 L3 < L1 und L2 gilt.
Der Übergang des Reaktorstroms IL1 in 8 ähnelt dem in 6. Mit anderen Worten nimmt der Reaktorstrom IL1 in Bezug auf den Strombefehlswert Iref nach dem Zeitpunkt ta zu. Ferner gilt IL2 = Iref auch nach dem Zeitpunkt ta.
In 8 nimmt das Grundtastverhältnis DT1* ausgehend von dem Wert bei Zeitpunkt ta ab, wenn der Reaktorstrom IL1 zunimmt (LL1 > Iref). Dies verringert das Tastverhältnis DT1 des Schaltelements S1 nach dem Zeitpunkt ta wie in 6 gemäß einer Abnahme des Grundtastverhältnisses DTP1*, das der Stromabweichung ΔIL1 entspricht.
In der äquivalenten Schaltung in 4 dient eine Zunahme der Ausgangsspannung V1 der Spannungsquelle 81, die durch eine Verringerung des Tastverhältnisses DT1 bewirkt wird, dazu, den Reaktorstrom IL2 im Falle von L3 ≤ L1 und L2 zu verringern.
Wie aus Formel (10) ersichtlich, ist der nicht interferierende Koeffizient Gc2 negativ (Gc2 < 0), wenn L3 < L1 und L2. Die Nicht-Interferenz-Steuerung 62 erhöht somit den Korrekturumfang DT2c in 8, wenn das Tastverhältnis DT1 abnimmt. Dies erhöht das Tastverhältnis DT2 (DT2 = DT2* + DT2c) ausgehend von dem Wert zum Zeitpunkt ta im Gegensatz zu 6.
Dies unterdrückt eine Abnahme des Reaktorstroms IL2, die durch den Einfluss einer Abnahme des Tastverhältnisses DT1, die durch magnetische Kopplung in dem Transformator zur magnetischen Kopplung Tr verursacht wird, bewirkt wird.
Der Übergang des Reaktorstroms IL1 in 9 ähnelt dem in 7. Mit anderen Worten nimmt der Reaktorstrom IL1 in Bezug auf den Strombefehlswert Iref nach dem Zeitpunkt ta ab. Ferner gilt IL2 = Iref auch nach dem Zeitpunkt ta.
In 9 nimmt das Grundtastverhältnis DT1* ausgehend von dem Wert zu dem Zeitpunkt ta zu, wenn der Reaktorstrom IL1 abnimmt (LL1 < Iref). Dies erhöht das Tastverhältnis DT1 des Schaltelements S1 nach dem Zeitpunkt ta wie in 7 gemäß einer Zunahme des Grundtastverhältnisses DT1*, das der Stromabweichung ΔIL1 entspricht.
Auch in dem Betriebsbeispiel von 9 wird eine Änderung des Tastverhältnisses DT1 in dem Korrekturumfang DT2c des Tastverhältnisses DT2 unter Verwendung des nicht interferierenden Koeffizienten Gc2 (Gc2 < 0) ähnlich dem von 8 widergespiegelt. Der Korrekturumfang DT2c nimmt somit ab, wenn das Tastverhältnis DT1 zunimmt. Im Gegensatz zu 8 nimmt das Tastverhältnis DT2 ausgehend von dem Wert zu dem Zeitpunkt ta ab. Dies ermöglicht es, eine Zunahme des Reaktorstroms IL2 zu unterdrücken, die durch den Einfluss einer Zunahme des Tastverhältnisses DT1, die durch magnetische Kopplung in dem Transformator zur magnetischen Kopplung Tr verursacht wird, bewirkt wird.
Auf diese Weise ermöglicht es die Einführung einer Nicht-Interferenz-Steuerung, welche die nicht interferierenden Koeffizienten Gc1 und Gc2 verwendet, eine Stromänderung (d. h. eine wechselseitige Interferenz) in einem der Reaktorströme IL1 und IL2, die durch eine Stromänderung in dem anderen verursacht wird, in dem Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform aufzuheben. Wie in den 6 bis 9 beispielhaft dargestellt, wird, wenn sich der Reaktorstrom IL1 ändert, das Tastverhältnis DT1 infolge einer Änderung einer Ausgabe des Kompensators 51 geändert. Es ist jedoch möglich, das Tastverhältnis DT2 in Verbindung damit gemäß dem Absolutwert und der Polarität des nicht interferierenden Koeffizienten Gc2 zu ändern. Dies ermöglicht es, die durch die Änderung des Tastverhältnisses DT1 verursachte Änderung des Reaktorstroms IL2 aufzuheben.
Gleichermaßen wird, wenn sich der Reaktorstrom IL2 ändert, das Tastverhältnis DT2 infolge einer Änderung einer Ausgabe des Kompensators 52 geändert. Es ist jedoch möglich, das Tastverhältnis DT1 in Verbindung damit gemäß dem Absolutwert und der Polarität des nicht interferierenden Koeffizienten Gc1 zu ändern. Dies ermöglicht es, die durch die Änderung des Tastverhältnisses DT1 verursachte Änderung des Reaktorstroms IL2 aufzuheben.
Es ist anzumerken, dass, wenn beide Reaktorströme IL1 und IL2 von dem Strombefehlswert Iref abweichen, es die Kombination der beiden vorstehend beschriebenen Fälle ermöglicht, die Tastverhältnisse DT1 und DT2 gemäß dem Blockdiagramm von 3 zu berechnen.
Hier wird eine Steuerung angenommen, die keine darin eingeführten nicht interferierenden Koeffizienten Gc1 und Gc2 aufweist. Wenn sich der Reaktorstrom IL1 ändert, ändert sich das Tastverhältnis DT1, wenn sich eine Ausgabe des Kompensators 51 ändert. Der Einfluss dieser Änderung ändert dann den Reaktorstrom IL2 unabhängig von einer Ausgabe (Tastverhältnis DT2) des Kompensators 52. Gleichermaßen ändert sich das Tastverhältnis DT2, wenn sich der Reaktorstrom IL2 ändert, wenn sich eine Ausgabe des Kompensators 52 ändert. Der Einfluss dieser Änderung ändert dann den Reaktorstrom IL1 unabhängig von einer Ausgabe (Tastverhältnis DT1) des Kompensators 51. Anders ausgedrückt beeinflussen die Ausgaben der beiden Kompensatoren 51 und 52 die Steuerung der jeweiligen Reaktorströme IL1 und IL2. Daher ist es notwendig, jeden der Kompensatoren 51 und 52 mit zwei Variablen auszugestalten. Dies erschwert die Gestaltung eines Steuerungssystems zum Erhalten der gewünschten Frequenzeigenschaften.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die Einführung der vorstehend beschriebenen Nicht-Interferenz-Steuerung, dass der Leistungswandler gemäß der ersten Ausführungsform den Einfluss einer Änderung einer Ausgabe des Kompensators 51 oder 52 zum Steuern eines der Reaktorströme IL1 und IL2 auf den anderen der Ströme aufhebt. Dies ermöglicht es, jeden der Kompensatoren 51 und 52 mit einer einzigen Variablen auszugestalten.
Infolgedessen ist es möglich, die gewünschten Frequenzeigenschaften problemlos durch eine Steuerungsgestaltung zu erhalten, die allein mit einer Übertragungsfunktion einer Hauptschaltung bestimmt wird. Spezifisch werden in 3 die Frequenzeigenschaften eines Regelkreises des Reaktorstroms IL1 nur durch das Produkt aus dem Kompensator 51 und der Übertragungsfunktion G11 ohne den Einfluss der Übertragungsfunktion G12 bestimmt. Gleichermaßen werden die Frequenzeigenschaften eines Regelkreises des Reaktorstroms IL2 nur durch das Produkt aus dem Kompensator 52 und der Übertragungsfunktion G22 ohne den Einfluss der Übertragungsfunktion G21 bestimmt. Infolgedessen ist es möglich, die Gestaltung zum Erhalten der gewünschten Frequenzeigenschaften zu vereinfachen. Außerdem sind die nicht interferierenden Koeffizienten Gc1 und Gc2 wie in den Formeln (8) und (10) beschrieben einfache Konstanten, die von den Induktivitäten der Reaktoren L1 bis L3 bestimmt werden. Dies ermöglicht es, die nicht interferierenden Koeffizienten Gc1 und Gc2 problemlos in der Steuereinheit 20 zu implementieren.
Wenn ferner die Anpassung eines Kopplungskoeffizienten des Transformators zur magnetischen Kopplung Tr bewirkt, dass die Induktivitäten der Reaktoren L1 bis L3 den gleichen Wert aufweisen, gilt Gc1 = Gc2 = 0 gemäß den Formeln (8) und (10). Anders ausgedrückt ermöglicht es die Schaltungsgestaltung, bei der L1 = L2 = L3 gilt, die gleichmäßigen Reaktorströme IL1 und IL2 in dem Blockdiagramm von 3 zu steuern, wobei die Nicht-Interferenz-Steuerungen 61 und 62 gleichermaßen außer Betrieb sind (Gc1 = Gc2 = 0).
Zweite Ausführungsform
10 ist ein Schaltplan, der eine Konfiguration eines Leistungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform beschreibt.
Wie in 10 veranschaulicht, beinhaltet ein Leistungswandler 200 gemäß der zweiten Ausführungsform N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10 (N: eine ganze Zahl, die 2 oder mehr ist) gemäß der ersten Ausführungsform und ferner eine Steuereinheit 21. Die N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10 sind zwischen dem niederspannungsseitigen Anschluss LV und dem Erdungsanschluss GL, die an die Gleichstromversorgung 5 angeschlossen sind, und dem hochspannungsseitigen Anschluss HV und dem Erdungsanschluss GH, die an die Last 30 und den Kondensator C1 angeschlossen sind, parallel geschaltet. Die Steuereinheit 21 empfängt die Reaktorströme IL1 und IL2 von jeder der N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10 und führt eine Steuerung durch, um die Halbleiterelemente S1 und S2 jeder der N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10 an- und auszuschalten.
10 veranschaulicht ein Beispiel, in dem N = 2 gilt. Der Leistungswandler 200 beinhaltet die Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b, die parallel geschaltet sind, und die Steuereinheit 21, die die Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b steuert.
Der Eingangsknoten Ni jeder der Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b ist an den niederspannungsseitigen Anschluss LV angeschlossen. Der Ausgangsknoten No jeder der Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b ist an den hochspannungsseitigen Anschluss HV angeschlossen. Zusätzlich ist der Referenzspannungsknoten Ng jeder der Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b an die Erdungsanschlüsse GL und GH angeschlossen.
Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, berechnet die Steuereinheit 21 für jede der Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b die Tastverhältnisse DT1 und DT2 zum Steuern der Reaktorströme IL1 und IL2 beim Strombefehlswert Iref. In jede der Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b werden somit die in 3 veranschaulichten Nicht-Interferenz-Steuerungen 61 und 62 eingeführt, um die Tastverhältnisse DT1 und DT2 zu berechnen. Die Steuereinheit 21 weist Steuerungsfunktionen auf, die denen des in 3 veranschaulichten Stromsteuerungsblockdiagramms für jede der Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b entsprechen. Die Tastverhältnisse DT1 und DT2 werden in den Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10a und 10b einzeln berechnet.
11 veranschaulicht ein Wellenformdiagramm, das eine Verschachtelungsoperation des Leistungswandlers gemäß der zweiten Ausführungsform beschreibt. 11 beschreibt die Schaltelemente S1 und S2 in der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10a als S1a und S2a und beschreibt die Schaltelemente S1 und S2 in der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10b als S1b und S2b.
Ferner werden die jeweiligen Tastverhältnisse (AN-Zeitraum-Verhältnisse) der Schaltelemente S1a, S2a, S1b und S2b als DT1a, DT2a, DT1b und DT2b beschrieben. Die Tastverhältnisse DT1a und DT2a werden auf Grundlage der Werte der detektierten Reaktorströme IL1 und IL2 in der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10a unter Verwendung des Stromsteuerungsblockdiagramms von 3 berechnet. Gleichermaßen werden die Tastverhältnisse DT1b und DT2b auf Grundlage der Werte der detektierten Reaktorströme IL1 und IL2 in der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10b unter Verwendung des Stromsteuerungsblockdiagramms von 3 berechnet.
Die Schaltelemente S1a und S2a der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10a und die Schaltelemente S1b und S2b der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10b weisen eine gemeinsame Schaltfrequenz auf. Ihre Schaltzykluslänge ist Ts.
Wie in der ersten Ausführungsform werden die Schaltelemente S1a und S2a der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10a einer AN-/AUS-Steuerung unterzogen, um eine Phasendifferenz von 180 (Grad) aufzuweisen. Zusätzlich werden auch die Schaltelemente S1b und S2b der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10b einer AN-/AUS-Steuerung unterzogen, um eine Phasendifferenz von 180 (Grad) aufzuweisen.
Ferner werden in dem Leistungswandler 200 Phasendifferenzen zwischen den Zeitpunkten, an denen die Schaltelemente S1a und S2a der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10a an- und ausgeschaltet werden, und den Zeitpunkten, an denen die Schaltelemente S1b und S2b der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10b an- und ausgeschaltet werden, eingestellt.
In dem Beispiel von 11 wird die Schaltzykluslänge Ts auf 360 (Grad) eingestellt. In jedem Schaltzyklus des Leistungswandlers 200 wird das Schaltelement S1a in der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10a zum Zeitpunkt einer Phase von 0 (Grad) angeschaltet und zu dem Zeitpunkt, an dem DT1a·Ts abläuft, nachdem das Schaltelement S1a angeschaltet wird, ausgeschaltet. Das Schaltelement S2a wird in jedem Schaltzyklus zum Zeitpunkt einer Phase von 180 (Grad) angeschaltet und zu dem Zeitpunkt, an dem DT2b·Ts abläuft, nachdem das Schaltelement S2a angeschaltet wird, ausgeschaltet.
Im Gegensatz dazu wird das Schaltelement S1b in der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10b zum Zeitpunkt einer Phase von 90 (Grad) angeschaltet und zu dem Zeitpunkt, an dem DT1b·Ts abläuft, nachdem das Schaltelement S1b angeschaltet wird, ausgeschaltet. Das Schaltelement S2b wird in jedem Schaltzyklus zum Zeitpunkt einer Phase von 270 (Grad) angeschaltet und zu dem Zeitpunkt, an dem DT2b·Ts abläuft, nachdem das Schaltelement S2b angeschaltet wird, ausgeschaltet.
Auf diese Weise werden in dem Konfigurationsbeispiel von 9, in dem N = 2 gilt, Phasendifferenzen, die jeweils auf 90 (Grad) eingestellt sind, zwischen den Anschaltzeitpunkten der vier Schaltelemente der beiden Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10 bereitgestellt. Dies ermöglicht die Minimierung der Amplituden einer Welligkeitsspannung und eines Welligkeitsstroms, die in dem Kondensator C1 erzeugt werden. Es ist anzumerken, dass, wenn N = 2 gilt, die Tastverhältnisse DT1a, DT2a, DT1b und DT2b innerhalb des Bereichs von 0 ≤ DT1a (DT2a, DT1b und DT2b) < 1 variabel gesteuert werden.
Mit anderen Worten versteht es sich, dass Phasendifferenzen, die jeweils auf 360 (Grad)/(2·N) eingestellt sind, zwischen den Anschaltzeitpunkten der (2·N) Schaltelemente insgesamt in der Konfiguration eingestellt werden, in der N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen 10 gemäß der ersten Ausführungsform parallel geschaltet sind, wodurch es ermöglicht wird, die Welligkeitsunterdrückungswirkung, die durch eine Verschachtelungsoperation bewirkt wird, zu maximieren. Selbst wenn die vorstehend beschriebenen Phasendifferenzen jeweils auf einen Wert eingestellt werden, der von 360 (Grad)/(2·N) verschieden ist, ist es dennoch möglich, die Welligkeitsunterdrückungswirkung zu erhalten.
Auf diese Weise ermöglicht es der Leistungswandler gemäß der zweiten Ausführungsform ferner, eine Welligkeitsspannung und einen Welligkeitsstrom zu unterdrücken, indem eine Verschachtelungsoperation an der Gesamtheit der (2·N) Schaltelemente insgesamt in der Konfiguration durchgeführt wird, in der die N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen gemäß der ersten Ausführungsform parallel geschaltet sind. Infolgedessen ist es möglich, die Größe des Kondensators C1 zu verringern, indem die Welligkeitsunterdrückungswirkung, die durch eine Verschachtelungsoperation bewirkt wird, zusätzlich zu der Wirkung des Vereinfachens der Steuerungsgestaltung in jeder Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, erhöht wird.
Insbesondere ermöglicht das Bereitstellen der entsprechenden 360/(2·N) Phasendifferenzen zwischen den Anschaltzeitpunkten der (2·N) Schaltelemente das Maximieren der Welligkeitsunterdrückungswirkung.
Es ist anzumerken, dass die Beispiele in der ersten bis dritten Ausführungsform beschrieben wurden, in der die Vielzahl der Schaltelemente in den Leistungswandlern 100 und 200 einer AN-/AUS-Steuerung gemäß einer gemeinsamen Schaltzykluslänge unterzogen wird. Es versteht sich, dass, wenn alle Schaltelemente die gleiche Schaltzykluslänge aufweisen, die vorstehend beschriebene Welligkeitsunterdrückungswirkung zunimmt. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass der Leistungswandler gemäß der vorliegenden Ausführungsform genau den gleichen Wert für die Schaltzykluslängen der jeweiligen Schaltelemente aufweist. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Schaltelementen unterschiedliche Schaltzykluslängen zur AN-/AUS-Steuerung innerhalb des Bereichs, der es ermöglicht, dass die Welligkeitsunterdrückungswirkung erhalten wird, aufweisen.
Darüber hinaus wurde vorstehend das Konfigurationsbeispiel beschrieben, bei dem die Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 eine Hochsetzoperation durch Annehmen einer Konfiguration, bei der die Halbleiterelemente S1 und S2 die „Schaltelemente“ beinhalten, während die Halbleiterelemente D1 und D2 die „Dioden“ beinhalten, durchführt. Es ist jedoch auch möglich, die Konfiguration der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 wie folgt zu modifizieren.
Als erstes Modifikationsbeispiel ist es möglich, dass die Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 (2) eine Konfiguration annimmt, bei der die Halbleiterelemente D1 und D2 die „Schaltelemente“ beinhalten, während die Halbleiterelemente S1 und S2 die „Dioden“ beinhalten, bei denen die Anoden an den Referenzspannungsknoten Ng angeschlossen sind, das heißt, die Richtungen von dem Referenzspannungsknoten Ng zu den Knoten N1 und N2 als Vorwärtsrichtungen verwendet werden. In diesem Fall ist die Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 in der Lage, eine Tiefsetzoperation des Tiefsetzens der Gleichspannung des hochspannungsseitigen Anschlusses HV und des Ausgebens der tiefgesetzten Gleichspannung an den niederspannungsseitigen Anschluss LV auszuführen.
Im ersten Modifikationsbeispiel ist es möglich, ein Schaltelement des Halbleiterelements D1 wie bei den Schaltelementen S1 in der ersten und zweiten Ausführungsform einer AN-/AUS-Steuerung zu unterziehen und ein Schaltelement des Halbleiterelements D2 wie bei den Schaltelementen S2 in der ersten und zweiten Ausführungsform einer AN-/AUS-Steuerung zu unterziehen. Das Durchführen einer AN-/AUS-Steuerung auf diese Weise macht es möglich, eine ähnliche Wirkung wie die einer der ersten und zweiten Ausführungsform in Bezug auf die Steuerung der Reaktorströme IL1 und IL2 bei der DC/DC-Umwandlung zu erzielen, die mit einer Tiefsetzoperation der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 einhergeht.
Alternativ ist es als zweites Modifikationsbeispiel auch möglich, eine Konfiguration anzunehmen, bei der jedes der Halbleiterelemente S1, S2, D1 und D2 das „Schaltelement“ beinhaltet, an das eine antiparallele Diode angeschlossen ist. In diesem Fall ist die Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 in der Lage, sowohl die Hochsetzoperation als auch die Tiefsetzoperation, die oben beschrieben wurden, auszuführen.
Im zweiten Modifikationsbeispiel ist es möglich, ein Schaltelement des Halbleiterelements S1 wie bei den Schaltelementen S1 in der ersten und zweiten Ausführungsform einer AN-/AUS-Steuerung zu unterziehen und eine Steuerung durchzuführen, um ein Schaltelement des Halbleiterelements D1, das zu den Schaltelementen S1 komplementär ist, an- und auszuschalten. Gleichermaßen ist es möglich, ein Schaltelement des Halbleiterelements S2 wie bei den Schaltelementen S2 in der ersten und zweiten Ausführungsform einer AN-/AUS-Steuerung zu unterziehen und eine Steuerung durchzuführen, um ein Schaltelement des Halbleiterelements D1, das zu den Schaltelementen S1 komplementär ist, an- und auszuschalten. Das Durchführen einer AN-/AUS-Steuerung auf diese Weise macht es möglich, eine ähnliche Wirkung wie die einer der ersten und zweiten Ausführungsform in Bezug auf die Steuerung der Reaktorströme IL1 und IL2 bei der Gleichstromumwandlung zu erzielen, die mit einer Tiefsetzoperation oder einer Hochsetzoperation der Gleichspannungsumwandlungsschaltung 10 einhergeht.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen sollten in jeder Hinsicht als Beispiele, nicht aber als einschränkend verstanden werden. Der technische Umfang der vorliegenden Offenbarung wird nicht durch die obige Beschreibung, sondern durch die Ansprüche definiert. Der technische Umfang der vorliegenden Offenbarung soll alle Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Umfangs entsprechend den Ansprüchen einschließen.
BEZUGSZEICHENLISTE
5 Gleichstromversorgung; 10, 10a, 10b Gleichspannungsumwandlungsschaltung; 11, 12 Stromdetektor; 20, 21 Steuereinheit; 20X Stromsteuerung; 24 Speicher; 25 Bus; 26 E/A-Schaltung; 30 Last; 41, 42 Subtrahierer; 43, 44 Addierer; 51, 52 Kompensator; 61, 62 Nicht-Interferenz-Steuerung; 70, G11, G12, G21, G22 Übertragungsfunktion; 80, 81, 82 Spannungsquelle; 100, 200 Leistungswandler; C1 Kondensator; CW, /CW Trägerwelle; D1, D2 Halbleiterelement (Diode); DT1, DT1a, DT1b, DT2, DT2a, DT2b Tastverhältnis; DT1*, DT2* Grundtastverhältnis; DT1c, DT2c Korrekturumfang (Nicht-Interferenz-Steuerung); GH, GL Erdungsanschluss; GND Erdungsspannung; Gc1, Gc2 nicht interferierender Koeffizient; HV hochspannungsseitiger Anschluss; IL1 bis IL3 Reaktorstrom; Iref Strombefehlswert; L1 bis L3 Reaktor; LV niederspannungsseitiger Anschluss; Ng Referenzspannungsknoten; Ni Eingangsknoten; No Ausgangsknoten; S1, S1a, S1b, S2a, S2b, S2 Halbleiterelement (Schaltelement); Tr Transformator zur magnetischen Kopplung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012210145 [0003, 0005]

Claims

Leistungswandler, umfassend: eine Gleichspannungsumwandlungsschaltung, die eine Gleichspannung zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss umwandelt, wobei die Gleichspannungsumwandlungsschaltung Folgendes beinhaltet: einen ersten Reaktor, der zwischen einem ersten Knoten und einem Zwischenknoten angeschlossen ist, einen zweiten Reaktor, der zwischen einem zweiten Knoten und dem Zwischenknoten angeschlossen ist, wobei der zweite Reaktor in umgekehrter Polarität magnetisch an den ersten Reaktor gekoppelt ist, und einen dritten Reaktor, der zwischen einem Eingangsknoten und dem Zwischenknoten angeschlossen ist, wobei der Eingangsknoten an den ersten Anschluss angeschlossen ist, die Induktivitäten des ersten und des zweiten Reaktors gleichwertig sind, die Gleichspannungsumwandlungsschaltung ferner Folgendes beinhaltet: ein erstes Halbleiterelement, das zwischen einem Referenzspannungsknoten und dem ersten Knoten angeschlossen ist, ein zweites Halbleiterelement, das zwischen dem Referenzspannungsknoten und dem zweiten Knoten angeschlossen ist, ein drittes Halbleiterelement, das zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Anschluss angeschlossen ist, ein viertes Halbleiterelement, das zwischen dem zweiten Knoten und dem zweiten Anschluss angeschlossen ist, und einen Stromdetektor, der einen ersten Reaktorstrom und einen zweiten Reaktorstrom detektiert, wobei der erste Reaktorstrom zu dem ersten Reaktor fließt und der zweite Reaktorstrom zu dem zweiten Reaktor fließt, eines von dem ersten und dem dritten Halbleiterelement ein erstes Schaltelement beinhaltet, eines von dem zweiten und dem vierten Halbleiterelement ein zweites Schaltelement beinhaltet, der Leistungswandler ferner eine Steuereinheit umfasst, die eine Steuerung durchführt, um das erste und das zweite Schaltelement an- und auszuschalten, um eine Phasendifferenz zwischen den Anschaltzeitpunkten des ersten und des zweiten Schaltelements bereitzustellen, die Steuereinheit eine Stromsteuerung beinhaltet, die auf Grundlage des ersten und des zweiten Reaktorstroms, die von dem Stromdetektor detektiert werden, einen ersten Betriebsumfang und einen zweiten Betriebsumfang berechnet, wobei der erste Betriebsumfang einen AN-Zeitraum des ersten Schaltelements definiert, der zweite Betriebsumfang einen AN-Zeitraum des zweiten Schaltelements definiert, und die Stromsteuerung dazu konfiguriert ist, den ersten und den zweiten Betriebsumfang mit einer Nicht-Interferenz-Steuerung zu berechnen, um eine wechselseitige Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktorstrom zu unterdrücken, wobei die wechselseitige Interferenz durch magnetische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktor verursacht wird.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Stromsteuerung Folgendes beinhaltet: einen ersten Kompensator zum Berechnen des ersten Betriebsumfangs auf Grundlage des ersten Reaktorstroms, einen zweiten Kompensator zum Berechnen des zweiten Betriebsumfangs auf Grundlage des zweiten Reaktorstroms, eine erste Nicht-Interferenz-Steuerung, die auf Grundlage des zweiten Betriebsumfangs, der von dem zweiten Kompensator berechnet wird, einen Korrekturumfang des ersten Betriebsumfangs berechnet, wobei der Korrekturumfang dem Aufheben eines Umfangs der in dem ersten Reaktorstrom erfolgten Änderungen gemäß einer Änderung des zweiten Betriebsumfangs mittels der magnetischen Kopplung dient, und eine zweite Nicht-Interferenz-Steuerung, die auf Grundlage des ersten Betriebsumfangs, der von dem ersten Kompensator berechnet wird, einen Korrekturumfang des zweiten Betriebsumfangs berechnet, wobei der Korrekturumfang dem Aufheben eines Umfangs der in dem zweiten Reaktorstrom erfolgten Änderungen gemäß einer Änderung des ersten Betriebsumfangs mittels der magnetischen Kopplung dient.
Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei die jeweiligen AN-Zeitraum-Verhältnisse des ersten und des zweiten Schaltelements so eingestellt sind, dass sie höher sind, wenn der erste und der zweite Betriebsumfang zunehmen, die Induktivität des dritten Reaktors größer ist als jede der Induktivitäten des ersten und des zweiten Reaktors, die erste Nicht-Interferenz-Steuerung den Korrekturumfang des ersten Betriebsumfangs berechnet, um den ersten Betriebsumfang in Verbindung mit einer Zunahme eines Ausgabewerts des zweiten Kompensators zu erhöhen und den ersten Betriebsumfang in Verbindung mit einer Abnahme des Ausgabewerts des zweiten Kompensators zu verringern, und die zweite Nicht-Interferenz-Steuerung den Korrekturumfang des zweiten Betriebsumfangs berechnet, um den zweiten Betriebsumfang in Verbindung mit einer Zunahme eines Ausgabewerts des ersten Kompensators zu erhöhen und den zweiten Betriebsumfang in Verbindung mit einer Abnahme des Ausgabewerts des ersten Kompensators zu verringern.
Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei die jeweiligen AN-Zeitraum-Verhältnisse des ersten und des zweiten Schaltelements so eingestellt sind, dass sie höher sind, wenn der erste und der zweite Betriebsumfang zunehmen, die Induktivität des dritten Reaktors kleiner ist als jede der Induktivitäten des ersten und des zweiten Reaktors, die erste Nicht-Interferenz-Steuerung den Korrekturumfang des ersten Betriebsumfangs berechnet, um den ersten Betriebsumfang in Verbindung mit einer Zunahme eines Ausgabewerts des zweiten Kompensators zu verringern und den ersten Betriebsumfang in Verbindung mit einer Abnahme des Ausgabewerts des zweiten Kompensators zu erhöhen, und die zweite Nicht-Interferenz-Steuerung den Korrekturumfang des zweiten Betriebsumfangs berechnet, um den zweiten Betriebsumfang in Verbindung mit einer Zunahme eines Ausgabewerts des ersten Kompensators zu verringern und den zweiten Betriebsumfang in Verbindung mit einer Abnahme des Ausgabewerts des ersten Kompensators zu erhöhen.
Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei die jeweiligen AN-Zeitraum-Verhältnisse des ersten und des zweiten Schaltelements so eingestellt sind, dass sie höher sind, wenn der erste und der zweite Betriebsumfang zunehmen, die Induktivität des dritten Reaktors gleichwertig zu jeder der Induktivitäten des ersten und des zweiten Reaktors ist und die erste und die zweite Nicht-Interferenz-Steuerung jeweils den Korrekturumfang auf null einstellen.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste Nicht-Interferenz-Steuerung den Korrekturumfang des ersten Betriebsumfangs gemäß einem Produkt aus einem Ausgabewert des zweiten Kompensators und einem ersten nicht interferierenden Koeffizienten berechnet, die zweite Nicht-Interferenz-Steuerung den Korrekturumfang des zweiten Betriebsumfangs gemäß einem Produkt aus einem Ausgabewert des ersten Kompensators und einem zweiten nicht interferierenden Koeffizienten berechnet, der erste nicht interferierende Koeffizient unter Verwendung der Induktivitäten des ersten und des dritten Reaktors als positiver Wert eingestellt wird, wenn die Induktivität des dritten Reaktors größer ist als die Induktivität des ersten Reaktors, während der erste nicht interferierende Koeffizient unter Verwendung der Induktivitäten des ersten und des dritten Reaktors als negativer Wert eingestellt wird, wenn die Induktivität des dritten Reaktors kleiner ist als die Induktivität des ersten Reaktors, der zweite nicht interferierende Koeffizient unter Verwendung der Induktivitäten des zweiten und des dritten Reaktors als positiver Wert eingestellt wird, wenn die Induktivität des dritten Reaktors größer ist als die Induktivität des zweiten Reaktors, während der zweite nicht interferierende Koeffizient unter Verwendung der Induktivitäten des zweiten und des dritten Reaktors als negativer Wert eingestellt wird, wenn die Induktivität des dritten Reaktors kleiner ist als die Induktivität des zweiten Reaktors, der erste und der zweite nicht interferierende Koeffizient auf null eingestellt werden, wenn die Induktivität des dritten Reaktors gleichwertig zu jeder der Induktivitäten des ersten und des zweiten Reaktors ist, der erste Betriebsumfang durch Addieren des Ausgabewerts des ersten Kompensators und des Korrekturumfangs berechnet wird, wobei der Korrekturumfang von der ersten Nicht-Interferenz-Steuerung berechnet wird, und der zweite Betriebsumfang durch Addieren des Ausgabewerts des zweiten Kompensators und des Korrekturumfangs berechnet wird, wobei der Korrekturumfang von der zweiten Nicht-Interferenz-Steuerung berechnet wird.
Leistungswandler nach Anspruch 6, wobei, wenn L1 die Induktivität des ersten Reaktors darstellt, L2 die Induktivität des zweiten Reaktors darstellt und L3 die Induktivität des dritten Reaktors darstellt, der erste nicht interferierende Koeffizient gemäß (L3 - L1)/(L1 + L3) eingestellt wird und der zweite nicht interferierende Koeffizient gemäß (L3 - L2)/(L2 + L3) eingestellt wird.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit eine Steuerung durchführt, um das erste und das zweite Schaltelement gemäß derselben Schaltzykluslänge an- und auszuschalten, um zu bewirken, dass die Phasendifferenz als eine Hälfte der Schaltzykluslänge eingestellt wird.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste und der zweite Reaktor unter Verwendung eines Transformators zur magnetischen Kopplung, der eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung, die um einen gemeinsamen Kern gewickelt sind, beinhaltet, konfiguriert sind, die erste Wicklung zwischen dem ersten Knoten und dem Zwischenknoten angeschlossen ist und die zweite Wicklung zwischen dem zweiten Knoten und dem Zwischenknoten angeschlossen ist.
Leistungswandler nach Anspruch 9, wobei die Induktivität des dritten Reaktors die Streuinduktivität des Transformators zur magnetischen Kopplung beinhaltet.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Halbleiterelement das erste Schaltelement beinhaltet, das zweite Halbleiterelement das zweite Schaltelement beinhaltet, das dritte Halbleiterelement eine Diode beinhaltet, die eine Richtung von dem ersten Knoten zu dem zweiten Anschluss als eine Vorwärtsrichtung verwendet, und das vierte Halbleiterelement eine Diode beinhaltet, die eine Richtung von dem zweiten Knoten zu dem zweiten Anschluss als eine Vorwärtsrichtung verwendet.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Halbleiterelement eine Diode beinhaltet, die eine Richtung von dem Referenzspannungsknoten zu dem ersten Knoten als eine Vorwärtsrichtung verwendet, das zweite Halbleiterelement eine Diode beinhaltet, die eine Richtung von dem Referenzspannungsknoten zu dem zweiten Knoten als eine Vorwärtsrichtung verwendet, das dritte Halbleiterelement das erste Schaltelement beinhaltet und das vierte Halbleiterelement das zweite Schaltelement beinhaltet.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Halbleiterelement das erste Schaltelement beinhaltet, das zweite Halbleiterelement das zweite Schaltelement beinhaltet, das dritte Halbleiterelement ein Schaltelement beinhaltet, das komplementär zu dem ersten Schaltelement an- und ausgeschaltet wird, und das vierte Halbleiterelement ein Schaltelement beinhaltet, das komplementär zu dem zweiten Schaltelement an- und ausgeschaltet wird.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen (N: eine ganze Zahl, die 2 oder mehr ist), wobei die N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss parallel geschaltet sind und die Steuereinheit eine Steuerung durchführt, um das erste und das zweite Schaltelement der jeweiligen Gleichspannungsumwandlungsschaltungen an- und auszuschalten, um AN-Zeitpunkte der ersten Schaltelemente und AN-Zeitpunkte der zweiten Schaltelemente mit Phasendifferenzen zwischen den N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen bereitzustellen.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die (2·N) Schaltelemente, die einer Gesamtheit des ersten und des zweiten Schaltelements der N Gleichspannungsumwandlungsschaltungen entsprechen, einer AN-/AUS-Steuerung gemäß einer gemeinsamen Schaltzykluslänge unterzogen werden und die entsprechenden Phasendifferenzen zwischen den Anschaltzeitpunkten der (2·N) Schaltelemente bereitgestellt werden, wobei die Phasendifferenzen jeweils dem 1/(2·N)-Fachen der Schaltzykluslänge entsprechen.