DE202017007011U1 - n-Port-m-phase bridge converter Active - Google Patents

n-Port-m-phase bridge converter Active Download PDF

Info

Publication number
DE202017007011U1
DE202017007011U1 DE202017007011.1U DE202017007011U DE202017007011U1 DE 202017007011 U1 DE202017007011 U1 DE 202017007011U1 DE 202017007011 U DE202017007011 U DE 202017007011U DE 202017007011 U1 DE202017007011 U1 DE 202017007011U1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
phase
port
load angle
switching
ports
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn - After Issue
Application number
DE202017007011.1U
Other languages
German (de)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority to DE202017007011.1U priority Critical patent/DE202017007011U1/en
Publication of DE202017007011U1 publication Critical patent/DE202017007011U1/en
Withdrawn - After Issue legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36Means for starting or stopping converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/40Means for preventing magnetic saturation
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584Bidirectional converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0016Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters
    • H02M1/0019Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters the disturbance parameters being load current fluctuations
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0043Converters switched with a phase shift, i.e. interleaved

Abstract

Vorrichtung (100) zum Betreiben eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers (10), wobei k, i ⊆ 1, 2,.., n eine Anzahl eines frei wählbaren Ports (1, ..., n) mit m ≥ 1 und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port (1, ..., n) als Eingangs- oder Ausgangsport betrieben werden kann, wobei jeder der Ports (1, ... n) m Phasenzweige (16) mit mehreren aktiven Schaltern (17, 19) aufweist, wobei eine Phasenverschiebung (20) zwischen den Phasenzweigen (16) jedes Ports erfolgt, wobei die Ports eine DC-Spannung (U) in eine AC-Spannung (v) und umgekehrt umwandeln können, wobei die Ports (1) über einen m-Phasen-Transformator (25) oder über separate m Transformatoren (25), die jeweils mit jedem der m Phasenzweige (16) jedes der n Ports (1, ..., n) verbunden sind, verbunden sind, um eine Leistung zwischen den Ports (1, ..., n) zu übertragen, wobei die Schalter (17, 19) der Phasenzweige (16) durch eine Steuereinheit (30) betrieben werden, um zumindest einen Anfangs-DC-Offset (32) in einem Magnetisierungsstrom (IM) zu verringern, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist zum:
- Aufteilen (110) einer Schaltperiode T in m Intervalle (38), wenn m eine gerade Zahl ist, und in 2*m Intervalle (38), wenn m eine ungerade Zahl ist, wobei die Intervalle (38) Intervallgrenzen (40) zum Schalten der aktiven Schalter (17, 19) definieren,
- Vorbestimmen (120) einer zu übertragenden Leistung des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers (10) entsprechend einem vorgegebenen Relativ-Last-Winkel φi1i1 zwischen einem Lastwinkel φi eines frei wählbaren Ports i und einem Absolut-Last-Winkel φ1 eines Referenzports 1, und
- Schalten (130) der aktiven Schalter (17, 19) der n Ports (1, ..., n) derart, dass sich jeder Phasenzweig (16) eines frei wählbaren Ports i um den Absolut-Last-Winkel φi relativ zu den Intervallgrenzen (40) eines beliebigen der Intervalle (38), in dem die AC-Spannung (v) der m Phasenzweige (16) ihr Vorzeichen ändert, verschiebt, wobei φi berechnet wird als φ i = k = 1, k i n φ k 1 N 1k U k L s k k = 1 n N 1k U k L s k

Figure DE202017007011U1_0001
wobei Uk die DC-Spannung an einem frei wählbaren Port k mit k ⊆ 1, 2, 3,..., n und k≠i ist, Lsk eine Leckinduktivität der Transformatorwicklung des Ports k referenziert auf Port i=1 ist und N1k ein Transformatorwindungsverhältnis zwischen dem Port i=1 und dem Port k ist und φk1 der vorgegebene Relativ-Last-Winkel zwischen dem Port k mit k≠i und dem Port 1 ist.
Figure DE202017007011U1_0000
Device (100) for operating an n-port m-phase active bridge converter (10), where k, i ⊆ 1, 2, .., n are a number of a freely selectable port (1, ..., n) where m ≥ 1 and n ≥ 2, where each port (1, ..., n) can be operated as an input or output port, each of the ports (1, ... n) being m phase branches (16) comprising a plurality of active switches (17, 19), wherein a phase shift (20) takes place between the phase branches (16) of each port, wherein the ports can convert a DC voltage (U) into an AC voltage (v) and vice versa, wherein the ports (1) are connected via an m-phase transformer (25) or via separate m transformers (25) respectively connected to each of the m phase legs (16) of each of the n ports (1, ..., n) , are connected to transfer power between the ports (1, ..., n), the switches (17, 19) of the phase branches (16) being operated by a control unit (30) at least one initial DC Offset (32) in a magnetization trom (I M ), the control unit being designed to:
Dividing (110) a switching period T into m intervals (38) if m is an even number, and in 2 * m intervals (38) if m is an odd number, the intervals (38) being interval limits (40) Switching the active switches (17, 19) define
- Predetermining (120) a power to be transmitted of the n-port m-phase active bridge converter (10) corresponding to a predetermined relative load angle φ i1 = φ i1 between a load angle φ i of an arbitrary Ports i and an absolute load angle φ 1 of a reference port 1, and
Switching (130) of the active switches (17, 19) of the n ports (1, ..., n) such that each phase branch (16) of a freely selectable port i is offset by the absolute load angle φ i relative to shifts the interval boundaries (40) of any of the intervals (38) in which the AC voltage (v) of the m phase branches (16) changes sign, where φ i is calculated as φ i = - Σ k = 1, k i n φ k 1 N 1k U k L s k Σ k = 1 n N 1k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0001
where U k is the DC voltage at an arbitrary port k with k ⊆ 1, 2, 3, ..., n and k ≠ i, L sk is a leakage inductance of the transformer winding of the port k referenced to port i = 1 and N 1k is a transformer turn ratio between the port i = 1 and the port k, and φ k1 is the predetermined relative load angle between the port k with k ≠ i and the port 1.
Figure DE202017007011U1_0000

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers zum Verringern zumindest eines Anfangs-DC-Offsets eines Magnetisierungsstroms und zum Steuern des DC-Offsets während einer transienten Bedingung einer Laständerung und einen entsprechenden n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler und ein System, das diesen n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler umfasst und zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers vorgesehen ist, um zumindest einen Anfangs-DC-Offset eines Magnetisierungsstroms zu verringern und den DC-Offset während einer transienten Bedingung einer Laständerung zu steuern, und einen entsprechenden n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler.The invention relates to a device for operating an n-port m-phase active bridge converter for reducing at least an initial DC offset of a magnetizing current and for controlling the DC offset during a transient condition of a load change and a corresponding n- A port-to-phase active-bridge converter and a system comprising said n-port-m-phase active bridge converter and for carrying out a method of operating an n-port m-phase active bridge Converter is provided to reduce at least an initial DC offset of a magnetizing current and to control the DC offset during a transient condition of a load change, and a corresponding n-port m-phase active bridge converter.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Ein Gleichspannungswandler, der auch als Leistungswandler bekannt ist, bezieht sich auf eine elektrische Schaltung, die einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung, der/die der Eingangsseite zugeführt wird, in einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung mit einem höheren, niedrigeren oder invertierten Spannungspegel umwandelt. Gleichspannungswandler sind zum Beispiel in Schaltnetzteilen von PC-Netzteilen, Notebooks, Mobiltelefonen, Kleinmotoren und HiFi-Vorrichtungen zu finden. Ihre Vorteile im Vergleich zu linearen Leistungsnetzteilen sind ihre höhere Effizienz und niedrigere Wärmeerzeugung. Bei einem linearen Spannungsregler oder einem Reihenwiderstandselement wird im Gegensatz dazu die überflüssige Spannung einfach „verbrannt“.A DC-DC converter, also known as a power converter, refers to an electrical circuit that converts a DC or DC voltage supplied to the input side into a DC or DC voltage having a higher, lower or inverted voltage level. DC-DC converters can be found, for example, in switched-mode power supplies of PC power supplies, notebooks, mobile telephones, small motors and hi-fi devices. Their advantages over linear power supplies are their higher efficiency and lower heat generation. In a linear voltage regulator or a series resistance element, in contrast, the superfluous voltage is simply "burned".

Gleichspannungswandler sind auch als vollständig gekapselte Wandlermodule verfügbar, die manchmal zum direkten Einsetzen in gedruckte Leiterplatten vorgesehen sind. Die Ausgangsspannung (Sekundärspannung) kann je nach Modell niedriger als die, gleich der oder größer als die Eingangsspannung (Primärspannung) sein. Die bekanntesten Module sind diejenigen, die eine Kleinstspannung in eine galvanisch getrennte Kleinstspannung transformieren. Die gekapselten Gleichspannungswandler sind zum Beispiel für Isolationsspannungen im Bereich von 1,5 kV bis über 3 kV verfügbar, und sie dienen zum Liefern von Leistung zu Kleinverbrauchern in Gleichspannungsnetzen, wie zum Beispiel 24 V in Betriebsanlangen oder 48 V in der Telekommunikation oder im Bereich von elektronischen Modulen, wie beispielsweise 5 V für digitale Schaltungen oder ±15 V für den Betrieb von Operationsverstärkern. Gleichspannungswandler sind ferner bei Hochleistungsanwendungen zu finden, wie z.B. Automobil und Traktion. Bei Automobilanwendungen dienen sie zum Beispiel zum Laden von Batterien oder Liefern von Leistung aus den Batterien oder Kraftstoffzellen zu dem DC-Zwischenkreis des Inverters. Gleichspannungswandler sind gemäß verschiedenen Kriterien klassifiziert und in unterschiedliche Topologien (Typen einer Struktur eines verzweigten Netzes auf Stromwegen) unterteilt. Im Gegensatz zu unidirektionalen Wandlern ist es hinsichtlich bidirektionalen oder multidirektionalen Multiport-Gleichspannungswandlern unerheblich, welche(r) Anschluss (Anschlüsse) als Eingang und welche(r) Anschluss (Anschlüsse) als Ausgang definiert ist/sind. Ein bidirektionaler Energiefluss ermöglicht, dass Leistung von dem definierten Eingang (Primärseite) in Richtung des Ausgangs (Sekundärseite) und umgekehrt fließt. Im Fall von Multiport-Active-Bridge-Wandlern werden die Ports nicht als Primär- oder Sekundärseite bezeichnet, sondern sind stattdessen nummeriert, z.B. Port 1, Port 2, Port 3 etc.DC-DC converters are also available as fully encapsulated converter modules, sometimes for direct insertion into printed circuit boards. Depending on the model, the output voltage (secondary voltage) may be lower than, equal to or greater than the input voltage (primary voltage). The best-known modules are those that transform a micro-voltage into a galvanically isolated micro-voltage. The encapsulated DC-DC converters are available, for example, for isolation voltages in the range of 1.5 kV to over 3 kV, and are used to deliver power to small consumers in DC networks, such as 24V in plant or 48V in telecommunications or in the electronic modules, such as 5 V for digital circuits or ± 15 V for the operation of operational amplifiers. DC-DC converters are also found in high power applications such as automotive and traction. In automotive applications, for example, they serve to charge batteries or supply power from the batteries or fuel cells to the DC link of the inverter. DC-DC converters are classified according to various criteria and subdivided into different topologies (types of a structure of a branched network on current paths). Unlike unidirectional converters, with respect to bidirectional or multidirectional multiport DC-DC converters, it is immaterial which port (s) are defined as input and which port (s) are defined as output. A bidirectional flow of energy allows power to flow from the defined input (primary side) towards the output (secondary side) and vice versa. In the case of multiport Active Bridge converters, the ports are not labeled primary or secondary, but are numbered instead, such as port 1 , Port 2 , Port 3 Etc.

Bei Gleichspannungswandlern, die auf dem Funktionsprinzip eines Zweiport-Active-Bridge-Wandlers, der sogenannten Dual-Active-Bridge- (DAB) Topologie basieren, wird die DC-Eingangsspannung in einem Eingangswandler in eine AC-Spannung umgewandelt, die dann einem Transformator zugeführt wird. Der Ausgang des Transformators ist mit einem Ausgangswandler verbunden, der die AC-Spannung wieder in eine DC-Ausgangsspannung für eine Last umwandelt. Diese Gleichspannungswandler können in Einphasen- oder Multiphasen-Konfigurationen implementiert sein. Solche DAB-Gleichspannungswandler-Topologien, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,027,264 beschrieben sind, stellen Hochleistungswandler-Topologien dar, die einen bidirektionalen Energiefluss und eine galvanische Trennung über den Transformator und einen Betrieb bei hohen Spannungen ermöglichen. Dieser Typ von Wandler ist besonders gut zur Verwendung in Hochleistungs-DC-Netzen, z.B. Mittelspannungsnetzen, geeignet.In DC-DC converters, which are based on the principle of operation of a two-port active bridge converter, the so-called Dual Active Bridge (DAB) topology, the DC input voltage is converted in an input converter into an AC voltage, which is then fed to a transformer becomes. The output of the transformer is connected to an output transducer, which converts the AC voltage back to a DC output voltage for a load. These DC-DC converters may be implemented in single-phase or multi-phase configurations. Such DAB DC-DC converter topologies, such as those in the U.S. Patent No. 5,027,264 are high power transducer topologies that enable bidirectional power flow and isolation across the transformer and high voltage operation. This type of converter is particularly well suited for use in high power DC networks, eg medium voltage networks.

Im Fall eines Gleichspannungswandlers mit einer Dual-Active-Bridge- (DAB) Topologie wird die übertragene Leistung durch Variieren des Lastwinkels zwischen der Spannung auf der Primärseite und der Spannung auf der Sekundärseite festgelegt. Wenn der Wandler startet oder die übertragene Leistung bei Normalbetrieb abrupt geändert werden muss, können unerwünschte DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen des Transformators auftreten. Wenn DC-Offset-Ströme in den Magnetisierungsströmen auftreten, kann der Transformatorkern gesättigt werden, was zu hohen Strömen durch die primärseitigen und die sekundärseitigen Halbleitervorrichtungen und die Transformatorwicklungen führt. Die hohen Ströme bewirken eine Überhitzung, die zu Ausfällen der Vorrichtungen führen kann. Unter der Annahme eines Verteilungsfaktors der Leckinduktivität und des Wicklungswiderstands zwischen Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators von k=0,5 klingen diese DC-Offset-Ströme mit einer Zeitkonstante von (2Lm+Ls)/Rw ab, wobei Lm die Magnetisierungsinduktivität ist, Ls die Gesamt-Leckinduktivität bezogen auf die Primärseite ist, Rw der Gesamt-Wicklungsstreuwiderstand bezogen auf die Primärseite ist und k das Verhältnis der primärseitigen Leckinduktivität zu der Gesamt-Leckinduktivität Ls ist. Ein niedriger Wicklungswiderstand Rw bedeutet eine höhere Effizienz und ist daher wünschenswert. Da die Magnetisierungsinduktivität Lm normalerweise groß ist, weist die Zeitkonstante (2Lm+Ls)/Rw einen großen Wert auf. Deshalb klingen die DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen nur langsam ab. Daher ist es wünschenswert, Mittel für einen Gleichspannungswandler zum Vermeiden der DC-Offsets in dem Magnetisierungsstrom des Transformators bereitzustellen und den DC-Offset unter transienten Bedingungen, zum Beispiel bei Laständerungen, zu steuern.In the case of a DC-DC converter with a dual active bridge (DAB) topology, the transmitted power is determined by varying the load angle between the voltage on the primary side and the voltage on the secondary side. If the converter starts or the transmitted power needs to be changed abruptly during normal operation, unwanted DC offsets may occur in the magnetizing currents of the transformer. When DC offset currents occur in the magnetizing currents, the Transformer core, which leads to high currents through the primary-side and the secondary-side semiconductor devices and the transformer windings. The high currents cause overheating, which can lead to failures of the devices. Assuming a distribution factor of the leakage inductance and the winding resistance between primary and secondary windings of the transformer of k = 0.5, these DC offset currents will decay with a time constant of (2L m + L s ) / R w , where L m the magnetizing inductance is, Ls is the total leakage inductance relative to the primary side, R w is the total winding leakage resistance with respect to the primary side and k is the ratio of the primary leakage inductance to the total leakage inductance Ls. A low winding resistance R w means a higher efficiency and is therefore desirable. Because the magnetizing inductance L m is normally large, the time constant (2L m + L s ) / R w has a large value. Therefore, the DC offsets in the magnetizing currents only decay slowly. Therefore, it is desirable to provide means for a DC to DC converter to avoid the DC offsets in the magnetizing current of the transformer and to control the DC offset under transient conditions, for example load changes.

Überblick über die ErfindungOverview of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für einen multidirektionalen Multiport-Gleichspannungswandler zu schaffen, um zumindest DC-Offsets in dem Magnetisierungsstrom des Transformators zu vermeiden und den DC-Offset unter transienten Bedingungen zu steuern.The invention has for its object to provide a device for a multidirectional multiport DC-DC converter to avoid at least DC offsets in the magnetizing current of the transformer and to control the DC offset under transient conditions.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung zum Betreiben eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers, wobei k, i ⊆ 1, 2,.., n eine Anzahl eines frei wählbaren Ports mit m ≥ 1 und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port als Eingangs- oder Ausgangsport betrieben werden kann, wobei jeder der Ports m Phasenzweige mit mehreren aktiven Schaltern aufweist, wobei eine Phasenverschiebung zwischen den Phasenzweigen jedes Ports erfolgt, wobei die Ports eine DC-Spannung in eine AC-Spannung und umgekehrt umwandeln können, wobei die Ports über einen m-Phasen-Transformator oder über separate m Transformatoren, die jeweils mit jedem der m Phasenzweige jedes der n Ports verbunden sind, verbunden sind, wobei die Schalter der Phasenzweige durch eine Steuereinheit betrieben werden, um zumindest einen Anfangs-DC-Offset in einem Magnetisierungsstrom zu verringern, wobei die Steuereinheit vorgesehen ist zum:

  • - Aufteilen einer Schaltperiode T in m Intervalle, wenn m eine gerade Zahl ist, und in 2*m Intervalle, wenn m eine ungerade Zahl ist, wobei die Intervalle Intervallgrenzen zum Schalten der aktiven Schalter definieren,
  • - Vorbestimmen einer zu übertragenden Leistung des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers entsprechend einem vorgegebenen Relativ-Last-Winkel φi1i1 zwischen einem Lastwinkel φi eines frei wählbaren Ports i und einem Absolut-Last-Winkel φ1 eines Referenzports 1, und
  • - Schalten (130) der aktiven Schalter (17, 19) der n Ports (1, ..., n) derart, dass sich jeder Phasenzweig (16) eines frei wählbaren Ports i um den Absolut-Last-Winkel φi relativ zu den Intervallgrenzen (40) eines beliebigen der Intervalle (38), in dem die AC-Spannung (v) der m Phasenzweige (16) ihr Vorzeichen ändert, verschiebt, wobei φi berechnet wird als
φ i = k = 1, k i n φ k 1 N 1 k U k L s k k = 1 n N 1 k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0002
wobei Uk die DC-Spannung an einem frei wählbaren Port k mit k ⊆ 1, 2, 3,..., n und k#i ist, Lsk eine Leckinduktivität der Transformatorwicklung des Ports k referenziert auf Port i=1 ist und N1k ein Transformatorwindungsverhältnis zwischen dem Port i=1 und dem Port k ist und φk1 der vorgegebene Relativ-Last-Winkel zwischen dem Port k mit k#i und dem Port 1 ist. Im Folgenden wird das Verfahren als unmittelbare Flusssteuerung (Instantaneous Flux Control - IFC) bezeichnet.The object is achieved by a device for operating an n-port-m-phase active bridge converter, where k, i ⊆ 1, 2, .., n are a number of a freely selectable port with m ≥ 1 and n ≥ 2, wherein each port may be operated as an input or output port, each of the ports having m phase legs with multiple active switches, with a phase shift between the phase legs of each port, the ports forming a DC voltage into an AC voltage and vice versa, wherein the ports are connected via an m-phase transformer or via separate m transformers respectively connected to each of the m phase legs of each of the n ports, the switches of the phase legs being driven by a control unit at least reduce an initial DC offset in a magnetizing current, the control unit being provided for:
  • - Splitting a switching period T in m intervals, if m is an even number, and in 2 * m intervals, if m is an odd number, the intervals defining interval limits for switching the active switches,
  • Predetermining a power to be transmitted of the n-port m-phase active bridge converter in accordance with a predetermined relative load angle φ i1 = φ i1 between a load angle φ i a freely selectable port i and an absolute load angle φ 1 of a reference port 1 , and
  • - switching ( 130 ) the active switch ( 17 . 19 ) of the n ports ( 1 . .. ., n ) such that each phase branch ( 16 ) of a freely selectable port i by the absolute load angle φ i relative to the interval limits ( 40 ) of any of the intervals ( 38 ), in which the AC voltage ( v ) of the m phase branches ( 16 ) changes its sign, shifts, where φ i is calculated as
φ i = - Σ k = 1, k i n φ k 1 N 1 k U k L s k Σ k = 1 n N 1 k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0002
where U k is the DC voltage at an arbitrary port k with k ⊆ 1, 2, 3, ..., n and k # i, L sk is a leakage inductance of the transformer winding of port k referenced to port i = 1 and N 1k is a transformer turn ratio between the port i = 1 and the port k, and φ k1 is the predetermined relative load angle between the port k with k # i and the port 1 is. In the following, the method is referred to as Instantaneous Flux Control (IFC).

Ein n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler weist eine Anzahl n von Ports und eine Anzahl m von Phasen auf, wobei n, m ⊆ N ist. Der Wandler ist in seiner Zweiport-m-Phasen-Form allgemein bekannt, die auch als Dual-Active-Bridge-Wandler, kurz DAB-Wandler, bezeichnet wird. Für einen n-Port-Active-Bridge-Wandler, bei dem n>2 ist, werden die Ausdrücke „Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandler“, kurz „MAB-Wandler“, und „Multiport-DAB-Wandler“ austauschbar verwendet. Wenn eine Leistung in einer MAB-Topologie übertragen wird, wandelt mindestens einer der Ports eine DC-Eingangsspannung in eine AC-Eingangsspannung als Eingangsport(s) um und wandelt mindestens einer der anderen Ports eine AC-Ausgangsspannung in eine DC-Ausgangsspannung als Ausgangsport(s) um. Allgemein gesprochen kann jedoch jeder Port eine DC-Spannung in eine AC-Spannung umwandeln und kann jeder Port einen bidirektionalen Leistungsfluss aufweisen. Unter Standby-Bedingungen, wenn die übertragene Leistung zwischen den Ports null ist, wandeln sämtliche Ports eine DC-Spannung in eine AC-Spannung um, die nur eine reaktive Leistung in dem Transformator erzeugt.On n Port m-phase active bridge converter has a number n of ports and a number m of phases, where n, m ⊆ N. The converter is well known in its two-port m-phase form, which is also referred to as a dual-active bridge converter, DAB converter for short. For an n-port active bridge converter where n> 2, the terms "multiport active bridge DC-DC converter", "MAB converter" for short, and "multiport DAB converter" are used interchangeably. When transmitting power in a MAB topology, at least one of the ports converts a DC input voltage to an AC input voltage as an input port (s) and converts at least one of the other ports an AC output voltage a DC output voltage as the output port (s). Generally speaking, however, each port may convert a DC voltage to an AC voltage, and each port may have a bidirectional power flow. Under standby conditions, when the transmitted power between ports is zero, all ports convert a DC voltage to an AC voltage that produces only reactive power in the transformer.

Bei DAB-Wandlern bezieht sich die Primärseite typischerweise auf den Eingangsport des Gleichspannungswandlers. Entsprechend bezieht sich die Sekundärseite auf die andere Seite des Transformators, die mit dem Ausgangsport verbunden ist. Wenn die Primär- und die Sekundärseite gegeneinander isoliert sind, werden ihre jeweiligen Ports über einen Transformator verbunden. Nichtisolierte Varianten können unter Verwendung von Induktivitäten oder Autotransformatoren zwischen Primär- und Sekundärports realisiert werden. Wenn der DAB-Wandler derart ausgeführt ist, dass er bidirektional ist, kann die Leistung entweder von der Primärseite zu der Sekundärseite oder umgekehrt übertragen werden. Der Gleichspannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung kann als Multiphasen-DAB-Wandler mit m Phasen konfiguriert sein, der als Einphasen-, Dreiphasen- oder Fünfphasen- etc. DAB- oder Multiport-Active-Bridge- (MAB) Wandler konfiguriert sein kann.In DAB converters, the primary side typically refers to the input port of the DC-DC converter. Accordingly, the secondary side refers to the other side of the transformer connected to the output port. When the primary and secondary sides are isolated from each other, their respective ports are connected through a transformer. Non-isolated variants can be realized using inductors or autotransformers between primary and secondary ports. If the DAB converter is designed to be bidirectional, the power may be transmitted either from the primary side to the secondary side or vice versa. The DC-DC converter according to the present invention may be configured as a m-phase multiphase DAB converter that may be configured as a single-phase, three-phase, or five-phase, etc., DAB or multiport active bridge (MAB) converter.

Die Anzahl von Phasen m bestimmt die Mindestanzahl von Spannungsbrücken in einem Port, die die sogenannten Phasenzweige sind. Eine Dreiphasen-DAB weist mindestens drei Phasenzweige in einem Port auf, wobei im Fall von mehr als drei Phasenzweigen einige Phasenzweige parallelgeschaltet sind, um drei effektive Phasen bereitzustellen. Jeder Phasenzweig weist aktive Schalter in einer Zweistufen- oder Multistufen-Konfiguration auf. Durch Schalten der aktiven Schalter (Schaltvorgang mit einem Schaltmuster) kann eine DC-Eingangsspannung in eine AC-Ausgangsspannung zu dem Transformator umgewandelt werden. Umgekehrt eine AC-Ausgangsspannung in eine DC-Eingangsspannung. Normalerweise sind die Leistungshalbleiterschalter vollständig ein- oder ausgeschaltet. Deshalb werden im Fall von Zweistufen-Wandler-Phasenzweigen Wechselspannungen, die ungefähr die Form einer Rechteckwelle (Rechteckspannung) aufweisen, am Transformator produziert. Im Fall von Multistufen-Wandlern werden mehrstufige Wellenformen erzeugt. Folglich wird die Spannung über die Transformatorwicklungen gestuft. Gegebenenfalls sind aufgrund von sogenannten Snubbers die Flanken der Rechteckspannung nicht unendlich steil, das heißt, die Form weicht von derjenigen einer Rechteckspannung (Stufenform an den Transformatorwicklungen) ab. Snubbers werden zum Sicherstellen einer dynamischen Spannungskompensation bei Schaltvorgängen angewendet (Snubber-Netz). Der Ausdruck „Snubber-Netz“ bezieht sich auf eine elektrische Schaltung mit Snubber-Elementen, die im Fall einer abrupten Unterbrechung des Stromflusses dazu vorgesehen sind, zum Beispiel störende hohe Frequenzen oder Spannungsspitzen, die üblicherweise auftreten, wenn induktive Lasten geschaltet werden, zu neutralisieren. Snubber-Elemente begrenzen die Rate des Spannungsanstiegs oder die Rate des Stromanstiegs an Halbleitern. Zum Beispiel bewirken kapazitive Snubber ein Schalten im Nulldurchgang während des Ausschaltens der Leistungshalbleiter, wodurch Schaltverluste verringert werden.The number of phases m determines the minimum number of voltage bridges in a port, which are the so-called phase branches. A three-phase DAB has at least three phase branches in one port, and in the case of more than three phase branches, some phase branches are connected in parallel to provide three effective phases. Each phase branch has active switches in a two-stage or multi-stage configuration. By switching the active switches (switching operation with a switching pattern), a DC input voltage can be converted into an AC output voltage to the transformer. Conversely, an AC output voltage into a DC input voltage. Normally, the power semiconductor switches are fully on or off. Therefore, in the case of two-stage converter phase branches, AC voltages approximately in the form of a square wave (square-wave voltage) are produced at the transformer. In the case of multistage transducers, multi-level waveforms are generated. Consequently, the voltage across the transformer windings is stepped. Optionally, due to so-called snubbers, the edges of the square-wave voltage are not infinitely steep, that is, the shape deviates from that of a square-wave voltage (step shape on the transformer windings). Snubbers are used to ensure dynamic voltage compensation during switching operations (snubber network). The term "snubber net" refers to an electrical circuit having snubber elements which, in the event of an abrupt interruption of the current flow, are intended to neutralize, for example, interfering high frequencies or voltage spikes which usually occur when inductive loads are switched , Snubber elements limit the rate of voltage increase or the rate of current increase on semiconductors. For example, capacitive snubbers cause zero crossing switching during turn off of the power semiconductors, thereby reducing switching losses.

Je nach Konfiguration können zwei oder mehr aktive Schalter pro Phasenzweig verwendet werden. Geeignete Schalter für die Phasenzweige sind aktive Halbleiter (Leistungshalbleiter), wie zum Beispiel Abschaltthyristoren, Transistoren, MOS-FETs, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder ICGTs (Integrated Gate-Commuted Thyristor) mit intelligenten Gate-Treibern. Alternativ kann ein Fachmann auf dem Sachgebiet auch andere geeignete aktive Schalter verwenden.Depending on the configuration, two or more active switches can be used per phase branch. Suitable switches for the phase legs are active semiconductors (power semiconductors), such as turn-off thyristors, transistors, MOS FETs, Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), or integrated gate-commutated thyristors (ICGTs) with intelligent gate drivers. Alternatively, one skilled in the art may also use other suitable active switches.

Der Ausdruck „Transformator“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den Magnetkreis - üblicherweise einen Ferrit- oder Eisenkern - mit den dazugehörigen Wicklungen der Primär- und Sekundärphasenzweige um den Magnetkern. Wenn jeder der Phasenzweige einen separaten Transformator aufweist, sind nur die Leiter eines Primärphasenzweigs und der dazugehörige andere Sekundärphasenzweig um den Transformator gewickelt, der diesem Phasenzweig zugeordnet ist. Die Magnetkerne der Transformatoren der einzelnen Phasenzweige sind dann physisch voneinander getrennt. Der Ausdruck „Multiphasen-Transformator“ oder „m-Phasen-Transformator“ bezieht sich im Gegensatz dazu auf einen Transformator, der einen gemeinsam genutzten Magnetkern für sämtliche Phasenzweige aufweist, wobei die Wicklungen der Phasenzweige eines ersten, zweiten Ports und eines n. Ports in unterschiedlichen Bereichen des Magnetkerns angeordnet sind. Die Funktion eines Gleichspannungswandlers ist das Bewirken eines systematischen Spannungsabfalls über die AC-Spannungen am Transformator durch die Leckinduktivität des Transformators und somit das Steuern des Leistungsflusses. Aktiv geschaltete Phasenzweige ermöglichen es, den Lastwinkel zwischen den Primär- und Sekundär-Wechselspannungen, die am Transformator vorhanden sind, unabhängig zu steuern und somit den Leistungsfluss systematisch zu steuern.The term "transformer" as used herein refers to the magnetic circuit - usually a ferrite or iron core - with the associated windings of the primary and secondary phase branches around the magnetic core. When each of the phase legs has a separate transformer, only the conductors of a primary phase leg and the associated other secondary phase leg are wound around the transformer associated with that phase leg. The magnetic cores of the transformers of the individual phase branches are then physically separated. By contrast, the term "multiphase transformer" or "m-phase transformer" refers to a transformer having a shared magnetic core for all of the phase legs, the windings of the phase branches of a first, second, and nth ports in different areas of the magnetic core are arranged. The function of a DC-DC converter is to cause a systematic voltage drop across the AC voltages on the transformer through the leakage inductance of the transformer and thus control the power flow. Active-connected phase arms make it possible to independently control the load angle between the primary and secondary AC voltages present on the transformer and thus to systematically control the power flow.

Sobald der Transformatorkern aufgrund von großen DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen gesättigt ist, fließen hohe Ströme durch die Transformatorwicklungen (Magnetisierungsströme) und die Vorrichtungen in den aktiv geschalteten Brücken oder Phasenzweigen. Dies kann eine Überhitzung bewirken und zum Ausfall der Vorrichtung (Gleichspannungswandler) führen und sollte daher vermieden werden.Once the transformer core is saturated due to large DC offsets in the magnetizing currents, high currents flow through the transformer windings (magnetizing currents) and the Devices in the actively connected bridges or phase branches. This can cause overheating and lead to failure of the device (DC-DC converter) and should therefore be avoided.

Die Steuereinheit muss nicht Teil des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers sein, sondern kann auch eine externe Komponente sein, die zum Steuern der aktiven Schalter mit dem n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler verbunden ist. Dies ist vorteilhaft, wenn das Steuern flexibel an die vorgegebene Anwendung angepasst werden muss. Eine solche Steuereinheit, die nicht integraler Bestandteil eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers ist, kann in ein Zwischenverbindungsnetz zum Beispiel mit einen separat erstellten Microcontroller, einem Digitalsignalprozessor (DSP) oder programmierbaren logischen Vorrichtungen, wie z.B. FPGA, eingebaut sein. Diese oder ähnliche Vorrichtungen können über einen Leistungshalbleiter-Gate-Treiber, der herkömmlicherweise als Teil der Leistungselektronik-Wandler realisiert ist, mit den Schaltern verbunden sein. Die Steuereinheit kann ferner über Leiterbahnen in dieselbe Leiterplatte der Halbleiterschalter integriert werden oder in externe Leiterplatten integriert und dann über Kabel verbunden werden. Die Verbindung (z.B. Kabel) kann auf verschiedene Arten realisiert werden, z.B. über eine gedruckte Leiterplatte, Normalkabel, Koaxialkabel, Bandkabel, RJ-45-Kabel, optische Signale (z.B. optischen Wellenleiter) etc. Solange der Gleichspannungswandler einen Verbindungsport für einen Gate-Treiber bietet, kann die Steuereinheit auch als Steuerrahmen/Steuerplattform realisiert werden, der/die mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist.The control unit need not be part of the n-port m-phase active bridge converter, but may also be an external component used to control the active switches with the n-port m-phase active bridge converter connected is. This is advantageous if the control must be flexibly adapted to the given application. Such a control unit, which is not an integral part of an n-port m-phase active bridge converter, may be incorporated in an interconnect network with, for example, a separately created microcontroller, a digital signal processor (DSP), or programmable logic devices, e.g. FPGA, be installed. These or similar devices may be connected to the switches via a power semiconductor gate driver, which is conventionally implemented as part of the power electronics converters. The control unit can also be integrated via printed conductors in the same circuit board of the semiconductor switches or integrated into external printed circuit boards and then connected via cables. The connection (e.g., cable) can be realized in several ways, e.g. via a printed circuit board, standard cable, coaxial cable, ribbon cable, RJ-45 cable, optical signals (eg optical waveguide) etc. As long as the DC-DC converter provides a connection port for a gate driver, the control unit can also be realized as a control frame / control platform / which is connected to the DC-DC converter.

Das Aufteilen in Schaltintervalle wird durch die Anzahl von Phasen, die der MAB-Wandler aufweist, definiert. Wenn die Anzahl von Phasen für einen MAB-Wandler m ist, muss in Betracht gezogen werden, ob m eine gerade oder ungerade Zahl ist. Wenn m eine ungerade Zahl ist, ist die Anzahl von Intervallen zweimal m, da die Einschalt- und Ausschalt-Zeitpunkte jeder Phase berücksichtigt werden müssen. Wenn die Anzahl von Phasen m eine gerade Zahl ist, wird die Anzahl von Intervallen auf m verringert, da die Einschalt-Zeitpunkte einer halben Anzahl von Phasenzweigen mit den Ausschalt-Zeitpunkten der anderen Hälfte von Phasenzweigen zusammenfällt. Daher ist dann, wenn m zum Beispiel drei ist, die Anzahl von Intervallen sechs. Wenn m zwei ist, bleibt die Anzahl von Intervallen zwei. Wenn m gleich fünf ist, ist die Anzahl von Intervallen zehn. Wenn m gleich vier ist, ist die Anzahl von Intervallen vier.The split into switching intervals is defined by the number of phases that the MAB converter has. When the number of phases for a MAB converter is m, it must be considered whether m is an even or odd number. If m is an odd number, the number of intervals is twice m because the turn-on and turn-off times of each phase must be taken into account. If the number of phases m is an even number, the number of intervals is reduced to m because the turn-on times of half a number of phase legs coincide with the turn-off times of the other half of phase legs. Therefore, when m is three, for example, the number of intervals is six. If m is two, the number of intervals remains two. If m is five, the number of intervals is ten. If m is four, the number of intervals is four.

Die Intervallgrenzen sind durch die Aufteilung der Intervalle definiert. Die Anzahl von Intervallgrenzen wird durch die Anzahl von Intervallen plus eins definiert. Wenn bei drei Phasen die Anzahl von Intervallen gleich sechs ist, gibt es sieben Intervallgrenzen. Die Intervallgrenzen werden bei einer Startzeit to festgelegt und enden bei einer Zeit to+T, wobei T eine Periodenlänge ist. Die dazwischenliegende Zeit wird gleich durch die verbleibende Anzahl von Intervallgrenzen geteilt. Wenn bei dem vorstehenden Beispiel (drei Phasen) die Periode T in sechs Teile geteilt wird, finden sich die Intervallgrenzen an den Zeitpunkten to, to+T/6, to+T/3, to+T/2, to+2T/3, to+5T/6, to+T. Hierbei bezeichnet das Zeitintervall to+T/6 das Intervall im Bereich von to bis T/6 mit den Zeitpunkten to und T/6 als Grenzen dieses Intervalls. Das anschließende Zeitintervall t0+T/3 bezeichnet das Intervall im Bereich von T/6 bis T/3 mit T/6 und T/3 als Grenzen dieses Intervalls. Das Zeitintervall t0+T/2 bezeichnet das Intervall im Bereich von T/3 bis T/2 mit T/3 und T/2 als Grenzen dieses Intervalls. Das Zeitintervall t0+2T/3 bezeichnet das Intervall im Bereich von T/2 bis 2T/3 mit T/2 und 2T/3 als Grenzen dieses Intervalls. Das Zeitintervall t0+5T/6 bezeichnet das Intervall im Bereich von 2T/3 bis 5T/6 mit 2T/3 und 5T/6 als Grenzen dieses Intervalls. Das Zeitintervall to+T bezeichnet das Intervall im Bereich von 5T/6 bis T mit 5T/6 und T als Grenzen dieses Intervalls.The interval limits are defined by the division of the intervals. The number of interval limits is defined by the number of intervals plus one. If the number of intervals is equal to six in three phases, there are seven interval limits. The interval limits are set at a start time to and end at a time to + T, where T is a period length. The intervening time is equal divided by the remaining number of interval boundaries. If in the above example (three phases) the period T is divided into six parts, the interval limits can be found at the times to, to + T / 6, to + T / 3, to + T / 2, to + 2T / 3, to + 5T / 6, to + T. Here, the time interval to + T / 6 denotes the interval in the range from to to T / 6 with the times to and T / 6 as limits of this interval. The subsequent time interval t 0 + T / 3 denotes the interval in the range of T / 6 to T / 3 With T / 6 and T / 3 as limits of this interval. The time interval t 0 + T / 2 denotes the interval in the range of T / 3 to T / 2 With T / 3 and T / 2 as limits of this interval. The time interval t 0 + 2T / 3 denotes the interval in the range of T / 2 to 2T / 3 With T / 2 and 2T / 3 as limits of this interval. The time interval t 0 + 5T / 6 denotes the interval in the range of 2T / 3 to 5T / 6 With 2T / 3 and 5T / 6 as limits of this interval. The time interval to + T denotes the interval in the range of 5T / 6 to T With 5T / 6 and T as limits of this interval.

Eine vorbestimmte übertragene Leistung des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers wird zur Leistungsversorgung einer Last an zumindest einem frei wählbaren Port, der als Ausgangsport bezogen auf mindestens einen Eingangsport gewählt ist, benötigt. Zum Übertragen dieser Leistung wird ein Relativ-Last-Winkel zwischen dem (den) Eingangs- und Ausgangsport(s) hergestellt. Daher ist ein vorgegebener Relativ-Last-Winkel φi1i1 zwischen dem Absolut-Last-Winkel φi eines frei wählbaren Ports i und dem Absolut-Last-Winkel φ1 eines Referenzports 1 definiert, wobei i≠1 ist. Der Referenzport ist ein frei wählbarer Port 1, da die Gleichspannungswandler immer mindestens einen Port aufweisen. Der Absolut-Last-Winkel φi eines Ports i bezeichnet den Winkel zwischen der ansteigenden Flanke der AC-Spannung von Port i und der entsprechenden Intervallgrenze.A predetermined transmitted power of the n-port m-phase active bridge converter is needed to power a load on at least one arbitrary port selected as the output port relative to at least one input port. To transfer this power, a relative load angle is established between the input and output ports (s). Therefore, a given relative load angle φ i1 = φ i1 is between the absolute load angle φ i of a freely selectable port i and the absolute load angle φ 1 of a reference port 1 defined, where i ≠ 1. The reference port is a freely selectable port 1 because the DC-DC converter always have at least one port. The absolute load angle φ i of a port i denotes the angle between the rising edge of the AC voltage of port i and the corresponding interval limit.

Anhand des Relativ-Last-Winkels φi1 ist es möglich, φi für jedes beliebige vorgegebene i zu berechnen. Nach dem Bestimmen von φi ist es möglich, φ1 mit φ1i1i zu bestimmen. Zum Bestimmen von φi wird eine Differenz des Kraftflusses in der Magnetisierungsinduktivität ΔΦm beim Durchführen von Schritten von φ21, φ31,..., φn1=0 bis zu frei wählbaren Winkeln φ21, φ31,..., φn1, berechnet. Zum Beispiel wird für einen Triport-Active-Bridge-Wandler, d.h. n=3, ΔΦm berechnet gemäß: Δ Φ m L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 U 1 φ 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 12 U 2 φ 2                             + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 U 3 φ 3 = ! 0

Figure DE202017007011U1_0003
wobei U1 , U2 , U3 , ..., Un die DC-Zwischenkreis-Spannungen an Port 1, 2, 3, ... n sind und Ls2 , Ls3 , ..., Lsn die Leckinduktivität der Transformatorwicklung von Port 1, 2, 3, ..., n bezogen auf die Seite von Port 1 sind.Based on the relative load angle φ i1 , it is possible to calculate φ i for any given i. After determining φ i , it is possible to determine φ 1 with φ 1 = φ i1 + φ i . For determining φ i , a difference in the flux of force in the magnetizing inductance ΔΦ m when performing steps of φ 21 , φ 31 , ..., φ n1 = 0 to arbitrary angles φ 21 , φ 31 , ..., φ n1 , calculated. For example, for a triport-active-bridge converter, ie n = 3, ΔΦ m is calculated according to: Δ Φ m α L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 U 1 φ 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 12 U 2 φ 2 + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 U 3 φ 3 = ! 0
Figure DE202017007011U1_0003
in which U 1 . U 2 . U 3 , ..., U n the DC link voltages at port 1 . 2 . 3 . .. , n are and L s2 . L s3 , ..., L sn the leakage inductance of the transformer winding of Port 1 . 2 . 3 . .. ., n relative to the side of port 1 are.

Daher lautet die äquivalente Gleichung bei Auflösung nach φ1 eines Triport-Active-Bridge-Wandlers: L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 U 1 φ 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 12 U 2 ( φ 21 + φ 1 )                             + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 U 3 ( φ 31 + φ 1 ) = 0                             φ 1 = L s1 L s3 N 12 U 2 φ 21 + L s1 L s2 N 13 U 3 φ 31 L s2 L s3 U 1 + L s1 L s3 N 12 U 2 + L s1 L s2 N 13 U 3

Figure DE202017007011U1_0004
was umgeschrieben werden kann zu: φ 1 = φ 21 N 12 U 2 L s2 + φ 31 N 13 U 3 L s3 U 1 L s1 + N 12 U 2 L s2 + N 13 U 3 L s3
Figure DE202017007011U1_0005
Therefore, the equivalent equation for φ 1 resolution of a triport-active-bridge converter is: L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 U 1 φ 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 12 U 2 ( φ 21 + φ 1 ) + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 U 3 ( φ 31 + φ 1 ) = 0 φ 1 = - L s1 L s3 N 12 U 2 φ 21 + L s1 L s2 N 13 U 3 φ 31 L s2 L s3 U 1 + L s1 L s3 N 12 U 2 + L s1 L s2 N 13 U 3
Figure DE202017007011U1_0004
what can be rewritten to: φ 1 = - φ 21 N 12 U 2 L s2 + φ 31 N 13 U 3 L s3 U 1 L s1 + N 12 U 2 L s2 + N 13 U 3 L s3
Figure DE202017007011U1_0005

Für einen n-Port-Active-Bridge-Wandler kann die generalisierte Gleichung für den Absolut-Last-Winkel von Port i mit i=1, 2, ...., n abgeleitete werden von: φ i = k = 1, k i n ( N 1 k U k j = 1, j k n L sj φ ki ) k = 1 n ( N 1 k U k j = 1, j k n L j )

Figure DE202017007011U1_0006
was ebenfalls umgeschrieben werden kann in die Form: φ i = k = 1, k i n φ k1 N 1 k U k L s k k = 1 n N 1 k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0007
For an n-port Active Bridge converter, the generalized equation for the absolute load angle of Port i with i = 1, 2, ...., n can be derived from: φ i = - Σ k = 1, k i n ( N 1 k U k Π j = 1, j k n L sj φ ki ) Σ k = 1 n ( N 1 k U k Π j = 1, j k n L j )
Figure DE202017007011U1_0006
which can also be rewritten in the form: φ i = - Σ k = 1, k i n φ k1 N 1 k U k L s k Σ k = 1 n N 1 k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0007

Zum Beispiel können bei einem DAB- (Zweiport) Wandler bei der Primärseite als Referenzport 1 und dem Relativ-Last-Winkel zwischen Port 2 und Port 1 von φ2121 die Absolut-Last-Winkel an Port 1 und 2 von φ1 und φ2 jeweils unter Verwendung der oben genannten Gleichung berechnet werden.For example, in a DAB (two port) converter, at the primary side as the reference port 1 and the relative load angle between port 2 and port 1 from φ 21 = φ 21 the absolute load angle at port 1 and 2 from φ 1 and φ 2 can each be calculated using the above equation.

Bei dem Bespiel eines Dreiport-Active-Bridge-Wandlers mit dem Referenzport 1 und den vorgegebenen Lastwinkeln zwischen Port 2 und Port 1 von φ2121 und Port 3 und Port 1 von φ3131 können die Absolut-Last-Winkel an Port 1, 2 und 3 von φ1 , φ2 und φ3 jeweils unter Verwendung der oben genannten Gleichungen berechnet werden.In the example of a three-port Active Bridge converter with the reference port 1 and the given load angles between port 2 and port 1 from φ 21 = φ 21 and port 3 and port 1 of φ 31 = φ 31 can be the absolute load angle at port 1 . 2 and 3 from φ 1 . φ 2 and φ 3 are each calculated using the equations mentioned above.

Daher ermöglicht die Vorrichtung, dass bei einem multidirektionalen Multiport-Gleichspannungswandler DC-Offsets im Magnetisierungsstrom des Transformators vermieden werden und dass der DC-Offset während transienter Bedingungen von Laständerungen gesteuert wird.Therefore, the device enables a multidirectional multiport DC-DC converter to avoid DC offsets in the magnetizing current of the transformer and to control the DC offset during load transients during transient conditions.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird bei der Vorrichtung ein Tastgrad der Schaltperiode T von 50 % implementiert. Bei normalen stationären Operationen ermöglicht der Tastgrad von 50 % eine einfache Leistungssteuerung mit symmetrischen Spannungs- und Stromwellenformen. In one embodiment of the invention, the device becomes one duty cycle of the switching period T implemented by 50%. For normal steady state operations, the 50% duty cycle enables simple power control with symmetrical voltage and current waveforms.

Bei einer weiteren Ausführungsform betragen die Phasenverschiebungen zwischen den Phasenzweigen eines beliebigen Ports 360°/m. Daher beträgt bei einem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler die Phasenverschiebung zwischen den Phasenzweigen jedes Ports 120°. Es ist der Normalbetriebsmodus des DAB-Wandlers, eine Soft-Switching-Operation aufrechtzuerhalten, um die Schaltverluste und EMI zu verringern.In another embodiment, the phase shifts between the phase branches of any port are 360 ° / m. Therefore, in a three-phase dual-active-bridge converter, the phase shift between the phase branches of each port is 120 °. It is the normal mode of operation of the DAB converter to maintain a soft-switching operation to reduce switching losses and EMI.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Schalten umgekehrt oder zyklisch umgekehrt. Das Schalten kann aufgrund der Symmetrie der Schaltzustände umgekehrt oder zyklisch umgekehrt sein.In a further preferred embodiment, the switching is reversed or cyclically reversed. The switching can be reversed or cyclically reversed due to the symmetry of the switching states.

Bei einer Ausführungsform ist der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler ein n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler. Dreiphasen-MAB-Wandler können viele Vorteile bieten. Sie benötigen unter anderem viel kleinere DC-Kondensatoren für eine vorgegebene Spannungswelligkeit. Des Weiteren sind die Ströme in den Halbleitern beim Ausschalten niedriger als bei Einphasen-MABs, wodurch Schaltungsverluste beträchtlich verringert werden können.In one embodiment, the n-port m-phase active bridge converter is an n-port three-phase active bridge converter. Three-phase MAB converters can offer many advantages. Among other things, they require much smaller DC capacitors for a given voltage ripple. Furthermore, the currents in the semiconductors at turn-off are lower than in single-phase MABs, which can significantly reduce circuit losses.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler ein Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler, d.h. ein m-Phasen-DAB-Wandler. Der Multiphasen-DAB-Wandler ermöglicht eine verschachtelte Operation, wodurch die Filtergröße und die Ausschaltströme der Halbleitervorrichtungen verringert werden.In another embodiment, the n-port m-phase active bridge converter is a two-port m-phase active bridge converter, i. an m-phase DAB converter. The multi-phase DAB converter enables a nested operation, thereby reducing the filter size and the turn-off currents of the semiconductor devices.

Bei einer alternativen Ausführungsform, ergibt sich unter Berücksichtigung eines Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers ein Phasenverschiebungsfaktor x aus der folgenden Gleichung: x = φ 1 / φ 21 = N 12 * L s1 * U 2 / ( L s2 * U 1 + N 12 * L s1 * U 2 )

Figure DE202017007011U1_0008
wobei U1 und U2 die DC-Spannungen an Port 1 und Port 2 bezeichnen, Ls1 und Ls2 die Leckinduktivitäten von Port 1 und Port 2 bezogen auf die Seite von Port 1 bezeichnen, φ1 den Absolut-Last-Winkel von Port 1 berechnet gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bezeichnet, φ21 den vorgegebenen Relativ-Last-Winkel zwischen Port 1 und Port 2 bezeichnet und N12 das Windungsverhältnis des Transformators zwischen Port 1 und Port 2 bezeichnet und zum Einstellen des Schaltens der Phasenzweige mit einem entsprechenden Lastwinkel verwendet wird. Port 1 und Port 2 können auch als „Primärseite“ und „Sekundärseite“ bezeichnet werden. Wenn der Laststrom auf herkömmliche Weise verändert wird, werden entweder die primärseitigen oder die sekundärseitigen Phasenzweige in festen Intervallen geschaltet. Daher wird der Lastwinkel durch Modifizieren der Phasenverschiebungen der jeweiligen anderen Phasenzweige eingestellt, d.h. der Lastwinkel wird durch Modifizieren der Phasenverschiebung entweder an den primärseitigen oder den sekundärseitigen Phasenzweigen eingestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ändern sich jedoch die Lastwinkel sämtlicher Phasenzweige innerhalb der Primär- und der Sekundärseite, um ein DC-Offset im Magnetisierungsstrom zu vermeiden. Bei einem Beispiel eines DAB-Wandlers mit einem vorgegebenen Lastwinkel φ und x=xDAB kann die Verteilung auf eine Primärphasenverschiebung φp und die sekundärseitige Phasenverschiebung φs ebenfalls wie folgt geschrieben werden: φ p = x DAB * φ  und  φ s = ( 1 x DAB ) * φ
Figure DE202017007011U1_0009
mit xDAB als Phasenverschiebungsfaktor x für den DAB-Wandler, wobei xDAB entsprechend der folgenden Gleichung ausgewählt wird: x DAB = U s * L sp / ( U p * N tr * L ss + U s * L sp ) ,
Figure DE202017007011U1_0010
wobei Us die DC-Spannung auf der Sekundärseite ist, Up die DC-Spannung auf der Primärseite ist, Lsp die primärseitige Leckinduktivität ist, Lss die sekundärseitige Leckinduktivität (bezogen auf die Sekundärseite) ist, Ntr das Windungsverhältnis des Transformators ist, d.h. die Anzahl von primärseitigen Wicklungen dividiert durch die Anzahl von sekundärseitigen Wicklungen. Daher ermöglicht das Verfahren, dass bei einem multidirektionalen Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler DC-Offsets im Magnetisierungsstrom des Transformators vermieden werden und der DC-Offset bei transienten Bedingungen von Laständerungen gesteuert wird.In an alternative embodiment, considering a two-port m-phase active bridge converter, a phase shift factor x is given by the following equation: x = - φ 1 / φ 21 = N 12 * L s1 * U 2 / ( L s2 * U 1 + N 12 * L s1 * U 2 )
Figure DE202017007011U1_0008
in which U 1 and U 2 the DC voltages at port 1 and port 2 describe, L s1 and L s2 the leakage inductances of Port 1 and port 2 relative to the side of port 1 describe, φ 1 the absolute load angle of port 1 calculated according to the method of claim 1, φ 21 the given relative load angle between port 1 and port 2 designated and N 12 the turns ratio of the transformer between port 1 and port 2 is designated and used to adjust the switching of the phase branches with a corresponding load angle. port 1 and port 2 can also be referred to as "primary page" and "secondary page". When the load current is changed in a conventional manner, either the primary-side or the secondary-side phase branches are switched at fixed intervals. Therefore, the load angle is adjusted by modifying the phase shifts of the respective other phase branches, ie, the load angle is adjusted by modifying the phase shift on either the primary-side or the secondary-side phase branches. However, in a preferred embodiment, the load angles of all phase branches within the primary and secondary sides change to avoid a DC offset in the magnetizing current. In an example of a DAB converter with a given load angle φ and x = x DAB can change the distribution to a primary phase shift φ p and the secondary-side phase shift φ s also be written as follows: φ p = - x DAB * φ and φ s = ( 1 - x DAB ) * φ
Figure DE202017007011U1_0009
with x DAB as phase shift factor x for the DAB converter, where x DAB is selected according to the following equation: x DAB = U s * L sp / ( U p * N tr * L ss + U s * L sp ) .
Figure DE202017007011U1_0010
in which U s the DC voltage is on the secondary side, U p the DC voltage is on the primary side, L sp the primary-side leakage inductance is, Lss is the secondary-side leakage inductance (relative to the secondary side), N tr is the turns ratio of the transformer, that is, the number of primary-side windings divided by the number of secondary-side windings. Therefore, the method enables DC offsets in the magnetizing current of the transformer to be avoided in a multidirectional two-port m-phase active bridge converter and the DC offset to be controlled by load changes in transient conditions.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler ein Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler, d.h. ein Dreiphasen-DAB-Wandler. Der Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler ist die gängigste Topologie für m-Phasen-DAB-Wandler. Neben den oben genannten Vorteilen sind die Steuerverfahren und die Leistungselektronik-Bausteine für Dreiphasen-Systeme bereits gut entwickelt. In another embodiment, the two-port m-phase active bridge converter is a two-port three-phase active bridge converter, ie, a three-phase DAB converter. The two-port three-phase active bridge converter is the most common topology for m-phase DAB converters. In addition to the above advantages, the control methods and the power electronics components for three-phase systems are already well developed.

Eine Ausführungsform, die bei Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlern angewendet wird, kann die unmittelbare Flusssteuerung (IFC) mit einem Stromsteuerverfahren (Current Control - CC) für einen Dreiphasen-DAB kombiniert werden, was zu einem Verfahren zur unmittelbaren Flussstromsteuerung (Instantaneous Flux Current Control method - IFCC) führt. Dies ermöglicht eine hochdynamische Lastwinkeländerung des vorgegebenen Relativ-Last-Winkels von einem ersten Lastwinkel φ21,a zu einem zweiten Lastwinkel φ21,b , wobei ein mittlerer Lastwinkel φ21,t als φ21,t=(exp(-1/(2*f*τ))*(φ21,a21,b)/(exp(-1/(2*f*τ))+1) mit τ=(Ls1+N12 2∗Ls2)/Rw definiert ist, wobei Rw ein Gesamt-Wicklungswiderstand des Transformators ist, der sechs Intervalle to+T/6, to+T/3, to+T/2, to+2T/3, to+5T/6, to+T ab einem Startpunkt to umfasst; umfassend:

  • - beim Referenzzeitpunkt to: Schalten von Phasenzweig A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,a und Schalten von Phasenzweig B1 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,a;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+T/6: Schalten von Phasenzweig A3 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B3 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,t;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+T/3: Schalten von Phasenzweig A2 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B2 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,t;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+T/2: Schalten von Phasenzweig A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B1 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,t;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+2T/3: Schalten von Phasenzweig A3 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B3 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,b;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+5T/6: Schalten von Phasenzweig A2 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B2 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b; und
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+T: Schalten von Phasenzweig A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B1 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,b,
wobei x der Phasenverschiebungsfaktor x ist. Unter Anwendung der oben genannten Schaltsequenz muss der Kern des Transformators nicht überdimensioniert werden, um ein DC-Offset zu vermeiden.An embodiment used in two-port three-phase active bridge converters, direct flow control (IFC) may be combined with a current control (CC) for a three-phase DAB resulting in an instantaneous flow control (Instantaneous) process Flux Current Control Method - IFCC). This allows a highly dynamic load angle change of the predetermined relative load angle of a first load angle φ 21, a to a second load angle φ 21, b , wherein a mean load angle φ 21, t as φ 21, t = (exp (-1 / (2 * f * τ)) * (φ 21, a + φ 21, b ) / (exp (-1 / (2 * f * τ)) + 1) with τ = (L s1 + N 12 2 * L s2 ) / R w , where R w is a total winding resistance of the transformer comprising six intervals to + T / 6, to + T / 3, to + T / 2, to + 2T / 3, to + 5T / 6, to + T from a starting point to; full:
  • - at reference time to: switching phase branch A1 with a load angle -xφ 21, a and switching of phase leg B1 with a load angle ( 1 -x) φ 21, a ;
  • - at reference time t 0 + T / 6: switching of phase branch A3 with a load angle -xφ 21, t and switching of phase leg B3 with a load angle (1-X) φ 21, t ;
  • - at reference time t 0 + T / 3: switching of phase branch A2 with a load angle -xφ 21, t and switching of phase leg B2 with a load angle (1-X) φ 21, t ;
  • - at reference time t 0 + T / 2: switching of phase branch A1 with a load angle -xφ 21, t and switching of phase leg B1 with a load angle (1-X) φ 21, t ;
  • - at reference time t 0 + 2T / 3: switching of phase branch A3 with a load angle -xφ 21, b and switching of phase leg B3 with a load angle (1-X) φ 21, b ;
  • - at reference time t 0 + 5T / 6: switching of phase branch A2 with a load angle -xφ 21, b and switching of phase leg B2 with a load angle (1-x) φ 21, b ; and
  • - at reference time t 0 + T: switching of phase branch A1 with a load angle -xφ 21, b and switching of phase leg B1 with a load angle (1-X) φ 21, b ,
where x is the phase shift factor x. Using the above switching sequence, the core of the transformer need not be oversized to avoid DC offset.

Beim Starten eines Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers, wenn der Gleichspannungswandler den Transformator ansteuert, ohne eine aktive Leistung von dem Eingangs-DC-Bus (Eingangsport) zu dem Ausgangs-DC-Bus (Ausgangsport) zu übertragen, kann durch das Anlegen einer besonderen Schaltsequenz der aktiven Schalter eine unmittelbare Magnetisierungskorrektur des Transformatorkerns aktiviert werden und können somit DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen des Transformators eliminiert werden. Zur Vermeidung einer Sättigung wie beim Stand der Technik muss der Kern überdimensioniert sein, um diesen Nachteil zu vermeiden. Bei einer Ausführungsform umfassen die Schritte zum Starten eines n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers (10) zur Zeit t=to, wobei sämtliche aktiven Schalter für t<to aus sind, wobei jeder Port einen ersten, einen zweiten und einen dritten Phasenzweig aufweist, die jeweils dem ersten, dem zweiten und dem dritten Phasenzweig der anderen n-1 Ports entsprechen, und wobei jeder Phasenzweig einen oberen aktiven Schalter und einen unteren aktiven Schalter aufweist:

  • - Aufteilen einer Schaltperiode T in sechs Intervalle t0+T/6, t0+T/3, t0+T/2, t0+2T/3, t0+5T/6, t0+T;
  • - zur Zeit t=t0 Einschalten der oberen aktiven Schalter der ersten und der zweiten Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter der dritten Phasenzweige sämtlicher n Ports;
  • - zur Zeit t0+T/6 Ausschalten der oberen aktiven Schalter der ersten Phasenzweige und der unteren aktiven Schalter der dritten Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter der ersten Phasenzweige und der oberen aktiven Schalter der dritten Phasenzweige sämtlicher n Ports;
  • - zur Zeit t0+T/3 Ausschalten der oberen aktiven Schalter der zweiten Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter der zweiten Phasenzweige sämtlicher n Ports;
  • - zur Zeit t0+T/2 Ausschalten der unteren aktiven Schalter der ersten Phasenzweige und Einschalten der oberen aktiven Schalter der ersten Phasenzweige sämtlicher n Ports;
  • - zur Zeit t0+2T/3 Ausschalten der oberen aktiven Schalter der dritten Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter der dritten Phasenzweige sämtlicher n Ports; und
  • - zur Zeit t0+5T/6 Ausschalten der unteren aktiven Schalter der zweiten Phasenzweige und Einschalten der oberen aktiven Schalter der zweiten Phasenzweige sämtlicher n Ports.
When starting a two-port three-phase active bridge converter, when the DC-DC converter drives the transformer without transferring active power from the input DC bus (input port) to the output DC bus (output port) Applying a special switching sequence of the active switches, an immediate magnetization correction of the transformer core can be activated and thus DC offsets in the magnetizing currents of the transformer can be eliminated. To avoid saturation as in the prior art, the core must be oversized to avoid this disadvantage. In one embodiment, the steps for starting an n-port three-phase active bridge converter (10) at time t = to, wherein all active switches for t <to are off, each port having a first, a second and a third phase leg corresponding respectively to the first, the second and the third phase leg of the other n-1 ports, and wherein each phase leg has an upper active switch and a lower active switch:
  • - Splitting a switching period T in six intervals t 0 + T / 6, t 0 + T / 3, t 0 + T / 2, t 0 + 2T / 3, t 0 + 5T / 6, t 0 + T;
  • at time t = t 0, turning on the upper active switches of the first and second phase legs and turning on the lower active switches of the third phase branches of all n ports;
  • turning off the upper active switches of the first phase legs and the lower active switches of the third phase legs and turning on the lower active switches of the first phase branches and the upper active switches of the third phase branches of all the n ports; at time t 0 + T / 6;
  • turning off the upper active switches of the second phase legs at the time t 0 + T / 3 and turning on the lower active switches of the second phase branches of all the n ports;
  • turning off the lower active switches of the first phase branches at the time t 0 + T / 2 and turning on the upper active switches of the first phase branches of all the n ports;
  • - at time t 0 + 2T / 3 turn off the upper active switches of the third phase branches and turn on the lower active switches of the third phase branches of all the n ports; and
  • at time t 0 + 5T / 6, turn off the lower active switches of the second phase legs and turn on the upper active switches of the second phase branches of all the n ports.

Jeder Phasenzweig eines beliebigen Ports weist mindestens einen entsprechenden Phasenzweig in den anderen n-1 Ports auf. Der Phasenzweig und sein entsprechender Phasenzweig sind über den Transformator direkt verbunden. Zum Beispiel sind bei der nachstehenden Ausführungsform die Phasenzweige A1 und B1 entsprechende Phasenzweige sowie A2 und B2, und A3 entspricht B3. Wenn ein Dreiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler vorhanden ist, wären die Phasenzweige A1, B1 und C1 entsprechende Phasenzweige, und A2, B2 , C2 etc. Dieses Verfahren wird auch als Soft-Start-Verfahren bezeichnet.Each phase leg of any port has at least one corresponding phase leg in the other n-1 ports. The phase leg and its corresponding phase leg are directly connected via the transformer. For example, in the following embodiment, the phase branches A1 and B1 corresponding phase branches as well A2 and B2 , and A3 corresponds to B3 , If a three-port three-phase active bridge converter is present, the phase legs would be A1 . B1 and C1 corresponding phase branches, and A2 . B2 , C2 etc. This method is also called a soft-start method.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Anzahl von Ports für das Soft-Start-Verfahren n=2, was zu einem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler führt, wobei der erste Port eine Primärseite ist und der zweite Port eine Sekundärseite ist. In another embodiment, the number of ports for the soft-start method is n = 2, resulting in a three-phase dual-active-bridge converter, where the first port is a primary side and the second port is a secondary side.

Die Erfindung betrifft ferner ein System, das einen n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler umfasst und zum Verringern zumindest eines Anfangs-DC-Offsets in einem Magnetisierungsstrom IM geeignet ist, wobei bei dem n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler k, i ⊆ 1, 2,.., n eine Anzahl eines frei wählbaren Ports mit m ≥ 1 und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port als Eingangs- oder Ausgangsport betrieben werden kann, wobei jeder der Ports m Phasenzweige mit mehreren aktiven Schaltern aufweist, wobei eine Phasenverschiebung zwischen den Phasenzweigen jedes Ports erfolgt, wobei die Ports eine DC-Spannung in eine AC-Spannung und umgekehrt umwandeln können, wobei die Ports über einen m-Phasen-Transformator oder über separate m Transformatoren, die jeweils mit jedem der m Phasenzweige jedes der n Ports verbunden sind, verbunden sind, um eine Leistung zwischen den Ports zu übertragen, und eine Steuereinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, die Schalter der m Phasenzweige gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 zu betreiben. Der n-Port-Active-Bridge-Wandler kann eine Phase, zwei Phasen, drei Phasen, vier Phasen, fünf Phasen oder mehr Phasen aufweisen.The invention further relates to a system comprising an n-port m-phase active bridge converter and for reducing at least one initial DC offset in a magnetizing current I M is suitable, wherein in the n-port m-phase active bridge converter k, i ⊆ 1, 2, .., n is a number of a freely selectable port with m ≥ 1 and n ≥ 2, each port can be operated as an input or output port, wherein each of the ports m phase shifter having multiple active switches, wherein a phase shift between the phase branches of each port, wherein the ports can convert a DC voltage into an AC voltage and vice versa, wherein the Ports are connected via an m-phase transformer or via separate m transformers, each connected to each of the m phase legs of each of the n ports, for transferring power between the ports, and a control unit intended to operate the switches of the m phase branches according to the method of claim 1. The n Port-Active-Bridge converter can have one phase, two phases, three phases, four phases, five phases or more phases.

Bei einer Ausführungsform ist der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler des Systems ein n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler. Wie vorstehend gesagt worden ist, verringert der Dreiphasen-Wandler die Größe der Filterkondensatoren und der Ausschaltströme der Halbleitervorrichtungen. Außerdem sind die Steuerverfahren und Leistungselektronik-Bausteine für Dreiphasensysteme gut entwickelt.In one embodiment, the system's n-port m-phase active bridge converter is an n-port three-phase active bridge converter. As mentioned above, the three-phase converter reduces the size of the filter capacitors and the turn-off currents of the semiconductor devices. In addition, the control methods and power electronics components for three-phase systems are well developed.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, die aktiven Schalter gemäß dem Soft-Start-Verfahren für einen n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler zu betreiben.In an alternative embodiment, the control unit is provided to operate the active switches according to the soft-start method for an n-port three-phase active bridge converter.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler des Systems ein Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler, d.h. ein Dreiphasen-DAB-Wandler.In another embodiment, the system's n-port m-phase active bridge converter is a two-port three-phase active bridge converter, i. a three-phase DAB converter.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit des Systems dazu vorgesehen, die Schalter der drei Phasenzweige gemäß den genannten Verfahren, die zur Operation bei einem Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler angewendet werden, zu betreiben.In a further embodiment, the control unit of the system is arranged to operate the switches of the three phase legs according to the said methods applied for operation in a two-port three-phase active bridge converter.

Bei einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung ein System, bei dem die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, die Schalter der drei Phasenzweige gemäß dem Verfahren zum Starten des Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers zu betreiben.In a further embodiment, the invention relates to a system in which the control unit is arranged to operate the switches of the three phase legs according to the method for starting the two-port three-phase active bridge converter.

Bei einer Ausführungsform ist der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler des Systems ein Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler, d.h. ein m-Phasen-DAB-Wandler.In one embodiment, the system's n-port m-phase active bridge converter is a two port m-phase active bridge converter, i. an m-phase DAB converter.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Steuereinheit des Systems dazu vorgesehen, die aktiven Schalter gemäß der unmittelbaren Flusssteuerung für Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler zu schalten.In an alternative embodiment, the control unit of the system is arranged to switch the active switches in accordance with the direct flow control for two port m-phase active bridge converters.

Bei einer Ausführungsform ist die Steuereinheit des Systems Teil des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers, wodurch eine kompakte Einheit gebildet wird ohne das Erfordernis, den Dual-Active-Bridge-Wandler in einem zusätzlichen Schritt mit einer externen Steuereinheit zu verbinden.In one embodiment, the control unit of the system is part of the n-port m-phase active bridge converter, thereby forming a compact unit without requiring the dual-active-bridge converter in an additional step with an external control unit connect to.

Figurenlistelist of figures

Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden in den folgenden Zeichnungen genauer offenbart:

  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers, d.h. DAB;
  • 2 zeigt eine Einphasen-Ersatzschaltung der Transformatoren für a) einen Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler; b) einen Dreiportm-Phasen-Active-Bridge-Wandler;
  • 3 zeigt eine unmittelbare Flusssteuerung zum Schalten eines Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers zum Vermeiden eines DC-Offsets im Magnetisierungsstrom;
  • 4 zeigt Spannungswellenformen einer AC-Eingangsspannung (durchgezogene Linien) und einer AC-Ausgangsspannung (gestrichelte Linien) der unmittelbaren Flusssteuerung mit einer dynamischen Lastwinkeländerung gemäß der vorliegenden Erfindung als Funktion der Zeit t;
  • 5 zeigt Spannungswellenformen einer AC-Eingangsspannung (durchgezogene Linien) und einer AC-Ausgangsspannung (gestrichelte Linien) des Soft-Start-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler als Funktion der Zeit t;
  • 6 zeigt Spannungswellenformen von Relativ-Last-Winkel φ21(°), Dreiphasenströmen IPH(A) und Magnetisierungsstrom IM(A) für Start und Lastwinkeländerung mit einer dem Stand der Technik entsprechenden unmittelbaren Stromsteuerung als Funktion der Zeit t;
  • 7 zeigt Stromwellenformen von Relativ-Last-Winkel φ21(°), Dreiphasenströmen IPH(A) und Magnetisierungsstrom IM(A) für Start und Lastwinkeländerung gemäß dem Soft-Start-Verfahren der vorliegenden Erfindung als Funktion der Zeit t;
  • 8 zeigt a) Heranzoomen der Magnetisierungsströme von 6 ohne Start-Verfahren; b) Heranzoomen der Magnetisierungsströme von 7 mit dem Soft-Start-Verfahren;
  • 9 zeigt Stromwellenformen von φ21(°),IPH(A) und IM(A) für Start und Lastwinkeländerung gemäß dem Soft-Start-Verfahren und dem Verfahren zur unmittelbaren Flussstromsteuerung der vorliegenden Erfindung als Funktion der Zeit t;
  • 10 zeigt a) Heranzoomen der Magnetisierungsströme während der Leistungsumkehr in 7 nur mit dem Soft-Start-Verfahren; b) Heranzoomen der Magnetisierungsströme während der Leistungsumkehr in 9 mit dem Soft-Start-Verfahren und der unmittelbaren Flusssteuerung;
  • 11 zeigt ein Verfahren zur unmittelbaren Flusssteuerung für einen n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 12 zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei (a) die Steuereinheit separat von dem n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler angeordnet ist und (b) die Steuereinheit Teil des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers ist.
These and other aspects of the invention are more fully disclosed in the following drawings:
  • 1 shows a schematic view of a two-port three-phase active bridge converter, ie DAB;
  • 2 shows a single-phase equivalent circuit of the transformers for a) a two-port m-phase active bridge converter; b) a three port phase-to-active bridge converter;
  • 3 shows an immediate flow control for switching a two-port three-phase active bridge converter to avoid a DC offset in the magnetizing current;
  • 4 FIG. 12 shows voltage waveforms of an AC input voltage (solid lines) and an AC output voltage (dashed lines) of the direct flow control with a dynamic load angle change according to the present invention as a function of time t ;
  • 5 FIG. 12 shows voltage waveforms of an AC input voltage (solid lines) and an AC output voltage (broken lines) of the soft-start method according to the present invention for a two-port three-phase active bridge converter as a function of time t ;
  • 6 shows voltage waveforms of relative load angle φ 21 (°) , Three-phase currents I PH (A) and magnetizing current IM (A) for start and load angle change with prior art instantaneous current control as a function of time t ;
  • 7 shows current waveforms of relative load angle φ 21 (°) , Three-phase currents I PH (A) and magnetizing current IM (A) for start and load angle change according to the soft-start method of the present invention as a function of time t ;
  • 8th shows a) Zoom in of the magnetization currents of 6 without start procedure; b) Zooming in of the magnetization currents of 7 with the soft-start procedure;
  • 9 shows current waveforms of φ 21 (°) . I PH (A) and IM (A) for start and load angle change according to the soft-start method and method for immediate flow-current control of the present invention as a function of time t ;
  • 10 shows a) zooming of the magnetization currents during power reversal in 7 only with the soft-start procedure; b) Zooming in of magnetization currents during power inversion 9 with the soft-start method and the immediate flow control;
  • 11 shows a method for immediate flow control for an n-port m-phase active bridge converter according to the present invention; and
  • 12 shows a system according to the present invention, wherein (a) the control unit is arranged separately from the n-port m-phase active bridge converter and (b) the control unit is part of the n-port m-phase active Bridge converter is.

Detaillierte Beschreibung der AusführungsformenDetailed description of the embodiments

1 zeigt eine schematische Ansicht eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers mit n=2 und m=3, der auch als Dreiphasen-Dual-Active-Bridge- (DAB) Wandler bezeichnet wird. Der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler 10 weist eine Anzahl von frei wählbaren Ports auf, die mit k, i ⊆ 1, 2, .., n bezeichnet sind und wobei m ≥ 1 und n ≥ 2 ist. Jeder Port 1, 2, 3, ..., n kann als Eingangs- oder Ausgangsport betrieben werden. Jeder der Ports 1, 2, 3, ..., n weist ferner mindestens m Phasenzweige 16 mit mehreren aktiven Schaltern 17, 19 auf, bei dem vorliegenden Beispiel drei Phasenzweige. Eine Phasenverschiebung 20 ist zwischen den Phasenzweigen 16 jedes Ports 1, 2, 3, ..., n definiert. Während der Ausdruck „Phasenverschiebung“ eine Differenz bei den Phasen zwischen AC-Spannungen der Phasenzweige innerhalb desselben Ports, wie in 5 gezeigt, bezeichnet, kann das Verb „Phase verschieben“ oder „Phasen verschieben“ eine Modifikation eines zu verschiebenden Absolut-Last-Winkels φ1 , φ1 , ..., φi bezeichnen. Dies kann nur einen Phasenzweig betreffen. Letzteres kann auch als „Ändern eines Lastwinkels γ zu einem Lastwinkel z“ beschrieben werden, um Verwirrung zu vermeiden. Die Ports können eine DC-Spannung U in eine AC-Spannung v und umgekehrt umwandeln, wobei bei Standardbetrieb der (die) Eingangsport(s) eine DC-Eingangsspannung Uin in eine AC-Ausgangsspannung umwandelt (umwandeln) und der (die) Ausgangsport(s) eine AC-Ausgangsspannung in eine DC-Ausgangsspannung Uout umwandelt (umwandeln). Die Ports 1, 2, 3, ..., n sind über einen m-Phasen-Transformator 25 oder über separate m Transformatoren 25, die jeweils mit jedem der m Phasenzweige 16 jedes der n Ports 1, 2, 3, ..., n verbunden sind, verbunden, um eine Leistung zu den Ports zu übertragen. Die Schalter 17, 19 der Phasenzweige 16 werden durch eine Steuereinheit 30 gemäß der unmittelbaren Flusssteuerung 100 betrieben, um zumindest einen Anfangs-DC-Offset 32 in einem Magnetisierungsstrom IM zu verringern. Der Ausgangsport des Zweiport-Active-Bridge- (DAB) Wandlers kann als Primärseite 14 bezeichnet werden, die drei Phasenzweige A1, A2, A3 16 mit einem oberen aktiven Schalter 17 und einem unteren aktiven Schalter 19 pro Phasenzweig 16 aufweist. 1 shows a schematic view of an n-port m-phase active bridge converter with n = 2 and m = 3, which is also referred to as a three-phase dual active bridge (DAB) converter. The n-port m-phase active bridge converter 10 has a number of freely selectable ports labeled k, i ⊆ 1, 2, .., n and where m ≥ 1 and n ≥ 2. Every port 1 . 2 . 3 . .. ., n can be operated as an input or output port. Each of the ports 1 . 2 . 3 . .. ., n also has at least m phase branches 16 with several active switches 17 . 19 on, in the present example, three phase branches. A phase shift 20 is between the phase branches 16 every port 1 . 2 . 3 . .. ., n Are defined. While the term "phase shift" means a difference in the phases between AC voltages of the phase legs within the same port, as in 5 2, the verb "phase shift" or "phase shift" may be a modification of an absolute load angle to be shifted φ 1 . φ 1 , ..., φ i describe. This can only affect one phase branch. The latter may also be described as "changing a load angle γ to a load angle z" to avoid confusion. The ports can have a DC voltage U in an AC voltage v and vice versa, where, in standard operation, the input port (s) is a DC input voltage U in into an AC output voltage, and the output port (s) converts an AC output voltage to a DC output voltage U out converts (convert). The ports 1 . 2 . 3 . .. ., n are over an m-phase transformer 25 or via separate m transformers 25 , each with each of the m phase branches 16 each of the n ports 1 . 2 . 3 . .. ., n are connected to transmit power to the ports. The switches 17 . 19 the phase branches 16 be through a control unit 30 according to the direct flow control 100 operated to at least an initial DC offset 32 in a magnetizing current I M to reduce. The output port of the two-port Active Bridge (DAB) converter can be used as the primary side 14 be designated, the three phase branches A1 . A2 . A3 16 with an upper active switch 17 and a lower active switch 19 per phase branch 16 having.

Der Ausgangsport des DAB-Wandlers kann als Sekundärseite 15 bezeichnet werden, die drei Phasenzweige B1, B2, B3 16 mit einem oberen aktiven Schalter 17 und einem unteren aktiven Schalter 19 pro Phasenzweig 16 aufweist. Die Potentialknoten 11, 12, 13 auf den Phasenzweigen der Primärseite und 21, 22, 23 auf den Phasenzweigen der Sekundärseite sind mit dem Transformator 25 verbunden. The output port of the DAB converter can be used as a secondary side 15 be designated, the three phase branches B1 . B2 . B3 16 with an upper active switch 17 and a lower active switch 19 per phase branch 16 having. The potential nodes 11 . 12 . 13 on the phase branches of the primary side and 21 . 22 . 23 on the phase branches of the secondary side are connected to the transformer 25 connected.

2 zeigt eine Einphasen-(m=1) Ersatzschaltung für a) einen Zweiport-Transformator (n=2) und b) einen Dreiport-Transformator (n=3). v1 , v2 und v3 bezeichnen eine unmittelbar Phasenspannung von Port 1, 2 und 3 der Einphasen-Ersatzschaltung, und Ls1 , Ls2 , Ls3 bezeichnen die Leckinduktivität der Transformatorwicklung von Port 1, 2, 3 bezogen auf die Seite von Port 1 in der Einphasen-T-Ersatzschaltung und Lm die Magnetisierungsinduktivität, die üblicherweise signifikant höher ist als die Leckinduktivitäten. 2b) kann als Beispiel zum Ableiten der Gleichung zum Berechnen eines Lastwinkels φi mit i≤3 und dann der Extrapolation zu i=n, wobei n die Anzahl von Ports ist, verwendet werden. Zum Berechnen der DC-Zwischenkreis-Spannung U1 , U2 , U3 am Port 1, 2, 3 wird das Transformatorwindungsverhältnis N11 , N12 , N13 zwischen dem Port 1 und Port 1, 2, 3, wobei N11=1 ist, weiter definiert. Die vorgegeben Relativ-Last-Winkel φ21 , φ31 von Port 2 und 3 relativ zu Port 1 und die Differenz des Kraftflusses in der Magnetisierungsinduktivität ΔΦm beim Durchführen eines Schritts von φ21, φ31=0 zu frei wählbarem φ21 , φ31 sind ebenfalls definiert. Zum Berechnen des gesuchten Lastwinkels φ1 , φ2 , φ3 für die unmittelbare Flusssteuerung einer frei gewählten Phase von Port 1, 2, 3 relativ zu einer festen referenzierten Wellenform wird folgendes angegeben: φ 21 = φ 2 φ 1 φ 31 = φ 3 φ 1 ( 1 ) φ 2 = φ 21 + φ 1 φ 3 = φ 31 + φ 1 ( 2 )

Figure DE202017007011U1_0011
2 shows a single-phase (m = 1) equivalent circuit for a) a two-port transformer (n = 2) and b) a three-port transformer (n = 3). v 1 . v 2 and v 3 denote an immediate phase voltage of port 1 . 2 and 3 the single-phase equivalent circuit, and L s1 . L s2 . L s3 denote the leakage inductance of the transformer winding of port 1 . 2 . 3 relative to the side of port 1 in the single-phase T Replacement circuit and L m the magnetizing inductance, which is usually significantly higher than the leakage inductances. 2 B) For example, to derive the equation for calculating a load angle φ i with i ≤ 3 and then the extrapolation to i = n, where n is the number of ports, may be used. For calculating the DC link voltage U 1 . U 2 . U 3 at the port 1 . 2 . 3 becomes the transformer winding ratio N 11 . N 12 . N 13 between the port 1 and port 1 . 2 . 3 where N11 = 1, further defined. The default relative load angle φ 21 . φ 31 from port 2 and 3 relative to port 1 and the difference in the flux of force in the magnetizing inductance ΔΦ m in making a step of φ 21 , φ 31 = 0 to arbitrary one φ 21 . φ 31 are also defined. To calculate the desired load angle φ 1 . φ 2 . φ 3 for direct flow control of a freely chosen phase of port 1 . 2 . 3 relative to a fixed referenced waveform, the following is indicated: φ 21 = φ 2 - φ 1 φ 31 = φ 3 - φ 1 ( 1 ) φ 2 = φ 21 + φ 1 φ 3 = φ 31 + φ 1 ( 2 )
Figure DE202017007011U1_0011

Die Gleichung für die Magnetisierungs-AC-Spannung vm in der Ersatzschaltung von 2b lautet: ν m = L s2 / / L s3 L s1 + L s2 / / L s3 ν 1 + L s1 / / L s3 L s2 + L s1 / / L s3 N 12 ν 2 + L s1 / / L s2 L s3 + L s1 / / L s2 N 13 ν 3 ( 3 ) ν m = L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 ν 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 12 ν 2                              + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 ν 3 ( 4 )

Figure DE202017007011U1_0012
The equation for the magnetization AC voltage v m in the equivalent circuit of 2 B is: ν m = L s2 / / L s3 L s1 + L s2 / / L s3 ν 1 + L s1 / / L s3 L s2 + L s1 / / L s3 N 12 ν 2 + L s1 / / L s2 L s3 + L s1 / / L s2 N 13 ν 3 ( 3 ) ν m = L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 ν 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 12 ν 2 + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 ν 3 ( 4 )
Figure DE202017007011U1_0012

Wenn sämtliche vorgegebenen Relativ-Last-Winkel gleich null sind, beträgt die Differenz beim Magnetisierungskraftfluss: Δ Φ m L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 U 1 φ 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 n 12 U 2 φ 2                            + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 U 3 φ 3 = ! 0

Figure DE202017007011U1_0013
If all given relative load angles are equal to zero, the difference in magnetizing force flux is: Δ Φ m α L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 U 1 φ 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 n 12 U 2 φ 2 + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 U 3 φ 3 = ! 0
Figure DE202017007011U1_0013

Beim Einsetzen der Gleichung (2) und Auflösen nach φ1 L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 U 1 φ 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 12 U 2 ( φ 21 + φ 1 )                    + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 U 3 ( φ 31 + φ 1 ) = 0 ( 6 )                    φ 1 = L s1 L s3 N 12 U 2 φ 21 + L s1 L s2 N 13 U 3 φ 31 L s2 L s3 U 1 + L s1 L s3 N 12 U 2 + L s1 L s2 N 13 U 3 ( 7 )

Figure DE202017007011U1_0014
wobei φ1 auch in der folgenden Form geschrieben werden kann: φ 1 = φ 21 N 12 U 2 L s2 + φ 31 N 13 U 3 L s3 U 1 L s1 + N 12 U 2 L s2 + N 13 U 3 L s3
Figure DE202017007011U1_0015
und φ2 sowie φ3 durch Einsetzen von φ1 aus Gleichung (7) in (2) abgeleitet werden. Die generalisierte Gleichung für einen beliebigen Lastwinkel φi von Port i mit i ⊆ 1, 2,.., n: φ i = k = 1, k i n ( N 1k U k j = 1, j k n L sj φ ki ) k = 1 n ( N 1k U k j = 1, j k n L j )
Figure DE202017007011U1_0016
die auch geschrieben werden kann als: φ i = k = 1, k i n φ k 1 N 1k U k L s k k = 1 n N 1k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0017
When substituting equation (2) and resolving for φ 1 L s2 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 U 1 φ 1 + L s1 L s3 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 12 U 2 ( φ 21 + φ 1 ) + L s1 L s2 L s1 L s2 + L s2 L s3 + L s1 L s3 N 13 U 3 ( φ 31 + φ 1 ) = 0 ( 6 ) φ 1 = - L s1 L s3 N 12 U 2 φ 21 + L s1 L s2 N 13 U 3 φ 31 L s2 L s3 U 1 + L s1 L s3 N 12 U 2 + L s1 L s2 N 13 U 3 ( 7 )
Figure DE202017007011U1_0014
where φ 1 can also be written in the following form: φ 1 = - φ 21 N 12 U 2 L s2 + φ 31 N 13 U 3 L s3 U 1 L s1 + N 12 U 2 L s2 + N 13 U 3 L s3
Figure DE202017007011U1_0015
and φ 2 such as φ 3 by inserting φ 1 from equation (7) in (2). The generalized equation for any load angle φ i of port i with i ⊆ 1, 2, .., n: φ i = - Σ k = 1, k i n ( N 1k U k Π j = 1, j k n L sj φ ki ) Σ k = 1 n ( N 1k U k Π j = 1, j k n L j )
Figure DE202017007011U1_0016
which can also be written as: φ i = - Σ k = 1, k i n φ k 1 N 1k U k L s k Σ k = 1 n N 1k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0017

Für die zu implementierende unmittelbare Flusssteuerung zum Schalten eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers zur Vermeidung eines DC-Offsets im Magnetisierungsstrom sollte die Schaltperiode T in m Intervalle 38 aufgeteilt 110 werden, wenn m eine gerade Zahl ist, und in 2*m Intervalle 38, wenn m eine ungerade Zahl ist. Die Intervalle 38 selbst definieren Intervallgrenzen 40 zum Schalten der aktiven Schalter 17, 19, wobei jedes Intervall zwei Grenzen (links, rechts oder Anfang, Ende) definiert. Die zu übertragende Leistung des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers 10, die einem vorgegebenen Relativ-Last-Winkel φi1i1 zwischen einem Lastwinkel φi eines frei wählbaren Ports i und einem Absolut-Last-Winkel φ1 eines Referenzports 1 entspricht, sollte vorbestimmt 120 werden. Die aktiven Schalter 17, 19 der n Ports 1 sollten derart geschaltet 130 werden, dass sich jeder Phasenzweig 16 eines frei wählbaren Ports i um den Absolut-Last-Winkel φi relativ zu den Intervallgrenzen 40 eines beliebigen der Intervalle 38, in denen die AC-Spannung v der m Phasenzweige 16 ihr Vorzeichen ändert, verschiebt, wobei φi wie in Gleichung 10 berechnet wird, wobei Uk die DC-Spannung an einem frei wählbaren Port k mit k ⊆ 1, 2, 3,..., n und k#i ist, Lsk eine Leckinduktivität der Transformatorwicklung von Port k referenziert auf Port i=1 ist und N1k ein Transformatorwindungsverhältnis zwischen dem Port i=1 und Port k ist und φk1 der vorgegebene Relativ-Last-Winkel zwischen Port k mit k≠i und Port 1 ist.For the immediate flow control to be implemented for switching an n-port m-phase active bridge converter to avoid a DC offset in the magnetizing current, the switching period should T in m intervals 38 divided up 110 if m is an even number and in 2 * m intervals 38 if m is an odd number. The intervals 38 even define interval limits 40 for switching the active switches 17 . 19 , where each interval defines two boundaries (left, right or beginning, end). The power of the n-port m-phase active bridge converter to be transmitted 10 corresponding to a given relative load angle φ i1 = φ i1 between a load angle φ i a freely selectable port i and an absolute load angle φ 1 a reference port 1 corresponds, should be predetermined 120 become. The active switches 17 . 19 the n ports 1 should be switched like this 130 be that every phase branch 16 a freely selectable port i around the absolute load angle φ i relative to the interval limits 40 any of the intervals 38 in which the AC voltage v the m phase branches 16 their sign changes, shifts, where φ i as calculated in Equation 10, where U k the DC voltage is at a freely selectable port k with k ⊆ 1, 2, 3, ..., n and k # i, L sk a leakage inductance of the transformer winding of port k referenced to port i = 1 is and N 1k a transformer turn ratio between the port i = 1 and port k is and φk1 the given relative load angle between port k with k ≠ i and port 1 is.

3 zeigt eine unmittelbare Flusssteuerung zum Schalten eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers zum Vermeiden eines DC-Offsets im Magnetisierungsstrom bei einer vereinfachten Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler-Topologie für eine Periode T. Der primärseitige Lastwinkel φp entspricht einem allgemeinen Lastwinkel φi eines Ports 1, und der Sekundär-Lastwinkel φs entspricht einem allgemeinen Lastwinkel φ2 eines Ports 2. Da die Anzahl von Phasen drei beträgt, ist die Anzahl von Intervallen 38 gleich sechs. Die sechs Intervalle definieren die sieben Intervallgrenzen 40 zu Zeiten to, to+T/6, to+T/3, to+T/2, to+2T/3, t0+5T/6 und to+T. Eine AC-Spannung des ersten Phasenzweigs auf der Primärseite 111 wird daher bei t0 um den Lastwinkel φp verschoben, und entsprechend wird eine AC-Spannung des ersten Phasenzweigs auf der Sekundärseite 121 daher bei t0 um den Lastwinkel φs verschoben. Die gleichen AC-Spannungen 111 und 121 werden bei t0+T/2 und t0+T um φp beziehungsweise φs verschoben. Der Zeitpunkt der Verschiebung entspricht immer der Spannungswelle, wenn diese einen Nulldurchgang durchführt und daher ihr Vorzeichen ändert. Der Grund für die Vorzeichenänderung ist das Schalten von Ein zu Aus oder umgekehrt. Auf die gleiche Weise wird eine AC-Spannung des zweiten Phasenzweigs auf der Primärseite 112 ebenfalls bei t0+T/3 um den Lastwinkel φp verschoben, und entsprechend wird daher eine AC-Spannung des zweiten Phasenzweigs auf der Sekundärseite 122 bei t0+T/3 um den Lastwinkel φs verschoben. Die gleichen AC-Spannungen 112 und 122 werden bei t0+5T/6 um φp beziehungsweise φs verschoben. Eine AC-Spannung des dritten Phasenzweigs auf der Primärseite 113 wird dann bei t0+T/6 um den Lastwinkel φp verschoben, und entsprechend wird eine AC-Spannung des dritten Phasenzweigs auf der Sekundärseite 123 ebenfalls bei t0+T/6 um den Lastwinkel φs verschoben. Die gleichen AC-Spannungen 113 und 123 werden bei t0+2T/3 um φp beziehungsweise φs verschoben. Dieses Verfahren wird als unmittelbare Flusssteuerung bezeichnet und vermeidet DC-Offsets von Magnetisierungsströmen. 3 Figure 11 shows an immediate flow control for switching an n-port m-phase active bridge converter to avoid a DC offset in the magnetizing current in a simplified two-port three-phase active bridge converter topology for one period T , The primary load angle φ p corresponds to a general load angle φ i a port 1 , and the secondary load angle φ s corresponds to a general load angle φ 2 a port 2 , Since the number of phases is three, the number of intervals is 38 six. The six intervals define the seven interval limits 40 at times to, to + T / 6, to + T / 3, to + T / 2, to + 2T / 3, t 0 + 5T / 6 and to + T. An AC voltage of the first phase branch on the primary side 111 is therefore at t 0 to the load angle φ p shifted, and accordingly, an AC voltage of the first phase branch on the secondary side 121 therefore at t 0 around the load angle φ s postponed. The same AC voltages 111 and 121 are transformed at t 0 + T / 2 and t 0 + T φ p respectively φ s postponed. The time of the shift always corresponds to the voltage wave when it makes a zero crossing and therefore changes its sign. The reason for the sign change is switching from on to off or vice versa. In the same way, an AC voltage of the second phase leg on the primary side becomes 112 also at t 0 + T / 3 around the load angle φ p accordingly, and accordingly, an AC voltage of the second phase leg on the secondary side becomes 122 at t 0 + T / 3 around the load angle φ s postponed. The same AC voltages 112 and 122 become um at t 0 + 5T / 6 φ p respectively φ s postponed. An AC voltage of the third phase branch on the primary side 113 then becomes t 0 + T / 6 around the load angle φ p shifted, and accordingly, an AC voltage of the third phase branch on the secondary side 123 also at t 0 + T / 6 around the load angle φ s postponed. The same AC voltages 113 and 123 become um at t 0 + 2T / 3 φ p respectively φ s postponed. This method is called direct flow control and avoids DC offsets of magnetization currents.

Für eine dynamische Änderung des Lastwinkels kann die unmittelbare Flusssteuerung angewendet werden, um einen DC-Offset im Magnetisierungsstrom zu vermeiden. Für einen Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler definiert das Verfahren einen Phasenverschiebungsfaktor x, der aus der folgenden Gleichung resultiert: x = φ 1 / φ 21 = N 12 * L s 1 * U 2 / ( L s2 * U 1 + N 12 * L s1 * U 2 )

Figure DE202017007011U1_0018
wobei U1 und U2 die DC-Spannungen an Port 1 und Port 2 bezeichnen, Ls1 und Ls2 die Leckinduktivitäten von Port 1 und Port 2 bezogen auf die Seite von Port 1 bezeichnen, φ1 den Absolut-Last-Winkel von Port 1 berechnet gemäß dem Verfahren 100 nach Anspruch 1 bezeichnet, φ21 den vorgegebenen Relativ-Last-Winkel zwischen Port 2 und Port 1 bezeichnet und N12 das Windungsverhältnis des Transformators 25 zwischen Port 1 und Port 2 bezeichnet und zum Einstellen des Schaltens der Phasenzweige mit einem entsprechenden Relativ-Last-Winkel verwendet wird.For a dynamic load angle change, direct flux control can be used to avoid DC offset in the magnetizing current. For a two port m-phase active bridge converter, the method defines a phase shift factor x resulting from the following equation: x = - φ 1 / φ 21 = N 12 * L s 1 * U 2 / ( L s2 * U 1 + N 12 * L s1 * U 2 )
Figure DE202017007011U1_0018
in which U 1 and U 2 the DC voltages at port 1 and port 2 describe, L s1 and L s2 the leakage inductances of Port 1 and port 2 relative to the side of port 1 describe, φ 1 the absolute load angle of port 1 calculated according to the procedure 100 according to claim 1, φ 21 the given relative load angle between port 2 and port 1 designated and N 12 the turns ratio of the transformer 25 between port 1 and port 2 and used to adjust the switching of the phase legs with a corresponding relative load angle.

4 zeigt das Verfahren zur unmittelbaren Flussstromsteuerung, das bei einer Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Topologie angewendet wird. In dem Schaltdiagramm von 4 ändert sich der vorgegebene Relativ-Last-Winkel φi1 dynamisch von einem ersten Lastwinkel φ21,a zu einem zweiten Lastwinkel φ21,b , wobei ein Zwischen-Lastwinkel φ21,t als φ21,t=(exp(-1/(2*f*T))*(φ21,a21,b)/(exp(-1/(2*f*τ))+1) mit τ=(Ls1 +N12 2∗Ls2)/Rw definiert ist, wobei Rw ein Gesamt-Wicklungswiderstand des Transformators ist. Für die drei Phasen umfasst das Schaltverfahren sechs Intervalle t0+T/6, t0+T/3, t0+T/2, t0+2T/3, t0+5T/6, t0+T ab einem Startpunkt t0 , und das Schalten wird wie folgt durchgeführt:

  • - beim Referenzzeitpunkt to: Schalten von Phasenzweig A1, das die Phasenverschiebung einer AC-Spannung 111 ist, mit einem Lastwinkel -xφ21,a und Schalten von Phasenzweig B1, das die Phasenverschiebung einer AC-Spannung 121 ist, mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,a;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+T/6: Schalten von Phasenzweig A3, das die Phasenverschiebung einer AC-Spannung 113 ist, mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B3, das die Phasenverschiebung einer AC-Spannung 123 ist, mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,t;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+T/3: Schalten von Phasenzweig A2, das die Phasenverschiebung einer AC-Spannung 112 ist, mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B2, das die Phasenverschiebung einer AC-Spannung 122 ist, mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,t;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+T/2: Schalten von Phasenzweig A1, das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 111 ist, mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B1, das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 121 ist, mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,t;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+2T/3: Schalten von Phasenzweig A3, das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 113 ist, mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B3, das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 123 ist, mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b;
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+5T/6: Schalten von Phasenzweig A2, das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 112 ist, mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B2, das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 122 ist, mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b; und
  • - beim Referenzzeitpunkt t0+T: Schalten von Phasenzweig A1, das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 111 ist, mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B1, das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 111 ist, mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b,
wobei x der Phasenverschiebungsfaktor x ist. 4 Figure 11 shows the immediate flux control method used in a two-port three-phase Active Bridge topology. In the circuit diagram of 4 changes the given relative load angle φ i1 dynamically from a first load angle φ 21, a to a second load angle φ 21, b where an intermediate load angle φ 21, t as φ 21, t = (exp (-1 / (2 * f * T)) * (φ 21, a + φ 21, b ) / (exp (-1 / (2 * f * τ)) + 1) with τ = ( L s1 + N 12 2 * L s2 ) / R w is defined, where R w is a total winding resistance of the transformer. For the three phases, the switching method comprises six intervals t 0 + T / 6, t 0 + T / 3, t 0 + T / 2, t 0 + 2T / 3, t 0 + 5T / 6, t 0 + T from one starting point t 0 , and the switching is done as follows:
  • - at reference time to: switching phase branch A1 , which is the phase shift of an AC voltage 111 is, with a load angle -xφ 21, a and switching phase branch B1 , which is the phase shift of an AC voltage 121 is, with a load angle (1-x) φ 21, a ;
  • - at reference time t 0 + T / 6: switching of phase branch A3 , which is the phase shift of an AC voltage 113 is, with a load angle -xφ 21, t and switching phase branch B3 , which is the phase shift of an AC voltage 123 is, with a load angle (1-x) φ 21, t ;
  • - at reference time t 0 + T / 3: switching of phase branch A2 , which is the phase shift of an AC voltage 112 is, with a load angle -xφ 21, t and switching phase branch B2 , which is the phase shift of an AC voltage 122 is, with a load angle (1-x) φ 21, t ;
  • - at reference time t 0 + T / 2: switching of phase branch A1 , which is the phase shift of the AC voltage 111 is, with a load angle -xφ 21, t and switching phase branch B1 , which is the phase shift of the AC voltage 121 is, with a load angle (1-x) φ 21, t ;
  • - at reference time t 0 + 2T / 3: switching of phase branch A3 , which is the phase shift of the AC voltage 113 is, with a load angle -xφ 21, b and switching phase branch B3 , which is the phase shift of the AC voltage 123 is, with a load angle (1-x) φ 21, b ;
  • - at reference time t 0 + 5T / 6: switching of phase branch A2 , which is the phase shift of the AC voltage 112 is, with a load angle -xφ 21, b and switching phase branch B2 , which is the phase shift of the AC voltage 122 is, with a load angle (1-x) φ 21, b ; and
  • - at reference time t 0 + T: switching of phase branch A1 , which is the phase shift of the AC voltage 111 is, with a load angle -xφ 21, b and switching phase branch B1 , which is the phase shift of the AC voltage 111 is, with a load angle (1-x) φ 21, b ,
where x is the phase shift factor x.

5 zeigt die Spannungswellenform eines sogenannten „Soft-Start“-Verfahrens zum Starten des Betriebs eines Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers, wobei DC-Offsets im Magnetisierungsstrom vermieden werden. Das Soft-Start-Verfahren umfasst die Schritte zum Starten des Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers 10 zur Zeit t=to, wobei sämtliche aktiven Schalter 17, 19 für t<to aus sind. Der Dreiphasen-DAB-Wandler weist eine Primärseite 14, die drei Phasenzweige A1, A2, A3 16 mit einem oberen aktiven Schalter 17 und einem unteren aktiven Schalter 19 pro Phasenzweig 16 aufweist. Der Dreiphasen-DAB-Wandler weist ferner eine Sekundärseite 15 auf, die drei Phasenzweige B1, B2, B3 16 mit einem oberen aktiven Schalter 17 und einem unteren aktiven Schalter 19 pro Phasenzweig 16 aufweist. Die Spannung 111 ist als Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 11 des ersten Phasenzweigs auf der Primärseite und dem mittleren Punkt 18 des DC-Zwischenkreises am Eingangsport von 1 definiert. Die Spannung 112 ist als Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 12 des zweiten Phasenzweigs auf der Primärseite und dem mittleren Punkt 18 des DC-Zwischenkreises am Eingangsport von 1 definiert. Die Spannung 113 ist als Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 13 des dritten Phasenzweigs auf der Primärseite und dem mittleren Punkt 18 des DC-Zwischenkreises am Ein- gangsport von 1 definiert. Entsprechend ist die Spannung 121 als Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 21 des ersten Phasenzweigs auf der Sekundärseite und dem mittleren Punkt 28 des DC-Zwischenkreises am Ausgangsport von 1 definiert. Die Spannung 122 ist als Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 22 des zweiten Phasenzweigs auf der Sekundärseite und dem mittleren Punkt 28 des DC-Zwischenkreises am Ausgangsport von 1 definiert. Die Spannung 123 ist als Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 23 des dritten Phasenzweigs auf der Sekundärseite und dem mittleren Punkt 28 des DC-Zwischenkreises am Ausgangsport von 1 definiert. Ferner zeigt 5 rechteckige Spannungswellenformen mit einem Tastgrad von 50 % und einer Frequenz von f=1/T. Die Schaltperiode T wird dann in sechs relevante Intervalle unterteilt: to+T/6, to+T/3, t0+T/2, t0+2T/3, t0+5T/6, t0+T, wobei die Intervallgrenzen bei t0, T/6, T/3, T/2, 2T/3, 5T/6 und T liegen. Die Periode T bis 2T wird vorläufig nicht berücksichtigt. In der ersten Schaltperiode ist der vorgegebene Relativ-Last-Winkel zwischen der primärseitigen Brücke und der sekundärseitigen Brücke 0, wobei die Schalter wie folgt betrieben werden:

  • - zur Zeit t=to Einschalten der oberen aktiven Schalter 17 von Phasenzweigen A1, A2, B1 und B2 und Einschalten der unteren aktiven Schalter 19 von Phasenzweigen A3 und B3;
  • - zur Zeit t0+T/6 Ausschalten der oberen aktiven Schalter 17 von Phasenzweigen A1 und B1 und der unteren aktiven Schalter 19 von Phasenzweigen A3 und B3 und Einschalten der unteren aktiven Schalter 19 von Phasenzweigen A1 und B1 und der oberen aktiven Schalter 17 von Phasenzweigen A3 und B3;
  • - zur Zeit t0+T/3 Ausschalten der oberen aktiven Schalter 17 von Phasenzweigen A2 und B2 und Einschalten der unteren aktiven Schalter 19 von Phasenzweigen A2 und B2;
  • - zur Zeit t0+T/2 Ausschalten der unteren aktiven Schalter 19 von Phasenzweigen A1 und B1 und Einschalten der oberen aktiven Schalter 17 von Phasenzweigen A1 und B1;
  • - zur Zeit t0+2T/3 Ausschalten der oberen aktiven Schalter 17 von Phasenzweigen A3 und B3 und Einschalten der unteren aktiven Schalter 19 von Phasenzweigen A3 und B3;
  • - zur Zeit t0+5T/6 Ausschalten der unteren aktiven Schalter 19 von Phasenzweigen A2, B2 und Einschalten der oberen aktiven Schalter 17 von Phasenzweigen A2 und B2.
5 shows the voltage waveform of a so-called "soft start" method for starting the operation of a two-port three-phase active bridge converter, wherein DC offsets are avoided in the magnetizing current. The soft start method comprises the steps of starting the two port three phase active bridge converter 10 at time t = to, where all active switches 17 . 19 for t <to are off. The three-phase DAB converter has a primary side 14 , the three phase branches A1 . A2 . A3 16 with an upper active switch 17 and a lower active switch 19 per phase branch 16 having. The three-phase DAB converter further has a secondary side 15 on, the three phase branches B1 . B2 . B3 16 with an upper active switch 17 and a lower active switch 19 per phase branch 16 having. The voltage 111 is as Potential difference between the potential node 11 of the first phase branch on the primary side and the middle point 18 of the DC link at the input port of 1 Are defined. The voltage 112 is as a potential difference between the potential node 12 of the second phase branch on the primary side and the middle point 18 of the DC link at the input port of 1 Are defined. The voltage 113 is as a potential difference between the potential node 13 of the third phase branch on the primary side and the middle point 18 of the DC link at the input port of 1 Are defined. The tension is corresponding 121 as potential difference between the potential node 21 of the first phase branch on the secondary side and the middle point 28 of the DC link at the output port of 1 Are defined. The voltage 122 is as a potential difference between the potential node 22 of the second phase branch on the secondary side and the middle point 28 of the DC link at the output port of 1 Are defined. The voltage 123 is as a potential difference between the potential node 23 of the third phase branch on the secondary side and the middle point 28 of the DC link at the output port of 1 Are defined. Further shows 5 rectangular voltage waveforms with a duty cycle of 50% and a frequency of f = 1 / T. The switching period T is then divided into six relevant intervals: to + T / 6, to + T / 3, t 0 + T / 2, t 0 + 2T / 3, t 0 + 5T / 6, t 0 + T, with the interval limits at t0 T / 6 . T / 3 . T / 2 . 2T / 3 . 5T / 6 and T lie. The period T to 2T will not be considered for the time being. In the first switching period, the predetermined relative load angle between the primary-side bridge and the secondary-side bridge 0 , where the switches are operated as follows:
  • - at the time t = to turn on the upper active switch 17 from phase branches A1 . A2 . B1 and B2 and turn on the lower active switch 19 from phase branches A3 and B3 ;
  • - at time t 0 + T / 6 turn off the upper active switch 17 from phase branches A1 and B1 and the lower active switch 19 from phase branches A3 and B3 and turn on the lower active switch 19 from phase branches A1 and B1 and the upper active switch 17 from phase branches A3 and B3 ;
  • - At time t 0 + T / 3 turn off the upper active switch 17 from phase branches A2 and B2 and turn on the lower active switch 19 from phase branches A2 and B2 ;
  • - At time t 0 + T / 2 turn off the lower active switch 19 from phase branches A1 and B1 and turning on the upper active switches 17 from phase branches A1 and B1 ;
  • - at time t 0 + 2T / 3 turn off the upper active switch 17 from phase branches A3 and B3 and turn on the lower active switch 19 from phase branches A3 and B3 ;
  • - at time t 0 + 5T / 6 turn off the lower active switch 19 from phase branches A2 . B2 and turning on the upper active switches 17 from phase branches A2 and B2 ,

Folglich eilt die Spannung 112 am Phasenzweig A2 der Spannung 111 am Phasenzweig A1 um 120° nach. Die Spannung 113 am Phasenzweig A3 eilt der Spannung 111 am Phasenzweig A1 um 240° nach. Die Spannung 121 am Phasenzweig B1 eilt der Spannung 111 am Phasenzweig A1 um 0 nach. Die Spannung 122 am Phasenzweig B2 eilt der Spannung 112 am Phasenzweig A2 um 0 nach. Und die Spannung 123 am Phasenzweig B3 eilt der Spannung 113 am Phasenzweig A3 um 0 nach.Consequently, the tension rushes 112 at the phase branch A2 the tension 111 at the phase branch A1 at 120 °. The voltage 113 at the phase branch A3 rushes the tension 111 at the phase branch A1 240 ° after. The voltage 121 at the phase branch B1 rushes the tension 111 at the phase branch A1 0 after. The voltage 122 at the phase branch B2 rushes the tension 112 at the phase branch A2 0 after. And the tension 123 at the phase branch B3 rushes the tension 113 at the phase branch A3 0 after.

6 zeigt die Stromtransienten im Fall des Starts eines Dreiphasen-DAB-Wandlers und eine schnelle Änderung des Relativ-Last-Winkels φ21 mittels der Stromsteuerung gemäß dem Stand der Technik. 6 zeigt, dass dann, wenn φ21 null ist, der Magnetisierungsstrom IM bereits einen DC-Offset aufweist. Der Magnetisierungsstrom IM und der Phasenstrom IPH werden zu einem großen Überschwingen 32 erregt, der vermieden werden sollte, wenn φ21 von negativ zu positiv wechselt. Die daraus resultierenden DC-Offsets 32 in den Magnetisierungsströmen sind eindeutig sichtbar, und es dauert lange, bis sie abklingen. 6 shows the current transients in the case of starting a three-phase DAB converter and a rapid change in the relative load angle φ 21 by means of the current control according to the prior art. 6 shows that if, then φ 21 is zero, the magnetizing current I M already has a DC offset. The magnetizing current I M and the phase current I PH become a big overshoot 32 excited, which should be avoided if φ 21 changes from negative to positive. The resulting DC offsets 32 in the magnetizing currents are clearly visible and it takes a long time for them to decay.

7 zeigt die Stromwellenformen des Wandlers, wenn das Schaltmuster gemäß dem Soft-Start-Verfahren verwendet wird. Bei Anwendung dieses Verfahrens werden die DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen IM während des Starts nicht erregt im Vergleich zu dem Diagramm, das in 6 gezeigt ist. Die Amplitude von IM in 7 ist viel kleiner als die Amplitude von IM in 6. Wenn sich jedoch der Lastwinkel abrupt ändert, zeigt der Magnetisierungsstrom IM immer noch ein, wenn auch kleineres als in 6 ohne Soft-Start-Verfahren, großes Überschwingen und einen sichtbaren DC-Offset 32. 7 shows the current waveforms of the converter when the switching pattern according to the soft-start method is used. Using this method, the DC offsets become in the magnetizing currents I M not excited during the start compared to the diagram in 6 is shown. The amplitude of I M in 7 is much smaller than the amplitude of I M in 6 , However, when the load angle changes abruptly, the magnetizing current shows I M still one, albeit smaller than in 6 without soft-start procedure, large overshoot and a visible DC offset 32 ,

8 zeigt a) ein Heranzoomen von Magnetisierungsströmen von 6 ohne Soft-Start-Verfahren; b) Heranzoomen von Magnetisierungsströmen von 7 mit Soft-Start-Verfahren. Der Anfangs-Magnetisierungsstrom IM wird in T/6 stabilisiert, wenn das Soft-Start-Verfahren angewendet wird. Der Effekt ist dahingehend eindeutig zu sehen, dass der DC-Offset 32 eliminiert ist. 8th shows a) a zoom in of magnetization currents of 6 without soft-start procedure; b) Zooming in of magnetizing currents of 7 with soft-start procedure. The initial magnetizing current I M is in T / 6 stabilized when the soft start method is used. The effect is clear to see that the DC offset 32 is eliminated.

9 zeigt die Stromwellenformen eines Dreiphasen-DAB-Wandlers bei Verwendung des Schaltmusters gemäß dem Soft-Start-Verfahren und des Schaltmusters gemäß der unmittelbaren Flusssteuerung. Im Vergleich zu 6 und 7 sind die DC-Offsets 32 während des Starts und während einer schnellen Änderung der Relativ-Last-Winkel kleiner, nahezu unsichtbar. Daher kann gesagt werden, dass DC-Offsets eliminiert sind. Was während abrupter Laständerungen zu sehen ist, ist nur ein Überschwingen, das nur für einen halben Schaltzyklus auftreten kann (wonach DC-Offsets 0 sind), das viel kleiner ist. Somit wird mit den Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Erregung des DC-Offsets während des Startens und bei transienten Bedingungen von Laständerungen vermieden. 9 FIG. 12 shows the current waveforms of a three-phase DAB converter using the switching pattern according to the soft start method and the switching pattern according to the direct flow control. Compared to 6 and 7 are the DC offsets 32 during launch and during a quick change in the relative load angle smaller, almost invisible. Therefore, it can be said that DC offsets are eliminated. What can be seen during abrupt load changes is just overshoot, which can only occur for half a switching cycle (after which DC offsets 0 are) much smaller. Thus, with the methods of the present invention, excitation of the DC offset during start up and under transient conditions of load changes is avoided.

10 zeigt a) ein Heranzoomen der Magnetisierungsströme IM während einer Leistungsumkehr in 7 nur bei Soft-Start-Verfahren; b) Heranzoomen der Magnetisierungsströme IM während einer Leistungsumkehr in 9 mit Soft-Start-Verfahren und unmittelbarer Flusssteuerung. In 10b) ist der Magnetisierungsstrom in T/2 während der Leistungsumkehr stabilisiert und ist das Überschwingen (DC-Offset 32) viel kleiner im Vergleich zu der Situation in 10 ohne unmittelbare Flusssteuerung. 10 shows a) a zoom in the magnetization currents I M during a power reversal in 7 only with soft-start procedures; b) Zoom in of the magnetization currents I M during a power reversal in 9 with soft-start procedure and direct flow control. In 10b) is the magnetizing current in T / 2 during the power reversal stabilized and is the overshoot (DC offset 32 ) much smaller compared to the situation in 10 without immediate flow control.

11 zeigt das Verfahren 100 zum Betreiben eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers 10, wobei k, i ⊆ 1, 2,.., n eine Anzahl von frei wählbaren Ports 1, ..., n mit m ≥ 1 und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port 1, ..., n als Eingangsport oder Ausgangsport betrieben werden kann, wobei jeder der Ports 1, ..., n m Phasenzweige 16 mit mehreren aktiven Schaltern 17, 19 aufweist, wobei eine Phasenverschiebung 20 zwischen den Phasenzweigen 16 jedes Ports erfolgt, wobei die Ports eine DC-Spannung U in eine AC-Spannung v und umgekehrt umwandeln können, wobei die Ports 1, ..., n über einen m-Phasen201-Transformator 25 oder über separate m Transformatoren 25, die jeweils mit jedem der m Phasenzweige 16 jedes der n Ports 1, ..., n verbunden sind, verbunden sind, um eine Leistung zwischen den Ports 1, ... n zu übertragen, wobei die Schalter 17, 19 der Phasenzweige 16 über eine Steuereinheit 30 gemäß dem Verfahren 100 betrieben werden, um zumindest einen Anfangs-DC-Offset 32 in einem Magnetisierungsstrom IM zu verringern, umfassend:

  • - Aufteilen 110 einer Schaltperiode T in m Intervalle 38, wenn m eine gerade Zahl ist, und in 2*m Intervalle 38, wenn m eine ungerade Zahl ist, wobei die Intervalle 38 Intervallgrenzen 40 zum Schalten der aktiven Schalter 17, 19 definieren,
  • - Vorbestimmen 120 einer zu übertragenden Leistung des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers 10 entsprechend einem vorgegebenen Relativ-Last-Winkel φi1i1 zwischen einem Lastwinkel φi eines frei wählbaren Ports i und einem Absolut-Last-Winkel φ1 eines Referenzports 1, und
  • - Schalten 130 der aktiven Schalter 17, 19 der n Ports 1 derart, dass sich jeder Phasenzweig 16 eines frei wählbaren Ports i um den Absolut-Last-Winkel φi relativ zu den Intervallgrenzen 40 eines beliebigen der Intervalle 38, in denen die AC-Spannung v der m Phasenzweige 16 ihr Vorzeichen ändert, verschiebt, wobei φi berechnet wird als
φ i = k = 1, k i n φ k 1 N 1k U k L s k k = 1 n N 1k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0019
wobei Uk die DC-Spannung an einem frei wählbaren Port k mit k ⊆ 1, 2, 3,..., n und k≠i ist, Lsk eine Leckinduktivität der Transformatorwicklung des Ports k referenziert auf Port i=1 ist und N1k ein Transformatorwindungsverhältnis zwischen dem Port i=1 und dem Port k ist und φk1 der vorgegebene Relativ-Last-Winkel zwischen dem Port k mit k≠i und dem Port 1 ist. 11 shows the procedure 100 for operating an n-port m-phase active bridge converter 10, where k, i ⊆ 1, 2, .., n are a number of arbitrary ports 1 . .. ., n with m ≥ 1 and n ≥ 2, each port 1 . .. ., n can be operated as an input port or output port, with each of the ports 1 . .. ., nm phase branches 16 with several active switches 17 . 19 having a phase shift 20 between the phase branches 16 each port is made, with the ports being a DC voltage U in an AC voltage v and vice versa, where the ports 1 . .. ., n via a m-phase 201 transformer 25 or via separate m transformers 25 , each with each of the m phase branches 16 each of the n ports 1 . .. ., n are connected to a power between the ports 1 . .. , n, the switches 17 . 19 the phase branches 16 via a control unit 30 according to the method 100 be operated to at least an initial DC offset 32 in a magnetizing current I M to reduce, comprising:
  • - split up 110 a switching period T in m intervals 38 if m is an even number and in 2 * m intervals 38 if m is an odd number, with the intervals 38 interval limits 40 for switching the active switches 17 . 19 define,
  • - Predict 120 a power to be transmitted of the n-port m-phase active bridge converter 10 according to a predetermined relative load angle φ i1 = φ i1 between a load angle φ i a freely selectable port i and an absolute load angle φ 1 a reference port 1 , and
  • - Switch 130 the active switch 17 . 19 the n ports 1 such that each phase branch 16 a freely selectable port i around the absolute load angle φ i relative to the interval limits 40 any of the intervals 38 in which the AC voltage v the m phase branches 16 their sign changes, shifts, where φ i is calculated as
φ i = - Σ k = 1, k i n φ k 1 N 1k U k L s k Σ k = 1 n N 1k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0019
in which U k the DC voltage is at a freely selectable port k with k ⊆ 1, 2, 3, ..., n and k ≠ i, L sk a leakage inductance of the transformer winding of port k referenced to port i = 1 is and N 1k a transformer winding ratio between the port i = 1 and the port k is and φk1 the given relative load angle between the port k with k ≠ i and the port 1 is.

12 zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem (a) die Steuereinheit separat von dem n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler angeordnet ist und (b) die Steuereinheit Teil des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers ist. 12 Figure 4 shows a system according to the present invention, in which (a) the control unit is arranged separately from the n-port m-phase active bridge converter and (b) the control unit is part of the n-port m-phase active Bridge converter is.

Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung detailliert dargestellt und beschrieben worden ist, darf eine solche Darstellung und Beschreibung nur veranschaulichend oder exemplarisch, aber nicht einschränkend verstanden werden.While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and foregoing description, such illustration and description should be considered illustrative only or exemplary, but not limiting.

Aus der vorliegenden Offenbarung werden weiteren Modifikationen für Fachleute auf dem Sachgebiet offensichtlich. Solche Modifikationen können weitere Merkmale umfassen, die auf dem Sachgebiet bereits bekannt sind und die statt der oder zusätzlich zu den hier bereits beschriebenen Merkmalen verwendet werden können.Other modifications will become apparent to those skilled in the art from the present disclosure. Such modifications may include other features that are already in the art are known and can be used instead of or in addition to the features already described here.

Variationen der offenbarten Ausführungsformen können für Fachleute auf dem Sachgebiet durch Studieren der Zeichnungen, der Offenbarung und der beiliegenden Ansprüche verständlich werden und von diesen in die Praxis umgesetzt werden. In den Ansprüchen schließt der Ausdruck „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl von Elementen oder Schritten nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in den unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahme nicht vorteilhaft genutzt werden kann.Variations of the disclosed embodiments may be understood and made practical to those skilled in the art by studying the drawings, the disclosure, and the appended claims. In the claims, the term "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" or "an" does not exclude a plurality of elements or steps. The mere fact that certain measures are listed in the different dependent claims does not indicate that a combination of these measures can not be used to advantage.

Bezugszeichen in den Ansprüchen dürfen nicht als deren Umfang einschränkend verstanden werden.Reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope thereof.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 2, 3,...,n1, 2, 3, ..., n
beliebiger Port eines Gleichspannungswandlersany port of a DC-DC converter
1010
n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlern-Port-m-phase bridge converter Active
1111
erster Potentialknoten des ersten Phasenzweigs auf der Primärseite, der mit dem Transformator verbunden istfirst potential node of the first phase leg on the primary side, which is connected to the transformer
1212
zweiter Potentialknoten des zweiten Phasenzweigs auf der Primärseite, der mit dem Transformator verbunden istsecond potential node of the second phase leg on the primary side, which is connected to the transformer
1313
dritter Potentialknoten des dritten Phasenzweigs auf der Primärseite, der mit dem Transformator verbunden istthird potential node of the third phase branch on the primary side, which is connected to the transformer
1414
Primärseite eines DABPrimary side of a DAB
1515
Sekundärseite eines DABSecondary side of a DAB
UU
DC-SpannungDC voltage
vv
AC-SpannungAC voltage
Uin U in
DC-EingangsspannungDC input voltage
vin v in
AC-EingangsspannungAC input voltage
Uout U out
DC-AusgangsspannungDC output voltage
vout v out
AC-AusgangsspannungAC output voltage
v1 v 1
AC-Spannung von Port 1 AC voltage from port 1
v2 v 2
AC-Spannung von Port 2 AC voltage from port 2
v3 v 3
AC-Spannung von Port 3 AC voltage from port 3
1616
Phasenzweigephase arms
1717
obere aktive Schalterupper active switch
1818
mittlerer Punkt des DC-Zwischenkreises auf der Primärseitemiddle point of the DC link on the primary side
1919
untere aktive Schalterlower active switch
2020
Phasenverschiebungphase shift
2121
erster Potentialknoten des ersten Phasenzweigs auf der Sekundärseite, der mit dem Transformator verbunden istfirst potential node of the first phase leg on the secondary side, which is connected to the transformer
2222
zweiter Potentialknoten des zweiten Phasenzweigs auf der Sekundärseite, der mit dem Transformator verbunden istsecond potential node of the second phase leg on the secondary side, which is connected to the transformer
2323
dritter Potentialknoten des dritten Phasenzweigs auf der Sekundärseite, der mit dem Transformator verbunden istthird potential node of the third phase branch on the secondary side, which is connected to the transformer
2525
Transformatortransformer
2828
mittlerer Punkt des DC-Zwischenkreises auf der Sekundärseitemiddle point of the DC link on the secondary side
30 30
Steuereinheitcontrol unit
3232
DC-OffsetDC offset
IM I M
Magnetisierungsstrommagnetizing
Lm L m
Magnetisierungsinduktivitätmagnetizing
Ls1 L s1
Leckinduktivität von Port 1 Leakage inductance of port 1
Ls2 L s2
Leckinduktivität von Port 2 Leakage inductance of port 2
Ls3 Ls 3
Leckinduktivität von Port 3 Leakage inductance of port 3
TT
Schaltperiodeswitching period
3838
Intervalleintervals
4040
Intervallgrenzeninterval limits
φφ
Lastwinkelload angle
φi1 φ i1
Relativ-Last-Winkel zwischen einem Port i referenziert auf Port 1 Relative load angle between a port i referenced to port 1
φi.phi..sub.i
Absolut-Last-Winkel von Port iAbsolute load angle of port i
φp φ p
Absolut-Last-Winkel der Primärseite von DAB (Port 1)Absolute load angle of the primary side of DAB (Port 1 )
φs φ s
Absolut-Last-Winkel der Sekundärseite von DAB (Port 2)Absolute load angle of the secondary side of DAB (Port 2 )
A1A1
erster Phasenzweig auf der Primärseitefirst phase branch on the primary side
A2A2
zweiter Phasenzweig auf der Primärseitesecond phase branch on the primary side
A3A3
dritter Phasenzweig auf der Primärseitethird phase branch on the primary side
B1B1
erster Phasenzweig auf der Sekundärseite (entsprechend A1)first phase branch on the secondary side (corresponding to A1 )
B2B2
zweiter Phasenzweig auf der Sekundärseite (entsprechend A2)second phase branch on the secondary side (corresponding to A2 )
B3B3
dritter Phasenzweig auf der Sekundärseite (entsprechend A3)third phase branch on the secondary side (corresponding to A3 )
111111
AC-Spannung auf einer Primärseite des ersten PhasenzweigsAC voltage on a primary side of the first phase leg
112112
AC-Spannung auf einer Primärseite des zweiten PhasenzweigsAC voltage on a primary side of the second phase leg
113113
AC-Spannung auf einer Primärseite des dritten PhasenzweigsAC voltage on a primary side of the third phase branch
121121
AC-Spannung auf einer Sekundärseite des ersten PhasenzweigsAC voltage on a secondary side of the first phase leg
122122
AC-Spannung auf einer Sekundärseite des zweiten PhasenzweigsAC voltage on a secondary side of the second phase leg
123123
AC-Spannung auf einer Sekundärseite des dritten PhasenzweigsAC voltage on a secondary side of the third phase leg
200200
System nach der vorliegenden ErfindungSystem according to the present invention

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5027264 [0004]US 5027264 [0004]

Claims (20)

Vorrichtung (100) zum Betreiben eines n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers (10), wobei k, i ⊆ 1, 2,.., n eine Anzahl eines frei wählbaren Ports (1, ..., n) mit m ≥ 1 und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port (1, ..., n) als Eingangs- oder Ausgangsport betrieben werden kann, wobei jeder der Ports (1, ... n) m Phasenzweige (16) mit mehreren aktiven Schaltern (17, 19) aufweist, wobei eine Phasenverschiebung (20) zwischen den Phasenzweigen (16) jedes Ports erfolgt, wobei die Ports eine DC-Spannung (U) in eine AC-Spannung (v) und umgekehrt umwandeln können, wobei die Ports (1) über einen m-Phasen-Transformator (25) oder über separate m Transformatoren (25), die jeweils mit jedem der m Phasenzweige (16) jedes der n Ports (1, ..., n) verbunden sind, verbunden sind, um eine Leistung zwischen den Ports (1, ..., n) zu übertragen, wobei die Schalter (17, 19) der Phasenzweige (16) durch eine Steuereinheit (30) betrieben werden, um zumindest einen Anfangs-DC-Offset (32) in einem Magnetisierungsstrom (IM) zu verringern, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist zum: - Aufteilen (110) einer Schaltperiode T in m Intervalle (38), wenn m eine gerade Zahl ist, und in 2*m Intervalle (38), wenn m eine ungerade Zahl ist, wobei die Intervalle (38) Intervallgrenzen (40) zum Schalten der aktiven Schalter (17, 19) definieren, - Vorbestimmen (120) einer zu übertragenden Leistung des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers (10) entsprechend einem vorgegebenen Relativ-Last-Winkel φi1i1 zwischen einem Lastwinkel φi eines frei wählbaren Ports i und einem Absolut-Last-Winkel φ1 eines Referenzports 1, und - Schalten (130) der aktiven Schalter (17, 19) der n Ports (1, ..., n) derart, dass sich jeder Phasenzweig (16) eines frei wählbaren Ports i um den Absolut-Last-Winkel φi relativ zu den Intervallgrenzen (40) eines beliebigen der Intervalle (38), in dem die AC-Spannung (v) der m Phasenzweige (16) ihr Vorzeichen ändert, verschiebt, wobei φi berechnet wird als φ i = k = 1, k i n φ k 1 N 1k U k L s k k = 1 n N 1k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0020
wobei Uk die DC-Spannung an einem frei wählbaren Port k mit k ⊆ 1, 2, 3,..., n und k≠i ist, Lsk eine Leckinduktivität der Transformatorwicklung des Ports k referenziert auf Port i=1 ist und N1k ein Transformatorwindungsverhältnis zwischen dem Port i=1 und dem Port k ist und φk1 der vorgegebene Relativ-Last-Winkel zwischen dem Port k mit k≠i und dem Port 1 ist.
Device (100) for operating an n-port m-phase active bridge converter (10), where k, i ⊆ 1, 2, .., n are a number of a freely selectable port (1, ..., n) where m ≥ 1 and n ≥ 2, where each port (1, ..., n) can be operated as an input or output port, each of the ports (1, ... n) being m phase branches (16) comprising a plurality of active switches (17, 19), wherein a phase shift (20) takes place between the phase branches (16) of each port, wherein the ports can convert a DC voltage (U) into an AC voltage (v) and vice versa, wherein the ports (1) are connected via an m-phase transformer (25) or via separate m transformers (25) respectively connected to each of the m phase legs (16) of each of the n ports (1, ..., n) , are connected to transfer power between the ports (1, ..., n), the switches (17, 19) of the phase branches (16) being operated by a control unit (30) at least one initial DC Offset (32) in a magnetization trom (I M ), wherein the control unit is configured to: - divide (110) a switching period T into m intervals (38) if m is an even number and in 2 * m intervals (38) if m a odd number, where the intervals (38) define interval limits (40) for switching the active switches (17, 19), - predetermining (120) a power to be transmitted of the n-port m-phase active bridge converter ( 10) corresponding to a predetermined relative load angle φ i1 = φ i1 between a load angle φ i of a freely selectable port i and an absolute load angle φ 1 of a reference port 1, and - switching (130) the active switch (17, 19) of the n ports (1, ..., n) such that each phase branch (16) of a freely selectable port i is offset by the absolute load angle φ i relative to the interval limits (40) of any one of Intervals (38), in which the AC voltage (v) of the m phase branches (16) changes sign, shifts, where φ i is calculated as φ i = - Σ k = 1, k i n φ k 1 N 1k U k L s k Σ k = 1 n N 1k U k L s k
Figure DE202017007011U1_0020
where U k is the DC voltage at an arbitrary port k with k ⊆ 1, 2, 3, ..., n and k ≠ i, L sk is a leakage inductance of the transformer winding of the port k referenced to port i = 1 and N 1k is a transformer turn ratio between the port i = 1 and the port k, and φ k1 is the predetermined relative load angle between the port k with k ≠ i and the port 1.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der ein Tastgrad der Schaltperiode 50 % ist.Device (100) according to Claim 1 in which one duty cycle of the switching period is 50%. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Phasenverschiebungen (20) zwischen den Phasenzweigen (16) jedes beliebigen Ports (1) 360°/m betragen.Device (100) according to one of the preceding claims, in which the phase shifts (20) between the phase branches (16) of any one port (1) are 360 ° / m. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Schalten umgekehrt oder zyklisch umgekehrt ist.Device (100) according to one of the preceding claims, in which the switching is reversed or cyclically reversed. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler (10) ein n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler ist.The device (100) of any one of the preceding claims, wherein the n-port m-phase active bridge converter (10) is an n-port three-phase active bridge converter. Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner ausgebildet ist zum Starten eines n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers (10) zur Zeit t=to, wobei sämtliche aktiven Schalter für t<to aus sind, wobei jeder Port einen ersten, einen zweiten und einen dritten Phasenzweig aufweist, die jeweils dem ersten, dem zweiten und dem dritten Phasenzweig der anderen n-1 Ports entsprechen, und wobei jeder Phasenzweig einen oberen aktiven Schalter und einen unteren aktiven Schalter aufweist, und die ausgebildet ist zum: - Aufteilen einer Schaltperiode T in sechs Intervalle t0+T/6, t0+T/3, t0+T/2, t0+2T/3, t0+5T/6, t0+T; - zur Zeit t=to Einschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher ersten und zweiten Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter (19) sämtlicher dritten Phasenzweige sämtlicher n Ports; - zur Zeit t0+T/6 Ausschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher ersten Phasenzweige und der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritten Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher ersten Phasenzweige und der oberen aktiven Schalter der dritten Phasenzweige sämtlicher n Ports; - zur Zeit t0+T/3 Ausschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher zweiten Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher zweiten Phasenzweige sämtlicher n Ports; - zur Zeit t0+T/2 Ausschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher ersten Phasenzweige und Einschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher ersten Phasenzweige sämtlicher n Ports; - zur Zeit t0+2T/3 Ausschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher dritten Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritten Phasenzweige sämtlicher n Ports; und - zur Zeit t0+5T/6 Ausschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher zweiten Phasenzweige und Einschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher zweiten Phasenzweige sämtlicher n Ports. Device after Claim 5 , further configured to start an n-port three-phase active bridge converter (10) at time t = to, all active switches for t <to being off, each port having a first, a second, and a third one Phase branch corresponding respectively to the first, the second and the third phase leg of the other n-1 ports, and wherein each phase leg has an upper active switch and a lower active switch, and which is arranged to: - divide a switching period T into six Intervals t 0 + T / 6, t 0 + T / 3, t 0 + T / 2, t 0 + 2T / 3, t 0 + 5T / 6, t 0 + T; at the time t = to switch on the upper active switches of all the first and second phase branches and switch on the lower active switches (19) of all the third phase branches of all the n ports; turning off the upper active switches of all the first phase legs and the lower active switches of all the third phase legs and turning on the lower active switches of all the first phase legs and the upper active switches of the third phase branches of all the n ports, at time t 0 + T / 6; turning off the upper active switches of all the second phase legs at the time t 0 + T / 3 and turning on the lower active switches of all the second phase branches of all the n ports; at time t 0 + T / 2, turn off the lower active switches of all the first phase legs and turn on the upper active switches of all the first phase branches of all the n ports; - at time t 0 + 2T / 3 turn off the upper active switches of all third phase legs and turn on the lower active switches of all third phase branches of all n ports; and - at time t 0 + 5T / 6 turning off the lower active switches of all the second phase legs and turning on the upper active switches of all the second phase legs of all the n ports. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler (10) ein Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler ist.Device (100) according to one of Claims 1 to 4 in which the n-port m-phase active bridge converter (10) is a two-port m-phase active bridge converter. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, bei der ein Phasenverschiebungsfaktor x aus der folgenden Gleichung resultiert: x = φ 1 / φ 21 = N 12 * L s1 * U 2 / ( L s2 * U 1 + N 12 * L s1 * U 2 )
Figure DE202017007011U1_0021
wobei U1 und U2 die DC-Spannungen an Port 1 und Port 2 bezeichnen, Ls1 und Ls2 die Leckinduktivitäten von Port 1 und Port 2 bezogen auf die Seite von Port 1 bezeichnen, φ1 den berechneten Absolut-Last-Winkel von Port 1 bezeichnet, φ21 den vorgegebenen Relativ-Last-Winkel zwischen Port 1 und Port 2 bezeichnet und N12 das Windungsverhältnis des Transformators (25) zwischen Port 1 und Port 2 bezeichnet und zum Einstellen des Schaltens der Phasenzweige mit einem entsprechenden Lastwinkel verwendet wird.
Device (100) according to Claim 7 in which a phase shift factor x results from the following equation: x = - φ 1 / φ 21 = N 12 * L s1 * U 2 / ( L s2 * U 1 + N 12 * L s1 * U 2 )
Figure DE202017007011U1_0021
where U 1 and U 2 denote the DC voltages at Port 1 and Port 2, L s1 and L s2 denote the leakage inductances of Port 1 and Port 2 relative to the port 1 side, φ 1 denotes the calculated absolute load angle of Port 1, φ 21 denotes the predetermined relative load angle between Port 1 and Port 2, and N 12 denotes the turns ratio of the transformer (25) between Port 1 and Port 2 and is used for adjusting the switching of the phase legs with a corresponding load angle ,
Vorrichtung (100) nach Anspruch 5 oder 7, bei der der Zweiport-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler (10) ein Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler ist.Device (100) according to Claim 5 or 7 in which the two-port m-phase active bridge converter (10) is a two-port three-phase active bridge converter. Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, bei der der erste Port eine Primärseite (14) ist und der zweite Port eine Sekundärseite (15) ist.Device (100) according to Claim 9 in which the first port is a primary side (14) and the second port is a secondary side (15). Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, bei der der vorgegebene Relativ-Last-Winkel dynamisch von einem ersten Lastwinkel φ21,a zu einem zweiten Lastwinkel φ21,b geändert wird, wobei ein Zwischen-Lastwinkel φ21,t als φ21,t=(exp(-1/(2*f*τ))*φ21,a21,b)/(exp(-1/(2*f*τ))+1) mit τ=(Ls1+N12 2∗ Ls2)/Rw definiert ist, wobei Rw ein Gesamt-Wicklungswiderstand des Transformators ist, der sechs Intervalle to+T/6, to+T/3, to+T/2, to+2T/3, to+5T/6, to+T ab einem Startpunkt to umfasst, und die ausgebildet ist für: - beim Referenzzeitpunkt to: Schalten von Phasenzweig A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,a und Schalten von Phasenzweig B1 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,a; - beim Referenzzeitpunkt t0+T/6: Schalten von Phasenzweig A3 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B3 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,t; - beim Referenzzeitpunkt t0+T/3: Schalten von Phasenzweig A2 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B2 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,t; - beim Referenzzeitpunkt t0+T/2: Schalten von Phasenzweig A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von Phasenzweig B1 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,t; - beim Referenzzeitpunkt t0+2T/3: Schalten von Phasenzweig A3 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B3 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b; - beim Referenzzeitpunkt t0+5T/6: Schalten von Phasenzweig A2 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B2 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b; und - beim Referenzzeitpunkt t0+T: Schalten von Phasenzweig A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von Phasenzweig B1 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b, wobei x der Phasenverschiebungsfaktor x ist.Device (100) according to Claim 9 in which the predetermined relative load angle is changed dynamically from a first load angle φ 21, a to a second load angle φ 21, b , wherein an intermediate load angle φ 21, t as φ 21, t = (exp (-1 / (2 * f * τ)) * φ 21, a + φ 21, b ) / (exp (-1 / (2 * f * τ)) + 1) with τ = (L s1 + N 12 2 * L s2 ) / R w , where R w is a total winding resistance of the transformer, the six intervals to + T / 6, to + T / 3, to + T / 2, to + 2T / 3, to + 5T / 6, to + T from a starting point to, and which is designed for: at the reference time to: switching of phase branch A1 with a load angle -xφ 21, a and switching of phase branch B1 with a load angle (1-x) φ 21, a ; at the reference time t 0 + T / 6: switching of phase branch A3 with a load angle -xφ 21, t and switching of phase branch B3 with a load angle (1-x) φ 21, t ; - at the reference time t 0 + T / 3: switching of phase arm A2 with a load angle -xφ 21, t and switching of phase leg B2 with a load angle (1-x) φ 21, t ; at the reference time t 0 + T / 2: switching of phase branch A1 with a load angle -xφ 21, t and switching of phase branch B1 with a load angle (1-x) φ 21, t ; at the reference time t 0 + 2T / 3: switching of phase branch A3 with a load angle -xφ 21, b and switching of phase branch B3 with a load angle (1-x) φ 21, b ; at reference time t 0 + 5T / 6: switching phase branch A2 with a load angle -xφ 21, b and switching phase branch B2 with a load angle (1-x) φ 21, b ; and - at the reference time t 0 + T: switching phase branch A1 with a load angle -xφ 21, b and switching phase branch B1 with a load angle (1-x) φ 21, b , where x is the phase shift factor x. System (200), das einen n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler (10) umfasst und zum Verringern zumindest eines Anfangs-DC-Offsets (32) in einem Magnetisierungsstrom IM geeignet ist, wobei bei dem n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler k, i ⊆ 1, 2,.., n eine Anzahl eines frei wählbaren Ports mit m ≥ 1 und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port als Eingangs- oder Ausgangsport betrieben werden kann, wobei jeder der Ports m Phasenzweige (16) mit mehreren aktiven Schaltern (17, 19) aufweist, wobei eine Phasenverschiebung (20) zwischen den Phasenzweigen jedes Ports erfolgt, wobei die Ports eine DC-Spannung in eine AC-Spannung und umgekehrt umwandeln können, wobei die Ports über einen m-Phasen-Transformator (25) oder über separate m Transformatoren (25), die jeweils mit jedem der m Phasenzweige (16) jedes der n Ports verbunden sind, verbunden sind, um eine Leistung zwischen den Ports zu übertragen, und eine Steuereinheit (30) umfasst, die dazu vorgesehen ist, die Schalter (17, 19) der m Phasenzweige (16) gemäß Anspruch 1 zu betreiben.A system (200) comprising an n-port m-phase active bridge converter (10) and capable of reducing at least one initial DC offset (32) in a magnetizing current I M , wherein at the n-port Port-m-phase active bridge converter k, i ⊆ 1, 2, .., n is a number of a freely selectable port with m ≥ 1 and n ≥ 2, wherein each port can be operated as an input or output port wherein each of the ports has m phase branches (16) with a plurality of active switches (17, 19), with a phase shift (20) between the phase branches of each port, the ports being able to convert a DC voltage to an AC voltage and vice versa wherein the ports are connected via an m-phase transformer (25) or via separate m transformers (25) respectively connected to each of the m phase legs (16) of each of the n ports to provide power between the ports and a control unit (30) provided for switching the switches (17, 19) of the m phases branches (16) according to Claim 1 to operate. System (200) nach Anspruch 12, bei dem der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler (10) ein n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler ist.System (200) after Claim 12 in which the n-port m-phase active bridge converter (10) is an n-port three-phase active bridge converter. System (200) nach Anspruch 13, bei dem die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, die Schalter (17, 19) gemäß Anspruch 6 zu betreiben. System (200) after Claim 13 in which the control unit is provided to switch (17, 19) according to Claim 6 to operate. System (200) nach Anspruch 13, bei dem der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler (10) ein Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler ist.System (200) after Claim 13 in which the n-port m-phase active bridge converter (10) is a two-port three-phase active bridge converter. System (200) nach Anspruch 15, bei dem die Steuereinheit (30) dazu vorgesehen ist, die Schalter (17, 19) der drei Phasenzweige (16) gemäß Anspruch 9 zu betreiben.System (200) after Claim 15 in which the control unit (30) is provided for switching the switches (17, 19) of the three phase branches (16) according to Claim 9 to operate. System (200) nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Steuereinheit (30) dazu vorgesehen ist, die Schalter (17, 19) der drei Phasenzweige (16) zum Starten des Zweiport-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers gemäß Anspruch 11 zu betreiben.System (200) after Claim 15 or 16 in that the control unit (30) is provided for switching on the switches (17, 19) of the three phase branches (16) for starting the two-port three-phase active bridge converter according to Claim 11 to operate. System (200) nach Anspruch 12, bei dem der n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler (10) ein Zwei-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler ist.System (200) after Claim 12 in which the n-port m-phase active bridge converter (10) is a two-port m-phase active bridge converter. System (200) nach Anspruch 18, bei dem die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, die aktiven Schalter (17, 19) gemäß Anspruch 8 zu betreiben.System (200) after Claim 18 in which the control unit is intended to operate the active switches (17, 19) in accordance with Claim 8 to operate. System (200) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem die Steuereinheit (30) Teil des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers (10) ist.System (200) according to one of Claims 12 to 19 in which the control unit (30) is part of the n-port m-phase active bridge converter (10).
DE202017007011.1U 2017-12-28 2017-12-28 n-Port-m-phase bridge converter Active Withdrawn - After Issue DE202017007011U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE202017007011.1U DE202017007011U1 (en) 2017-12-28 2017-12-28 n-Port-m-phase bridge converter Active

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017223860.7A DE102017223860A1 (en) 2017-12-28 2017-12-28 n-Port-m-phase bridge converter Active
DE202017007011.1U DE202017007011U1 (en) 2017-12-28 2017-12-28 n-Port-m-phase bridge converter Active

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE202017007011U1 true DE202017007011U1 (en) 2019-03-29

Family

ID=61695346

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE202017007011.1U Withdrawn - After Issue DE202017007011U1 (en) 2017-12-28 2017-12-28 n-Port-m-phase bridge converter Active
DE102017223860.7A Pending DE102017223860A1 (en) 2017-12-28 2017-12-28 n-Port-m-phase bridge converter Active

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017223860.7A Pending DE102017223860A1 (en) 2017-12-28 2017-12-28 n-Port-m-phase bridge converter Active

Country Status (1)

Country Link
DE (2) DE202017007011U1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5027264A (en) 1989-09-29 1991-06-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Power conversion apparatus for DC/DC conversion using dual active bridges

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2294680A4 (en) * 2008-06-18 2014-06-11 Ericsson Telefon Ab L M A switch mode converter and a method of starting a switch mode converter
US9973107B2 (en) * 2014-08-13 2018-05-15 Inesc Tec—Instituto de Engenharia de Sistemas AC/DC converter with three to single phase matrix converter, full-bridge AC/DC converter and HF transformer

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5027264A (en) 1989-09-29 1991-06-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Power conversion apparatus for DC/DC conversion using dual active bridges

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017223860A1 (en) 2019-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2826139B1 (en) Current control for dc-dc converters
DE69834981T2 (en) Phase-shifted full-bridge converter with gentle PWM switching
DE102015102723A1 (en) Converter circuit system for electrical power
DE112016005167T5 (en) MAGNETIC COMPONENT ARRANGEMENT AND ENERGY CONVERSION DEVICE USING THE MAGNETIC COMPONENT ARRANGEMENT
EP1976108B1 (en) Converter, in particular for an ion engine
DE102017212224B4 (en) High voltage generator for an X-ray machine
DE202004021669U1 (en) DC / DC converter with a high frequency zigzag converter
DE102018210806A1 (en) Electrical circuit with auxiliary voltage source for zero voltage switching in a DC converter under all load conditions
DE102011107153A1 (en) Multi-stage parallel power converters
DE102020214013A1 (en) POWER CONVERTER, CONTROL PROCEDURE AND CONTROL PROGRAM
EP2709257A2 (en) Power converter circuit and method for controlling the power converter circuit
DE102018210807A1 (en) Electrical circuit for zero voltage soft switching in a DC converter
DE102017223861A1 (en) Starting a three-phase multiport Active Bridge DC-DC converter
DE102021207841A1 (en) A power converter
EP3602762A1 (en) Inverter
DE3035305C2 (en) Inverter circuit for a three-phase synchronous motor
DE102006039887A1 (en) Switching power supply apparatus
DE202017007011U1 (en) n-Port-m-phase bridge converter Active
DE102022207036A1 (en) Method for controlling and switching arrangement for a multi-phase two-point inverter and multi-phase two-point inverter
DE102020131349B3 (en) Circuit arrangement and method for controlling and activating the connection of electrical equipment and / or power line sections
DE102017201667A1 (en) Highly dynamic control of multiport DAB converters
EP3360241B1 (en) Dc-to-dc converter and method for operating a dc-to-dc converter
DE102019105196B4 (en) Method for current limitation in the event of transient voltage changes at an AC output of a multilevel inverter and multilevel inverter
DE102020213005A1 (en) power converter
EP4010974B1 (en) Control method for a dc/dc converter and dc/dc converter

Legal Events

Date Code Title Description
R120 Application withdrawn or ip right abandoned
R207 Utility model specification