DE202017007011U1 - n-Port-m-phase bridge converter Active - Google Patents
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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 φi1=φi-φ1 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
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 i -φ 1 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
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
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
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
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 φi1=φi-φ1 zwischen einem Lastwinkel
φi eines frei wählbaren Ports i und einem Absolut-Last-Winkel φ1 einesReferenzports 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, wobeiφi berechnet wird als
- - 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 i -φ 1 between a load angle
φ i a freely selectable port i and an absolute load angle φ 1 of areference 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, whereφ i is calculated as
Ein
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
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 φi1=φi-φ1 zwischen dem Absolut-Last-Winkel φi eines frei wählbaren Ports i und dem Absolut-Last-Winkel φ1 eines Referenzports
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 φ1=φi1+φi 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:
Daher lautet die äquivalente Gleichung bei Auflösung nach φ1 eines Triport-Active-Bridge-Wandlers:
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:
Zum Beispiel können bei einem DAB- (Zweiport) Wandler bei der Primärseite als Referenzport
Bei dem Bespiel eines Dreiport-Active-Bridge-Wandlers mit dem Referenzport
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
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:
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
- - beim Referenzzeitpunkt to: Schalten von Phasenzweig
A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,a und Schalten von PhasenzweigB1 mit einem Lastwinkel (1 -x)φ21,a; - - beim Referenzzeitpunkt t0+T/6: Schalten von Phasenzweig
A3 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von PhasenzweigB3 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,t; - - beim Referenzzeitpunkt t0+T/3: Schalten von Phasenzweig
A2 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von PhasenzweigB2 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,t; - - beim Referenzzeitpunkt t0+T/2: Schalten von Phasenzweig
A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,t und Schalten von PhasenzweigB1 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,t; - - beim Referenzzeitpunkt t0+2T/3: Schalten von Phasenzweig
A3 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von PhasenzweigB3 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,b; - - beim Referenzzeitpunkt t0+5T/6: Schalten von Phasenzweig
A2 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von PhasenzweigB2 mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b; und - - beim Referenzzeitpunkt t0+T: Schalten von Phasenzweig
A1 mit einem Lastwinkel -xφ21,b und Schalten von PhasenzweigB1 mit einem Lastwinkel (1-X)φ21,b,
- - at reference time to: switching phase branch
A1 with a load angle -xφ 21, a and switching of phase legB1 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 legB3 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 legB2 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 legB1 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 legB3 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 legB2 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 legB1 with a load angle (1-X) φ 21, b ,
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.
- - 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
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
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 Zeitt ; -
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 Zeitt ; -
6 zeigt Spannungswellenformen von Relativ-Last-Winkelφ21(°) , DreiphasenströmenIPH(A) und Magnetisierungsstrom IM(A) für Start und Lastwinkeländerung mit einer dem Stand der Technik entsprechenden unmittelbaren Stromsteuerung als Funktion der Zeitt ; -
7 zeigt Stromwellenformen von Relativ-Last-Winkelφ21(°) , DreiphasenströmenIPH(A) und MagnetisierungsstromIM(A) für Start und Lastwinkeländerung gemäß dem Soft-Start-Verfahren der vorliegenden Erfindung als Funktion der Zeitt ; -
8 zeigt a) Heranzoomender Magnetisierungsströme von 6 ohne Start-Verfahren; b) Heranzoomen der Magnetisierungsströme von7 mit dem Soft-Start-Verfahren; -
9 zeigt Stromwellenformen vonφ21(°) ,IPH(A) undIM(A) für Start und Lastwinkeländerung gemäß dem Soft-Start-Verfahren und dem Verfahren zur unmittelbaren Flussstromsteuerung der vorliegenden Erfindung als Funktion der Zeitt ; -
10 zeigt a) Heranzoomen der Magnetisierungsströme während der Leistungsumkehr in7 nur mit dem Soft-Start-Verfahren; b) Heranzoomen der Magnetisierungsströme während der Leistungsumkehr in9 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.
-
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 timet ; -
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 timet ; -
6 shows voltage waveforms of relative load angleφ 21 (°) , Three-phase currentsI PH (A) and magnetizing current IM (A) for start and load angle change with prior art instantaneous current control as a function of timet ; -
7 shows current waveforms of relative load angleφ 21 (°) , Three-phase currentsI PH (A) and magnetizing currentIM (A) for start and load angle change according to the soft-start method of the present invention as a function of timet ; -
8th shows a) Zoom in of the magnetization currents of6 without start procedure; b) Zooming in of the magnetization currents of7 with the soft-start procedure; -
9 shows current waveforms ofφ 21 (°) .I PH (A) andIM (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 timet ; -
10 shows a) zooming of the magnetization currents during power reversal in7 only with the soft-start procedure; b) Zooming in of magnetization currents during power inversion9 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
Der Ausgangsport des DAB-Wandlers kann als Sekundärseite
Die Gleichung für die Magnetisierungs-AC-Spannung vm in der Ersatzschaltung von
Wenn sämtliche vorgegebenen Relativ-Last-Winkel gleich null sind, beträgt die Differenz beim Magnetisierungskraftfluss:
Beim Einsetzen der Gleichung (2) und Auflösen nach φ1
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
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:
- - beim Referenzzeitpunkt to: Schalten von Phasenzweig
A1 , das die Phasenverschiebung einer AC-Spannung 111 ist, mit einem Lastwinkel-xφ21,a und Schalten von PhasenzweigB1 , 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 PhasenzweigB3 , 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 PhasenzweigB2 , 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 PhasenzweigB1 , 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 PhasenzweigB3 , 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 PhasenzweigB2 , 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 PhasenzweigB1 , das die Phasenverschiebung der AC-Spannung 111 ist, mit einem Lastwinkel (1-x)φ21,b,
- - at reference time to: switching phase branch
A1 , which is the phase shift of anAC voltage 111 is, with a load angle-xφ 21, a and switching phase branchB1 , which is the phase shift of anAC 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 anAC voltage 113 is, with a load angle-xφ 21, t and switching phase branchB3 , which is the phase shift of anAC 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 anAC voltage 112 is, with a load angle-xφ 21, t and switching phase branchB2 , which is the phase shift of anAC 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 theAC voltage 111 is, with a load angle-xφ 21, t and switching phase branchB1 , which is the phase shift of theAC 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 theAC voltage 113 is, with a load angle-xφ 21, b and switching phase branchB3 , which is the phase shift of theAC 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 theAC voltage 112 is, with a load angle-xφ 21, b and switching phase branchB2 , which is the phase shift of theAC 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 theAC voltage 111 is, with a load angle-xφ 21, b and switching phase branchB1 , which is the phase shift of theAC voltage 111 is, with a load angle (1-x) φ 21, b ,
- - zur Zeit t=to Einschalten der oberen aktiven
Schalter 17 von PhasenzweigenA1 ,A2 ,B1 undB2 und Einschalten der unteren aktivenSchalter 19 von PhasenzweigenA3 undB3 ; - - zur Zeit t0+T/6 Ausschalten der oberen aktiven
Schalter 17 von PhasenzweigenA1 undB1 und der unteren aktivenSchalter 19 von PhasenzweigenA3 undB3 und Einschalten der unteren aktivenSchalter 19 von PhasenzweigenA1 undB1 und der oberen aktivenSchalter 17 von PhasenzweigenA3 undB3 ; - - zur Zeit t0+T/3 Ausschalten der oberen aktiven
Schalter 17 von PhasenzweigenA2 undB2 und Einschalten der unteren aktivenSchalter 19 von PhasenzweigenA2 undB2 ; - - zur Zeit t0+T/2 Ausschalten der unteren aktiven
Schalter 19 von PhasenzweigenA1 undB1 und Einschalten der oberen aktivenSchalter 17 von PhasenzweigenA1 undB1 ; - - zur Zeit t0+2T/3 Ausschalten der oberen aktiven
Schalter 17 von PhasenzweigenA3 undB3 und Einschalten der unteren aktivenSchalter 19 von PhasenzweigenA3 undB3 ; - - zur Zeit t0+5T/6 Ausschalten der unteren aktiven
Schalter 19 von PhasenzweigenA2 ,B2 und Einschalten der oberen aktivenSchalter 17 von PhasenzweigenA2 undB2 .
- - at the time t = to turn on the upper
active switch 17 from phase branchesA1 .A2 .B1 andB2 and turn on the loweractive switch 19 from phase branchesA3 andB3 ; - - at time t 0 + T / 6 turn off the upper
active switch 17 from phase branchesA1 andB1 and the loweractive switch 19 from phase branchesA3 andB3 and turn on the loweractive switch 19 from phase branchesA1 andB1 and the upperactive switch 17 from phase branchesA3 andB3 ; - - At time t 0 + T / 3 turn off the upper
active switch 17 from phase branchesA2 andB2 and turn on the loweractive switch 19 from phase branchesA2 andB2 ; - - At time t 0 + T / 2 turn off the lower
active switch 19 from phase branchesA1 andB1 and turning on the upperactive switches 17 from phase branchesA1 andB1 ; - - at time t 0 + 2T / 3 turn off the upper
active switch 17 from phase branchesA3 andB3 and turn on the loweractive switch 19 from phase branchesA3 andB3 ; - - at time t 0 + 5T / 6 turn off the lower
active switch 19 from phase branchesA2 .B2 and turning on the upperactive switches 17 from phase branchesA2 andB2 ,
Folglich eilt die Spannung
- - Aufteilen
110 einer SchaltperiodeT inm 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 aktivenSchalter 17 ,19 definieren, - - Vorbestimmen
120 einer zu übertragenden Leistung des n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandlers 10 entsprechend einem vorgegebenen Relativ-Last-Winkel φi1=φi-φ1 zwischen einem Lastwinkelφi eines frei wählbaren Ports i und einem Absolut-Last-Winkelφ1 eines Referenzports1 , und - -
Schalten 130 der aktiven Schalter 17 ,19 der n Ports 1 derart, dass sich jeder Phasenzweig16 eines frei wählbaren Ports i um den Absolut-Last-Winkelφi relativ zuden Intervallgrenzen 40 eines beliebigen der Intervalle38 , in denen die AC-Spannungv der m Phasenzweige16 ihr Vorzeichen ändert, verschiebt, wobeiφi berechnet wird als
- - split up
110 a switching periodT in mintervals 38 if m is an even number and in 2 * mintervals 38 if m is an odd number, with theintervals 38 interval limits40 for switching the active switches17 .19 define, - - Predict
120 a power to be transmitted of the n-port m-phaseactive bridge converter 10 according to a predetermined relative load angle φ i1 = φ i -φ 1 between a load angleφ i a freely selectable port i and an absolute load angleφ 1 areference port 1 , and - -
Switch 130 theactive switch 17 .19 then ports 1 such that each phase branch16 a freely selectable port i around the absolute load angleφ i relative to the interval limits40 any of theintervals 38 in which the AC voltagev them phase branches 16 their sign changes, shifts, whereφ i is calculated as
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 fromport 1 - v2 v 2
-
AC-Spannung von Port
2 AC voltage fromport 2 - v3 v 3
-
AC-Spannung von Port
3 AC voltage fromport 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 ofport 1 - Ls2 L s2
-
Leckinduktivität von Port
2 Leakage inductance ofport 2 - Ls3 Ls 3
-
Leckinduktivität von Port
3 Leakage inductance ofport 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 toport 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 (Port1 ) - φs φ s
-
Absolut-Last-Winkel der Sekundärseite von DAB (Port
2 )Absolute load angle of the secondary side of DAB (Port2 ) - 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 toA1 ) - B2B2
-
zweiter Phasenzweig auf der Sekundärseite (entsprechend
A2 )second phase branch on the secondary side (corresponding toA2 ) - B3B3
-
dritter Phasenzweig auf der Sekundärseite (entsprechend
A3 )third phase branch on the secondary side (corresponding toA3 ) - 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
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 5027264 [0004]US 5027264 [0004]
Claims (20)
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Applications Claiming Priority (2)
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DE202017007011.1U DE202017007011U1 (en) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | n-Port-m-phase bridge converter Active |
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-
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- 2017-12-28 DE DE202017007011.1U patent/DE202017007011U1/en not_active Withdrawn - After Issue
- 2017-12-28 DE DE102017223860.7A patent/DE102017223860A1/en active Pending
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Also Published As
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned | ||
R207 | Utility model specification |