DE202017007018U1 - Vorrichtung zum Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers - Google Patents

Vorrichtung zum Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers Download PDF

Info

Publication number
DE202017007018U1
DE202017007018U1 DE202017007018.9U DE202017007018U DE202017007018U1 DE 202017007018 U1 DE202017007018 U1 DE 202017007018U1 DE 202017007018 U DE202017007018 U DE 202017007018U DE 202017007018 U1 DE202017007018 U1 DE 202017007018U1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
phase
ports
switching
active
port
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Withdrawn - After Issue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
DE202017007018.9U
Other languages
English (en)
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 DE202017007018.9U priority Critical patent/DE202017007018U1/de
Publication of DE202017007018U1 publication Critical patent/DE202017007018U1/de
Withdrawn - After Issue legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G1/00—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines
    • H02G1/06—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines for laying cables, e.g. laying apparatus on vehicle
    • H02G1/08—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines for laying cables, e.g. laying apparatus on vehicle through tubing or conduit, e.g. rod or draw wire for pushing or pulling
    • H02G1/081—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines for laying cables, e.g. laying apparatus on vehicle through tubing or conduit, e.g. rod or draw wire for pushing or pulling using pulling means at cable ends, e.g. pulling eyes or anchors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C23/00—Auxiliary devices or arrangements for constructing, repairing, reconditioning, or taking-up road or like surfaces
    • E01C23/06—Devices or arrangements for working the finished surface; Devices for repairing or reconditioning the surface of damaged paving; Recycling in place or on the road
    • E01C23/08—Devices or arrangements for working the finished surface; Devices for repairing or reconditioning the surface of damaged paving; Recycling in place or on the road for roughening or patterning; for removing the surface down to a predetermined depth high spots or material bonded to the surface, e.g. markings; for maintaining earth roads, clay courts or like surfaces by means of surface working tools, e.g. scarifiers, levelling blades
    • E01C23/085—Devices or arrangements for working the finished surface; Devices for repairing or reconditioning the surface of damaged paving; Recycling in place or on the road for roughening or patterning; for removing the surface down to a predetermined depth high spots or material bonded to the surface, e.g. markings; for maintaining earth roads, clay courts or like surfaces by means of surface working tools, e.g. scarifiers, levelling blades using power-driven tools, e.g. vibratory tools
    • E01C23/088—Rotary tools, e.g. milling drums
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/80—Arrangement of components within nacelles or towers
    • F03D80/82—Arrangement of components within nacelles or towers of electrical components
    • F03D80/85—Cabling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/40—Means for preventing magnetic saturation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion 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
    • H02M3/325—Conversion 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
    • H02M3/335—Conversion 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
    • H02M3/33569—Conversion 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
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion 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
    • H02M3/325—Conversion 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
    • H02M3/335—Conversion 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
    • H02M3/33569—Conversion 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
    • H02M3/33576—Conversion 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
    • H02M3/33584—Bidirectional converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Abstract

Vorrichtung (200) zum Starten und Betreiben eines n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers (10), wobei n eine Anzahl eines beliebigen Ports (1,...,n) ist und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port (1,...,n) als Eingangs- oder Ausgangsport betreibbar ist, wobei jeder der Ports (1,...,n) einen ersten, zweiten und dritten Phasenzweig (16) aufweist, die jeweils dem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig der anderen n-1 Ports entsprechen, und wobei jeder Phasenzweig einen oberen aktiven Schalter (17) und einen unteren aktiven Schalter (19) aufweist, wobei eine Phasenverschiebung (20) zwischen den Phasenzweigen (16) jedes Ports vorliegt, wobei die Ports in der Lage sind, eine Gleichspannung (U) in eine Wechselspannung (v) und umgekehrt umzuwandeln, wobei die Ports (1,...,n) über einen Dreiphasen-Transformator (25) oder über drei separate einphasige Transformatoren (25) verbunden sind, die jeweils mit jedem der entsprechenden Phasenzweige (16) jedes der n Ports (1,...,n) verbunden sind, um Leistung zwischen den Ports (1,...,n) zu übertragen, wobei die Schalter (17, 19) der Phasenzweige (16) durch eine Steuereinheit (30) gemäß dem Verfahren (200) betrieben werden, um zumindest einen anfänglichen DC-Offset (32) in einem Magnetisierungsstrom IM zu verringern, der zu dem Zeitpunkt t = to startet, wobei sämtliche aktiven Schalter für t< to aus sind, wobei die Steuereinheit geeignet ist zum:
- Einteilen (210) einer Schaltperiode T in sechs Intervalle to + T/6, to + T/3, to + T/2, to + 2T/3, to + 5T/6, to + T; wobei die Intervalle (38) Intervallgrenzen (40) für das Schalten der aktiven Schalter definieren; und
- zum Zeitpunkt t = to, Einschalten (220) der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster und zweiter Phasenzweige, und Einschalten (222) der unteren aktiven Schalter (19) sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports;
- zum Zeitpunkt to + T/6, Ausschalten (230) der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige und der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige und Einschalten (232) der unteren aktiven Schalter der ersten Phasenzweige und der oberen aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports;
- zum Zeitpunkt to + T/3, Ausschalten (240) der oberen aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige und Einschalten (242) der unteren aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige sämtlicher n Ports;
- zum Zeitpunkt to + T/2, Ausschalten (250) der unteren aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige und Einschalten (252) der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige sämtlicher n Ports;
- zum Zeitpunkt to + 2T/3, Ausschalten (260) der oberen aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige und Einschalten (262) der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports; und
- zum Zeitpunkt to + 5T/6, Ausschalten (270) der unteren aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige und Einschalten (272) der oberen aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige sämtlicher n Ports.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Starten und Betreiben eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Wandlers unter Vermeidung von DC-Offsets im Magnetisierungsstrom des Transformators zumindest während der Startphase und ein System mit einem Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandler, der zur Durchführung eines Verfahrens zum Starten und Betreiben eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Wandlers unter Vermeidung von DC-Offsets im Magnetisierungsstrom des Transformators zumindest während der Startphase geeignet ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein auch als Leistungswandler bekannter Gleichspannungswandler ist eine elektrische Schaltung, die einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung, welche an der Eingangsseite eingespeist wird, in einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung mit einem höheren, geringeren oder invertierten Spannungspegel umwandelt. Gleichspannungswandler sind beispielsweise in den Schaltnetzteilen von PC-Netzteilen, Notebooks, Mobiltelefonen, kleinen Motoren und HIFI-Geräten zu finden. Ihre Vorteile im Vergleich mit linearen Netzteilen sind ihre höhere Effizienz und ihre geringere Wärmeerzeugung. Bei einem linearen Spannungsregler oder einem Reihenwiderstand dagegen „verbrennt“ die überflüssige Energie einfach.
  • Gleichspannungswandler sind auch als vollständig gekapselte Wandlermodule erhältlich, die manchmal zum direkten Einsetzen in Leiterplatten vorgesehen sind. Die Ausgangsspannung (sekundäre Spannung) kann je nach Modell geringer, gleich oder höher als die Eingangsspannung (primäre Spannung) sein. Die bekanntesten Module sind solche, die eine besonders niedrige Spannung in eine galvanisch isolierte besonders geringe Spannung umwandeln. Die gekapselten Gleichspannungswandler sind beispielsweise für Isolationsspannungen im Bereich von 1,5 kV bis über 3 kV verfügbar, und sie dienen dazu kleinen Verbrauchern in Gleichspannungsnetzwerken Leistung zu liefern, wie beispielsweise 24 V in Industrieanlagen oder 48 V in der Telekommunikation oder im Bereich der elektronischen Module, wie beispielsweise 5 V für Digitalschaltungen oder ±15 V für den Betrieb von Operationsverstärkern. Gleichspannungswandler sind auch in Hochleistungsanwendungen wie im Kraftfahrzeug- und Antriebsbereich zu finden. Bei Kraftfahrzeuganwendungen beispielsweise dienen sie dem Laden von Batterien oder der Zufuhr von Leistung von den Batterien oder Brennstoffzellen zu dem Gleichspannungszwischenkreis des Inverters. Gleichspannungswandler werden nach verschiedenen Kriterien klassifiziert und in verschiedene Topologien (Art der Strukturen eines verzweigten Netzwerks auf Strompfaden) unterteilt. Im Gegensatz zu unidirektionalen Wandlern ist es bei bidirektionalen oder multidirektionalen Multiport-Gleichspannungswandlern unerheblich, welcher Anschluss oder welche Anschlüsse als Eingang und welcher Anschluss oder welche Anschlüsse als Ausgang definiert ist bzw. sind. Ein bidirektionaler Energiefluss ermöglicht es Leitung von dem definierten Eingang (Primärseite) zum Ausgang (Sekundärseite) und umgekehrt zu strömen. Bei Multiport-Active-Bridge-Wandlern werden die Ports nicht als Primär- oder Sekundärseite bezeichnet, sondern sind stattdessen nummeriert, beispielsweise Port 1, Port 2, Port 3 etc.
  • Bei Gleichspannungswandlern, die auf dem Funktionsprinzip eines Zwei-Port-Active-Bridge-Wandler, der sogenannten Dual-Active-Bridge-Topologie (DAB), basieren, wird die Eingangsgleichspannung in einem Eingangswandler in eine Wechselspannung umgewandelt, die sodann einem Transformator zugeführt wird. Der Ausgang des Transformators ist mit einem Ausgangswandler verbunden, der die Wechselspannung wieder in eine Gleichspannung für eine Last umwandelt. Diese Gleichspannungswandler können in einphasigen oder mehrphasigen Konfigurationen implementiert sein. Derartige DAB-Gleichspannungswandlertopologien wie sie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5,027,264 offenbart sind, bilden hocheffiziente Wandlertopologien, die einen bidirektionalen Energiefluss und eine galvanische Trennung über den Transformator und einen Betrieb bei hohen Spannungen ermöglichen. Diese Art von Wandler ist besonders gut zur Verwendung in Hochleistungs-Gleichspannungsnetzwerken geeignet, beispielsweise Mittelspannungsnetzen.
  • Im Falle eines Gleichspannungswandlers mit Dual-Active-Bridge-Topologie (DAB) wird die übertragene Leistung durch Variieren des Lastwinkels zwischen der Spannung auf der Primärseite und der Spannung auf der Sekundärseite eingestellt. Wenn der Wandler startet oder die übertragene Leistung während des normalen Betriebs abrupt geändert werden muss, können in den Magnetisierungsströmen des Transformators unerwünschte DC-Offsets auftreten. Wenn DC-Offset-Ströme in den Magnetisierungsströmen auftreten, kann der Transformatorkern gesättigt sein, was zu hohen Strömen durch die Halbleitervorrichtungen der Primärseite und der Sekundärseite und die Transformatorwicklungen führen kann. Diese hohen Ströme bewirken eine Überhitzung, die zu Ausfällen der Vorrichtungen führen kann. Nimmt man einen Verteilungsfaktor der Streuinduktivität und des Wicklungswiderstands zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des Transformators von k = 0,5 an, klingen diese DC-Offset-Ströme mit einer Zeitkonstanten von (2Lm + Ls)/Rw, wobei Lm die Magnetisierungsinduktivität bezeichnet, Ls die Gesamt-Streuinduktivität in Bezug auf die Primärseite angibt, Rw den Gesamt-Wicklungsstreuwiderstand in Bezug auf die Primärseite angibt, und k das Verhältnis der Primärseiten-Streuinduktivität zu der Gesamt-Streuinduktivität Ls angibt. Ein geringer Wicklungswiderstand Rw bedeutet eine höhere Effizienz und ist daher erwünscht. Da die Magnetisierungsinduktivität Lm üblicherweise groß ist, hat die Zeitkonstante (2Lm + Ls)/Rw einen hohen Wert. Daher klingen die DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen langsam ab. Es ist deshalb erwünscht, Einrichtungen für einen Multiport-Active-Bridge-Wandler zu schaffen, um die DC-Offsets in dem Magnetisierungsstrom des Transformators während der Startphase zu vermeiden.
  • Überblick über die Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für einen bidirektionalen Multiport(n-Port)-Gleichspannungswandler zu schaffen, um zumindest DC-Offsets in dem Magnetisierungsstrom des Transformators zumindest während der Startphase zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Starten und Betreiben eines n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers gelöst, wobei n eine Anzahl eines beliebigen Ports ist und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port als Eingangs- oder Ausgangsport betreibbar ist, wobei jeder der Ports einen ersten, zweiten und dritten Phasenzweig aufweist, die jeweils dem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig der anderen n-1 Ports entsprechen, und wobei jeder Phasenzweig einen oberen aktiven Schalter und einen unteren aktiven Schalter aufweist, wobei eine Phasenverschiebung zwischen den Phasenzweigen jedes Ports vorliegt, wobei die Ports in der Lage sind, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung und umgekehrt umzuwandeln, wobei die Ports über einen Dreiphasen-Transformator oder über drei separate einphasige Transformatoren verbunden sind, die jeweils mit jedem der entsprechenden Phasenzweige jedes der n Ports verbunden sind, um Leistung zwischen den Ports zu übertragen, wobei die Schalter der Phasenzweige durch eine Steuereinheit betrieben werden, um zumindest einen anfänglichen DC-Offset in einem Magnetisierungsstrom IM zu verringern, der zu dem Zeitpunkt t = to startet, wobei sämtliche aktiven Schalter für t< to aus sind, wobei die Steuereinheit geeignet ist zum:
    • - Einteilen einer Schaltperiode T in sechs Intervalle t0 + T/6, t0 + T/3, t0 + T/2, t0 + 2T/3, t0 + 5T/6, t0 + T; wobei die Intervalle Intervallgrenzen für das Schalten der aktiven Schalter definieren; und
    • - zum Zeitpunkt t = t0, Einschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster und zweiter Phasenzweige, und Einschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports;
    • - zum Zeitpunkt t0 + T/6, Ausschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige und der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter der ersten Phasenzweige und der oberen aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports;
    • - zum Zeitpunkt t0 + T/3, Ausschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige sämtlicher n Ports;
    • - zum Zeitpunkt t0 + T/2, Ausschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige und Einschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige sämtlicher n Ports;
    • - zum Zeitpunkt t0 + 2T/3, Ausschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige und Einschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports; und
    • - zum Zeitpunkt t0 + 5T/6, Ausschalten der unteren aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige und Einschalten der oberen aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige sämtlicher n Ports.
  • Ein n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler weist eine Anzahl n von Ports und drei Phasen auf, wobei n ⊆ N. Der Wandler ist allgemein in seiner Zwei-Port-Dreiphasen-Form bekannt, die auch als Dual-Port-Active-Bridge-Wandler, kurz DAB-Wandler, bezeichnet wird. Für einen n-Port-Active-Bridge-Wandler, bei welchem n > 2 ist, werden die Begriffe „Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandler“, kurz „MAB-Wandler“ und „Multiport-DAB-Wandler“ austauschbar verwendet. Wenn Leistung in einer MAB-Wandlertopologie übertragen wird, wandelt mindestens einer der Ports als Eingangsport eine Eingangsgleichspannung in eine Eingangswechselspannung um, und mindestens einer der anderen Ports wandelt als Ausgangsport eine Ausgangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung um. Jedoch kann allgemein gesagt jeder Port eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandeln, und jeder Port kann einen bidirektionalen Leistungsfluss aufweisen. Unter Standby-Bedingungen, wenn die übertragene Leistung zwischen den Ports Null ist, wandeln sämtliche Ports eine Gleichspannung in eine Wechselspannung um, die nur reaktive Leistung in dem Transformator erzeugt.
  • Bei DAB-Wandlern bezieht sich eine Primärseite üblicherweise auf den Eingangsport des Gleichspannungswandlers. In entsprechender Weise bezieht sich eine Sekundärseite auf die andere Seite des Transformators, die mit dem Ausgangsport verbunden ist. Wenn die Primär- und die Sekundärseite voneinander isoliert sind, sind ihre jeweiligen Ports über einen Transformator verbunden. Nicht-isolierte Varianten können unter Verwendung von Induktoren oder Autotransformatoren zwischen Primär- und Sekundärports realisiert werden. Wenn der DAB-Wandler derart konfiguriert ist, dass er bidirektional ist, kann die Leistung entweder von der Primärseite zur Sekundärseite oder umgekehrt übertragen werden. Der erfindungsgemäße Gleichspannungskonverter kann als Multi-Phasen-DAB-Wandler mit drei Phasen konfiguriert sein.
  • Die Anzahl der Phasen bestimmt die Mindestanzahl von Spannungsbrücken in einem Port, bei denen es sich um die sogenannten Phasenzweige handelt. Ein Dreiphasen-DAB weist mindestens drei Phasenzweige in einem Port auf, wobei im Falle von mehr als drei Phasenzweigen einige Phasenzweige parallel geschaltet sind, um drei effektive Phasen zu bilden. Jeder Phasenzweig weist aktive Schalter in einer Zwei-Level- oder Multi-Level-Konfiguration auf. Durch das Schalten der aktiven Schalter (Schaltvorgang mit einem Schaltmuster) kann eine Eingangsgleichspannung in eine Eingangswechselspannung an den Transformator umgewandelt werden. Umgekehrt kann eine Ausgangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung umgewandelt werden. In der Regel sind die Leistungshalbleiterschalter vollständig ein- oder ausgeschaltet. Im Falle von Zwei-Level-Wandler-Phasenzweigen werden somit an dem Transformator Wechselspannungen erzeugt, die annähernd die Form einer Rechteckwelle (Rechteckwellenspannung) aufweisen. Im Fall von Multi-Level-Wandlern werden mehrstufige Wellenformen erzeugt. Infolgedessen wird die Spannung über die Transformatorwicklungen abgestuft. Gegebenenfalls sind die Ränder der Rechteckwellenspannung aufgrund der Verwendung sogenannter Snubber nicht unendlich steil, das heißt, die Form weicht von derjenigen einer Rechteckspannung ab (Stufenform an den Transformatorwicklungen). Snubbers werden verwendet, um einen dynamischen Spannungsausgleich bei Schaltoperationen zu gewährleisten (Snubber-Netzwerk). Der Begriff „Snubber-Netzwerk“ bezeichnet eine elektrische Schaltung mit Snubber-Elementen, die im Falle einer abrupten Unterbrechung des Stromflusses, beispielsweise störende Hochfrequenzen oder Spannungsspitzen neutralisieren sollen, die üblicherweise auftreten, wenn induktive Lasten geschaltet werden. Snubber-Elemente begrenzen die Rate des Spannungsanstiegs oder die Rate des Stromanstiegs in Halbleitern. Beispielsweise bewirken kapazitive Snubber ein Null-Spannungsschalten während des Ausschaltens der Leistungshalbleiter, wodurch Schaltverluste verringert werden.
  • Jeder Phasenzweig eines beliebigen Ports weist mindestens einen entsprechenden Phasenzweig in den anderen n-1 Ports auf. Der Phasenzweig uns sein entsprechender Phasenzweig sind über den Transformator direkt verbunden. Beispielsweise ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Multi-Port-Dreiphasen-Wandler ein Zwei-Port-Dreiphasen-Wandler, wobei die Primärseite die Phasenzweige A1, A2 und A3 aufweist, und die Sekundärseite die Phasenzweige B1, B2 und B3 aufweist, wobei die Phasenzweige A1 und B1 entsprechende Phasenzweige sind, ebenso wie A2 und B2 sowie A3 und B3 einander entsprechen. Wenn ein Drei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler vorgesehen ist, wären die Phasenzweige A1, B1 und C1 entsprechende Phasenzweige, ebenso wie A2, B2 und C2 sowie A3, B3 und C3 etc.
  • Je nach Konfiguration können zwei oder mehr aktive Schalter pro Phasenzweig verwendet werden. Geeignete Schalter für die Phasenzweige sind aktive Halbleiter (Leistungshalbleiter) wie beispielsweise Abschaltthyristoren, Transistoren, MOS-FETs, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder IGCTs (Integrated Gate-Commuted Thyristor) mit intelligenten Gate-Treiben. Alternativ kann der Fachmann auch andere geeignete aktive Schalter verwenden.
  • Der hier verwendete Begriff „Transformator“ bezieht sich auf einen Magnetkreis - üblicherweise ein Ferrit- oder Eisenkern - bei welchem die zugehörigen Wicklungen der Primär- und Sekundärphasenzweige um den Magnetkern angeordnet sind. Wenn jeder der Phasenzweige einen separaten Transformator aufweist, sinn nur die Leiter eines Primärphasenzweigs und der zugehörige andere Sekundärphasenzweig um den Transformator gewickelt, der diesem Phasenzweig zugeordnet ist. Die Magnetkerne der Transformatoren der einzelnen Phasenzweige sind sodann physisch voneinander getrennt. Der Begriff „Multiphasen-Transformator“ oder „m-Phasen-Transformator“ hingegen bezeichnet einen Transformator, der einen gemeinsamen Magnetkern für sämtliche Phasenzweige aufweist, wobei die Wicklungen der Phasenzweige eines ersten Ports, eines zweiten Ports und eines n-ten Ports in verschiedenen Bereichen des Magnetkerns angeordnet sind. Die Funktion eines Gleichspannungswandlers ist es, einen systematischen Spannungsabfall über die Wechselspannungen an dem Transformator durch die Streuinduktivität des Transformators zu bewirken und somit den Leistungsfluss zu steuern. Aktiv geschaltete Phasenzweige ermöglichen es, den Lastwinkel zwischen den primären und sekundären Wechselspannungen an dem Transformator unabhängig zu steuern und somit den Leistungsfluss systematisch zu steuern.
  • Sobald der Transformatorkern aufgrund großer DC-Offsets im Magnetisierungsstrom gesättigt ist, fließen hohe Ströme durch die Transformatorwicklungen (Magnetisierungsströme) und die Vorrichtungen in den aktiv geschalteten Brücken oder Phasenzweigen. Dies kann eine Überhitzung verursachen und zu einem Ausfall der Vorrichtung (Gleichspannungswandler) führen und sollte daher vermieden werden.
  • Die Steuereinheit muss nicht Teil des n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers sein, sondern kann auch ein externes Bauteil sein, das mit dem n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler verbunden ist, um die aktiven Schalter zu steuern. Dies ist vorteilhaft, wenn die Steuerung flexibel an die gegebene Anwendung angepasst werden muss. Eine derartige Steuereinheit, die kein integraler Bestandteil eines n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers ist, kann in einem verbundenen Netzwerk mit beispielsweise einem separaten gebauten Mikrocontroller, einem Digitalsignalprozessor (DSP) oder programmierbare Logikvorrichtungen, wie FPGA; eingebaut sein. Diese oder ähnliche Vorrichtungen können mit den Schaltern über einen Leistungshalbleiter-Gate-Treiber verbunden sein, der herkömmlicherweise las ein Teil der elektronischen Leistungswandler ausgebildet ist. Die Steuereinheit kann auch auf derselben Leiterplatte wie die Halbleiterschalter über Leiterpfade integriert sein, oder sie kann auf externen Leiterplatten integriert und dann über Kabel verbunden sein. Die Verbindung (beispielsweise Kabel) kann auf verschiedene Weisen realisiert werden, beispielsweise über eine Leiterplatte, ein normales Kabel, ein Koaxialkabel, ein Bandkabel, ein RJ-45-Kabel, optische Signale (beispielsweise einen Lichtwellenleiter) etc. Solange der Gleichspannungswandler einen Anschlussport für einen Gate-Treiber bietet, kann die Steuereinheit auch als ein Steuer-Rack/eine Steuerplattform ausgebildet sein, die mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist.
  • Während des Starts eines Zwei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers, wenn der Gleichspannungswandler den Transformator mit Energie beaufschlagt, ohne aktive Leistung von dem Eingangs-Gleichspannungsbus (Eingangsport) an den Ausgangs-Gleichspannungsbus (Ausgangsport) zu übertragen, kann das Anwenden einer speziellen Schaltsequenz der aktiven Schalter eine sofortige Magnetisierungskorrektur des Transformatorkerns bewirken und eliminiert somit DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen des Transformators. Um eine Sättigung nach dem Stand der Technik zu vermeiden, muss der Kern überdimensioniert sein, um diesen Nachteil zu vermeiden.
  • Die Intervallgrenzen sind durch die Unterteilung der Intervalle definiert. Die Anzahl der Intervallgrenzen ist durch die Anzahl der Intervalle plus eins definiert. Bei drei Phasen beträgt die Anzahl der Intervalle sechs, sodass sieben Intervallgrenzen vorliegen. Die Intervallgrenzen beginnen zum Startzeitpunkt to und enden zu einem Zeitpunkt to+T, wobei T eine Periodenlänge angibt. Die Zeit dazwischen wird gleichmäßig durch die verbleibende Anzahl von Intervallgrenzen aufgeteilt. Wenn gemäß dem genannten Beispiel (drei Phasen) die Periode T in sechs Teile unterteilt ist, finden sich die Intervallgrenzen an den Zeitpunkten to , to + T/6, to + T/3, to + T/2, to + 2T/3, t0 + 5T/6, t0 + T. Hierbei bezeichnet das Zeitintervall to + T/6 das Intervall von to bis T/6 mit den Zeitpunkten to und T/6 als Grenzen dieses Intervalls. Das nachfolgende Zeitintervall to + T/3 bezeichnet das Intervall von T/3 bis T/2 mit den Zeitpunkten T3 und T/2 als Grenzen dieses Intervalls. Das Zeitintervall to + 2T/3 bezeichnet das Intervall von T/2 bis 2T/3 mit den Zeitpunkten T2 und 2T/3 als Grenzen dieses Intervalls. Das Zeitintervall to + 5T/6 bezeichnet das Intervall von 2T/3 bis 5T/6 mit den Zeitpunkten 2T/3 und 5T/6 als Grenzen dieses Intervalls. Das Zeitintervall to + T bezeichnet das Intervall von 5T/6 bis T mit den Zeitpunkten 5T/6 und T als Grenzen dieses Intervalls.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht zumindest das Starten eines Gleichspanungswandlers ohne das Erregen von DC-Offsets im Magnetisierungsstrom des Transformators während der Startphase.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel beträgt ein Taktzyklus der Schaltperiode T 50%. Bei normalem stationärem Betrieb ermöglicht der Taktzyklus von 50% eine einfache Leistungsregelung mit symmetrischen Spannungs- und Stromwellenformen.
  • Nach einem anderen Ausführungsbeispiel betragen die Phasenverschiebungen zwischen den Zweigen der Primär- und der Sekundärseite 120°, da die Phasenverschiebungen zwischen den Phasenzweigen jedes Ports 360/Anzahl der Phasen betragen. Es ist der Normalbetriebsmodus des DAB-Wandlers den Weichschaltbetrieb aufrechtzuerhalten, um die Schaltverluste und EMI zu verringern.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Starten eines n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers gilt n = 2, was zu einem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler führt, wobei der erste Port eine Primärseite und der zweite Port eine Sekundärseite ist.
  • Nach einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ferner geeignet zum Betreiben des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers nach der Durchführung des Startens des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers, nämlich durch
    • - Vorbestimmen einer zu übertragenden Leistung des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers entsprechend einem gegebenen relativen Lastwinkel φ21 = φs-φp zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers,
    • - Schalten sämtlicher aktiver Schalter der Primärseite derart, dass jeder Phasenzweig der Primärseite sich um einen primären Lastwinkel φp, , wobei φp= -x * φ mit x < 1, relativ zu den Intervallgrenzen eines beliebigen Intervalls entsprechend dem Einteilungsschritt verschiebt, in welchem die Eingangswechselspannung der drei Phasenzweige der Primärseite ihr Vorzeichen ändert, und
    • - Schalten sämtlicher aktiver Schalter der Sekundärseite derart, dass jeder Phasenzweig der Sekundärseite sich um einen sekundären Lastwinkel φs , wobei φs= (1 - x) * φ, relativ zu den Intervallgrenzen eines beliebigen der drei Intervalle entsprechend dem Einteilungsschritt verschiebt, in welchem die Ausgangswechselspannung der drei Phasenzweige der Sekundärseite ihr Vorzeichen ändert.
  • Diese Schritte werden auch als unmittelbare Flusssteuerung (IFC - Instantaneous flux control) bezeichnet.
  • Wenn Leistung in einer DAB-Wandlertopologie übertragen wird, wandelt eine der Seiten (Primärseite) eine Eingangsgleichspannung in eine Eingangswechselspannung an den Transformator um, und die andere Seite (Sekundärseite) wandelt eine Ausgangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung um. Jedoch kann allgemein gesagt jede Seite eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandeln, und jede Seite kann einen bidirektionalen Leistungsfluss aufweisen. Unter Standby-Bedingungen, wenn die übertragene Leistung zwischen der Primär- und der Sekundärseite Null ist, sind beide Seiten in der Lage, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln. Ein Dreiphasen-DAB weist mindestens drei Phasenzweige in einem Port auf, wobei im Falle von mehr als drei Phasenzweigen einige Phasenzweige parallel geschaltet sind, um drei effektive Phasen zu bilden. Jeder Phasenzweig weist aktive Schalter in einer Zwei-Level- oder Multi-Level-Konfiguration auf. Durch das Schalten der aktiven Schalter (Schaltvorgang) kann eine Eingangsgleichspannung in eine Eingangswechselspannung an den Transformator umgewandelt werden. Umgekehrt kann eine Ausgangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung umgewandelt werden.
  • Sobald der Transformatorkern aufgrund großer DC-Offsets im Magnetisierungsstrom gesättigt ist, fließen hohe Ströme durch die Transformatorwicklungen und die Vorrichtungen in den aktiv geschalteten Brücken oder Phasenzweigen. Dies kann eine Überhitzung verursachen und zu einem Ausfall des Gleichspannungswandlers führen und sollte daher vermieden werden.
  • Eine vorbestimmende übertragene Leistung des n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers ist erforderlich, um eine Last an mindestens einem beliebigen Port, der als Ausgangsport gewählt wurde, in Bezug zu mindestens einem Eingangsport mit Leistung zu versorgen. Um diese Leistung zu übertragen, wird ein relativer Lastwinkel zwischen dem/den Eingangs- und dem Ausgangsport/-s vorgesehen. Daher wird ein gegebener relativer Lastwinkel φi1 = φi - φ1 zwischen dem absoluten Lastwinkel φi eines beliebigen Ports i und dem absoluten Lastwinkel φ1 eines Referenzports 1 definieret, wobei i ≠ 1. Der Referenzport ist ein beliebiger Port 1, da die Gleichspannungswandler stets mindestens einen Port aufweisen. Der absolute Lastwinkel φi eines Ports i bezeichnet den Winkel zwischen der Anstiegsflanke der Wechselspannung des Ports i und der entsprechenden Intervallgrenze.
  • Die Vorrichtung zum Betreiben des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers nach dem Durchführen des Starts ermöglicht ferner einem Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandler das Vermeiden von DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen des Transformators während des Starts und das Regeln der DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen während Übergangszuständen bei Laständerungen.
  • Nach einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Schalten umgekehrt oder zyklisch umgekehrt. Das Schalten kann aufgrund der Symmetrie der Schaltzustände umgekehrt oder zyklisch umgekehrt sein.
  • Nach einem anderen Ausführungsbeispiel ergibt sich der Parameter x aus der folgenden Gleichung x = U in * L p / ( U in * N tr * L s + U out * L p )
    Figure DE202017007018U1_0001
    wobei Uin und Uout die Eingangs- und Ausgangsgleichspannung bezeichnen, Lp und Ls die primärseitige Streuinduktivität und die sekundärseitige Streuinduktivität (bezogen auf die Sekundärseite) bezeichnen, und Ntr das Windungsverhältnis des Transformators zwischen der Primärseite und der Sekundärseite angibt.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel, das bei Zwei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlern angewandt wird, kann das Verfahren der unmittelbaren Flusssteuerung (IFC) mit einem Stromsteuerverfahren (CC) für einen Dreiphasen-DAB kombiniert werden, was zu einem Verfahren zur unmittelbaren Flussstromsteuerung (IFCC - instantaneous flux current control) führt. Dies ermöglicht eine hochdynamische Lastwinkeländerung des gegebenen relativen Lastwinkels φ21 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*τ))* φ21,a + (φ21,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 t0 + T/6, t0 + T/3, t0 + T/2, t0 + 2T/3, t0 + 5T/6, t0 + T von einem Startpunkt t0 aus aufweist; und wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to: Schalten des Phasenzweigs A1 mit einem Lastwinkel von -xφ21,a und Schalten des Phasenzweigs B1 mit einem Lastwinkel von (1-x)φ21,a;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to+ T/6: Schalten des Phasenzweigs A3 mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B3 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to+ T/3: Schalten des Phasenzweigs A2 mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B2 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to+ T/2: Schalten des Phasenzweigs A1 mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B1 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to+ 2T/3: Schalten des Phasenzweigs A3 mit einem Lastwinkel von -xφ21,b und Schalten des Phasenzweigs B3 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ 5T/6: Schalten des Phasenzweigs A2 mit einem Lastwinkel von -xφ21,b und Schalten des Phasenzweigs B2 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b; und
    • - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ T: Schalten des Phasenzweigs A1 mit einem Lastwinkel von-xφ21,b nd Schalten des Phasenzweigs B1 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein System mit einem n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler, der geeignet ist, einen anfänglichen DC-Offset in einem Magnetisierungsstrom IM zumindest zu verringern, wobei n eine Anzahl eines beliebigen Ports ist und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port als Eingangs- oder Ausgangsport betreibbar ist, wobei jeder der Ports einen ersten, zweiten und dritten Phasenzweig aufweist, die jeweils dem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig der anderen n-1 Ports entsprechen, und wobei jeder Phasenzweig einen oberen aktiven Schalter und einen unteren aktiven Schalter aufweist, wobei eine Phasenverschiebung zwischen den Phasenzweigen jedes Ports vorliegt, wobei die Ports in der Lage sind, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung und umgekehrt umzuwandeln, wobei die Ports über einen Dreiphaen-Transformator oder über drei separate einphasige Transformatoren verbunden sind, die jeweils mit jedem der drei Phasenzweige verbunden sind, um Leistung zwischen den Ports zu übertragen, und mit einer Steuereinheit, die geeignet ist, sämtliche aktiven Schalter der n Ports entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems ist der n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler ein n-Port-Dreiphasen-Multilevel-Active-Bridge-Wandler, der für einen höheren Spannungspegel geeignet ist.
  • Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel des Systems beträgt die Anzahl n der Ports 2, was zu einem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler führt, wobei der erste Port eine Primärseite und der zweite Port eine Sekundärseite ist. Der Dreiphasen-Wandler verringert die Größe der Filterkondensatoren und der Abschaltströme der Halbleitervorrichtungen. Ferner sind die Steuerverfahren und die Leistungselektronik-Bausteine für Dreiphasen-Systeme gut entwickelt.
  • Nach einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit zusätzlich geeignet, die Schalter der drei Phasenzweige entsprechend dem Verfahren zum Betreiben des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers zu betreiben, nachdem das Starten des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers durchgeführt wurde.
  • Nach einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit zusätzlich geeignet, die Schalter der drei Phasenzweige entsprechend dem Verfahren zur unmittelbaren Flussstromsteuerung (IFCC) zu betreiben.
  • Nach einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit ein Teil des n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers, wodurch eine kompakte Einheit geschaffen ist, ohne ein elektrisches Verbinden des Gleichspannungswandlers mit einer externen Steuereinheit in einem zusätzlichen Schritt zu erfordern.
  • Figurenliste
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung werden in den Zeichnungen näher offenbart, welche zeigen:
    • 1: eine schematische Ansicht eines Zwei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers, d.h. DAB;
    • 2: eine schematische Ansicht eines Drei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers;
    • 3: Spannungswellenformen von Eingangsgleichspannung (durchgezogene Linien) und Ausgangsgleichspannung (gestrichelte Linien) des Soft-Starts für einen Drei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Zeit t, um DC-Offset in dem Magnetisierungsstrom während des Starts zu verringern oder zu vermeiden;
    • 4: eine qualitative Darstellung der Trajektorie des Magnetisierungsstrom-Raumvektors in der aß-Ebene während des Starts unter Verwendung a) des Stromsteuerverfahrens nach dem Stand der Technik und b) des Soft-Start-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 5: Spannungswellenformen von Eingangsgleichspannung (durchgezogene Linien) und Ausgangsgleichspannung (gestrichelte Linien) der unmittelbaren Flusssteuerung zum Schalten eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers in Abhängigkeit von der Zeit t, um DC-Offset in dem Magnetisierungsstrom während des Betriebs zu verringern oder zu vermeiden;
    • 6: Spannungswellenformen von Eingangsgleichspannung (durchgezogene Linien) und Ausgangsgleichspannung (gestrichelte Linien) der unmittelbaren Flusssteuerung mit dynamischer Lastwinkeländerung gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Zeit t, um DC-Offset in dem Magnetisierungsstrom während Übergangszuständen von Lastwinkeländerungen zu verringern oder zu vermeiden;
    • 7: Stromwellenformen des Phasenstroms IPh(A), des Magnetisierungsstroms IM(A) und der Lastwinkeländerung φ21(°), wobei ein Schaltschema nach dem Stand der Technik bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird;
    • 8: Stromwellenformen des Phasenstroms IPh(A), des Magnetisierungsstroms IM(A) und der Lastwinkeländerung φ21(°), wobei ein Soft-Start-Schaltschema nach der vorliegenden Erfindung bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird;
    • 9: a) eine Vergrößerung von Magnetisierungsströmen in 6 während des Starts ohne ein Soft-Start-Schaltverfahren; und b) eine Vergrößerung von Magnetisierungsströmen in 8 während des Starts, wobei ein Soft-Start-Schaltschema nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
    • 10: Stromwellenformen des Phasenstroms IPh(A), des Magnetisierungsstroms IM(A) und der Lastwinkeländerung φ21(°), wobei sowohl das Soft-Start-Schaltschema, als auch das Schaltschema der unmittelbaren Flusssteuerung nach der vorliegenden Erfindung bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird;
    • 11: a) eine Vergrößerung von Magnetisierungsströmen in 7 während der Leistungsumkehr, wobei ein Schaltschema nach dem Stand der Technik bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird; und b) eine Vergrößerung von Magnetisierungsströmen in 10 während des Betriebs bei einer Leistungsumkehr, wobei sowohl das Soft-Start-Schaltschema, als auch das Schaltschema der unmittelbaren Flusssteuerung nach der vorliegenden Erfindung bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird;
    • 12: ein Verfahren zum Starten des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers nach der vorliegenden Erfindung;
    • 13: ein Verfahren zur unmittelbaren Flusssteuerung für den Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler nach der vorliegenden Erfindung; und
    • 14: ein System nach der vorliegenden Erfindung, bei dem (a) die Steuereinheit separat von dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler angeordnet ist und (b) die Steuereinheit Teil des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers ist.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers (DAB). Sowohl die Primär-, als auch die Sekundärseite 14, 15 kann als Eingangs- oder Ausgangsseite betrieben werden. Jede der Seiten 14, 15 weist drei Phasenzweige 16 auf, die mit A1, A2 und A3 auf der Primärseite und B1, B2 und B3 auf der Sekundärseite bezeichnet sind. Eine Phasenverschiebung 20 ist zwischen den Phasenzweigen 16 jeder Seite 14, 15 definiert. Währen der Begriff „Phasenverschiebung“ einen Unterschied der Phasen zwischen Wechselspannungen der Phasenzweige in demselben Port bezeichnet, was in 3 dargestellt ist, kann das Verb „phasenverschieben“ oder „Phasen verschieben“ eine Modifizierung eines zu verschiebenden absoluten Lastwinkels φ1 , φ2 bezeichnen. Dies kann lediglich einen Phasenzweig betreffen. Letzteres kann auch als „Verändern eines Lastwinkels y zu einem Lastwinkel z“ beschrieben werden, um Verwechslungen zu vermeiden. Die Primär- und die Sekundärseite 14, 15 können eine Gleichspannung Uin , Uout in eine Wechselspannung v umwandeln und umgekehrt, wobei im Standardbetrieb die Eingangsseite (hier die Primärseite 14) eine Eingangsgleichspannung Uin in eine Eingangswechselspannung umwandelt und die Ausgangsseite (hier die Sekundärseite 15) eine Ausgangswechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung Uou umwandelt. Die Primär- und die Sekundärseite 14, 15 sind über einen Dreiphasen-Transformator 25 oder über drei separate Einphasen-Transformatoren 25 miteinander verbunden, die jeweils mit jedem der drei Phasenzweige 16 jeder der Seiten 14, 15 verbunden sind, um Leistung zwischen den Seiten 14, 15 zu übertragen. Die Schalter 17, 19 der Phasenzweige 16 werden über eine Steuereinheit 30 nach dem Start-Schaltschema und/oder nach dem Schaltschema der unmittelbaren Flusssteuerung nach der vorliegenden Erfindung betrieben, um zumindest einen anfänglichen DC-Offset 32 in einem Magnetisierungsstrom IM während der Startphase und/oder während des späteren Betriebs zu verringern. Die Eingangsseite des Dual-Active-Bridge-Wandlers (DAB) kann als eine Primärseite 14 bezeichnet werden. Der Ausgangsport des DAB-Wandlers kann als eine Sekundärseite 15 bezeichnet werden. Die Potential-Knoten 11, 12, 13 an den Phasenzweigen der Primärseite und 21, 22, 23 an den Phasenzweigen der Sekundärseite sind mit dem Transformator 25 verbunden. Der Begriff „Phasenzweige derselben Seite“ bei einem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler bezeichnet sämtliche Primär-Phasenzweige der Primärseite oder sämtliche Sekundär-Phasenzweige der Sekundärseite.
  • 2 zeigt einen n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler 10, wobei n = 3 ist, d.h. einen Drei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler 10. Der Gleichspannungswandler weist drei Ports 1, 2, 3 auf, wobei jeder Port einen ersten, einen zweiten und einen dritten Phasenzweig 16 aufweist, die jeweils einen oberen aktiven Schalter 17 und einen unteren aktiven Schalter 9 aufweisen. Der erste, zweite und dritte Phasenzweig 16 jedes Ports 1, 2, 3 entspricht dem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig 16 der anderen Ports. (Der erste Phasenzweig des Ports 1 entspricht dem ersten Phasenzweig des Ports 2 und dem ersten Phasenzweig des Ports 3.) Die entsprechenden Phasenzweige sind über den Transformator 25 direkt miteinander verbunden. Die Gleichspannung U liegt an jedem Port an.
  • 3 zeigt die Spannungswellenformen eines sogenannten „Soft-Start-Verfahrens“ zum Starten des Betriebs eines Zwei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers unter Vermeidung von DC-Offsets in dem Magnetisierungsstrom. Das Soft-Start-Verfahren weist Schritte zum Starten des Zwei-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers 10 zum Zeitpunkt t = to auf, wobei sämtliche aktiven Schalter 17, 19 für t<to ausgeschaltet sind. Der Dreiphasen-DAB-Wandler weist eine Primärseite 14 auf, 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 die Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 11 des ersten Phasenzweigs auf der Primärseite und dem Mittelpunkt 18 des Gleichspannungszwischenkreises an dem Eingangsport in 1 definiert. Die Spannung 112 ist als die Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 12 des zweiten Phasenzweigs auf der Primärseite und dem Mittelpunkt 18 des Gleichspannungszwischenkreises an dem Eingangsport in 1 definiert. Die Spannung 113 ist als die Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 13 des dritten Phasenzweigs auf der Primärseite und dem Mittelpunkt 18 des Gleichspannungszwischenkreises an dem Eingangsport in 1 definiert. Entsprechend ist die Spannung 121 ist als die Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 21 des ersten Phasenzweigs auf der Sekundärseite und dem Mittelpunkt 28 des Gleichspannungszwischenkreises an dem Ausgangsport in 1 definiert. Die Spannung 122 ist als die Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 22 des zweiten Phasenzweigs auf der Sekundärseite und dem Mittelpunkt 28 des Gleichspannungszwischenkreises an dem Ausgangsport in 1 definiert. Die Spannung 123 ist als die Potentialdifferenz zwischen dem Potentialknoten 23 des dritten Phasenzweigs auf der Sekundärseite und dem Mittelpunkt 28 des Gleichspannungszwischenkreises an dem Ausgangsport in 1 definiert. Ferner zeigt 5 Rechteckwellenformen mit einem Taktzyklus von 50% und einer Frequenz von f = 1/T. Die Schaltperiode T ist dabei in sechs relevante Intervalle unterteilt: t0 + T/6, t0 + T/3, t0 + T/2, t0 + 2T/3, t0 + 5T/6, t0 + T, wobei die Intervallgrenzen 40 bei to, T/6, T/3, T/2, 2T/3, 5T/6 und T liegen. Die Periode T bis 2T wird für den Moment außer Acht gelassen. In der ersten Schaltperiode ist der gegeben relative Lastwinkel zwischen der Primärseiten-Bridge und der Sekundärseiten-Bridge 0, wobei die Schalter wie folgt betrieben werden:
    • - zum Zeitpunkt t = to, Einschalten der oberen aktiven Schalter 17 der Phasenzweige A1, A2, B1 und B2, und Einschalten der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A3 und B3;
    • - zum Zeitpunkt to + T/6, Ausschalten der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A1 und B1 und der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A3 und B3, und Einschalten der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A1 und B1 und der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A3 und B3;
    • - zum Zeitpunkt t0 + T/3, Ausschalten der oberen aktiven Schalter des Phasenzweigs A2 und B2 und Einschalten der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A2 und B2;
    • - zum Zeitpunkt t0 + T/2, Ausschalten der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A1 und B1 und Einschalten der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A1 und B1;
    • - zum Zeitpunkt t0 + 2T/3, Ausschalten der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A3 und B3 und Einschalten der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A3 und B3; und
    • - zum Zeitpunkt t0 + 5T/6, Ausschalten der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A2 und B2 und Einschalten der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A2 und 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 A2 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.
  • 4 zeigt eine qualitative Darstellung der Trajektorie des Strom-Raumvektors in der aß-Ebene während des Starts unter Verwendung a) des Stromsteuerverfahrens nach dem Stand der Technik und b) des Soft-Start-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. In a) ist das Zentrum der Strom-Raumvektoren in der αβ-Ebene nach dem Durchlaufen eines vollständigen Schaltzyklus nicht verschoben. Dies ist durch das Durchführen der Schaltschritte in einer nicht-zyklischen Abfolge verursacht. Daher eliminiert das erfindungsgemäße Soft-Start-Verfahren das DC-Offset 32 des Magnetisierungsstroms IM während des Starts, während 4b) einen erheblichen DC-Offset 32 im Falle der Durchführung eines nicht-adaptierten Schaltschemas während des Starts zeigt.
  • 5 zeigt Spannungswellenformen von Eingangsgleichspannung (durchgezogene Linien 111, 112, 113) und Ausgangsgleichspannung (gestrichelte Linien 121, 122, 123) der unmittelbaren Flusssteuerung zum Schalten eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers 10 in Abhängigkeit von der Zeit t, um DC-Offset in dem Magnetisierungsstrom IM während des Betriebs zu verringern oder zu vermeiden. Die sechs Intervalle 38 definieren die sieben Intervallgrenzen 40 zu den Zeitpunkten to, to + T/6, to + T/3, to + T/2, to + 2T/3, to + 5T/6 und to + T. Eine Wechselspannung des ersten Phasenzweigs A1, 16 auf der Primärseite 111 ist daher bei t0 um den Lastwinkel φp verschoben und dementsprechend ist eine Wechselspannung des ersten Phasenzweigs B1, 16 auf der Sekundärseite 121 daher bei to um den Lastwinkel φs verschoben. Dieselben Wechselspannungen 111 und 121 sind bei to + T/2 bzw. to + T um φp bzw. φs verschoben. Der Zeitpunkt der Verschiebung entspricht stets der Wellenform bei deren Nulldurchgang und dem daraus folgenden Vorzeichenwechsel. Der Grund für den Vorzeichenwechsel ist das Schalten von ein nach aus oder umgekehrt. Auf dieselbe Weise wird eine Wechselspannung des zweiten Phasenzweigs B2, 16 auf der Primärseite 112 ebenfalls bei t0 + T/3 um den Lastwinkel φp verschoben und dementsprechend wird eine Wechselspannung des zweiten Phasenzweigs B2, 16 auf der Sekundärseite 122 daher bei to + T/3 um den Lastwinkel φs verschoben. Dieselben Wechselspannungen 112 und 122 werden jeweils bei to + 5T/6 um φp bzw. φs verschoben. Eine Wechselspannung des dritten Phasenzweigs auf der Primärseite 113 wird sodann bei to + T/6 um den Lastwinkel φp verschoben und dementsprechend wird eine Wechselspannung des dritten Phasenzweigs B3, 16 auf der Sekundärseite 123 ebenfalls bei to+ T/6 um den Lastwinkel φs verschoben. Dieselben Wechselspannungen 113 und 123 werden jeweils bei to + 2T/3 um φp bzw. φs verschoben. Dieses Verfahren wird als das unmittelbare Flusssteuerverfahren bezeichnet und vermeidet DC-Offsets in Magnetisierungsströmen während Lastwinkeländerungen.
  • Für eine dynamische Änderung des Lastwinkels kann das unmittelbare Flusssteuerverfahren zusätzlich verwendet werden, um DC-Offset im Magnetisierungsstrom und ein Überschwingen im Transformatorstrom zu vermeiden. Bei einem Dreiphase-Dual-Active-Bridge Wandler definiert das Verfahren einen Phasenverschiebungsfaktor x, der sich aus der folgenden Gleichung ergibt: x = U in * L p / ( U in * N tr * L s + U out * L p )
    Figure DE202017007018U1_0002
    wobei Uin und Uout die Eingangs- und Ausgangsgleichspannungen, Lp und Ls bezeichnen die Streuinduktivitäten der Primärseite und der Sekundärseite und Ntr das Windungsverhältnis des Transformators 25.
  • 6 zeigt Spannungswellenformen der Eingangsgleichspannung (durchgezogene Linien) und der Ausgangsgleichspannung (gestrichelte Linien) der unmittelbaren Flusssteuerung mit dynamischer Lastwinkeländerung gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Zeit t, um DC-Offset in dem Magnetisierungsstrom während des Betriebs zu verringern oder zu vermeiden. In dem Schaltdiagramm der 5 wird der gegebene relative Lastwinkel φ21 dynamisch von einem ersten Lastwinkel φ21,a zu einem zweiten Lastwinkel φ21,b verändert, wobei ein Zwischen-Lastwinkel φ21,t als (p21,t = (exp(-1/(2*f*τ))* φ21,a + φ21,b)/(exp(-1/(2*f*τ)) + 1) mit τ = (Ls1 + N12 2 * Ls2)/Rw definiert ist, wobei Rw ein Gesamt-Wicklungswiderstand des Transformators ist, Ls1 die Streuinduktivität der Primärseite bezeichnet, Ls2 die Streuinduktivität der Sekundärseite (bezogen auf die Sekundärseite) bezeichnet. Bei drei Phasen weist das Schaltverfahren sechs Intervalle to + T/6, to + T/3, to + T/2, to + 2T/3, to + 5T/6, to + T von einem Startpunkt to aus auf, und wird wie folgt geschaltet:
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to: Schalten des Phasenzweigs A1, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 111 handelt, mit einem Lastwinkel von -xφ21,a und Schalten des Phasenzweigs B1, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 121 handelt, mit einem Lastwinkel von (1-x)φ21,a;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ T/6: Schalten des Phasenzweigs A3, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 113 handelt, mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B3, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 123 handelt, mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to+ T/3: Schalten des Phasenzweigs A2 , wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 112 handelt, mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B2, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 122 handelt, mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to+ T/2: Schalten des Phasenzweigs A1, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 111 handelt, mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B1, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 121 handelt, mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt to+ 2T/3: Schalten des Phasenzweigs A3, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 113 handelt, mit einem Lastwinkel von -xφ21,b und Schalten des Phasenzweigs B3, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 123 handelt, mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b;
    • - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ 5T/6: Schalten des Phasenzweigs A2, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 112 handelt, mit einem Lastwinkel von -xφ21,b und Schalten des Phasenzweigs B2, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 122 handelt, mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b; und
    • - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ T: Schalten des Phasenzweigs A1, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 111 handelt, mit einem Lastwinkel von-xφ21,b und Schalten des Phasenzweigs B1, wobei es sich um die Phasenverschiebung einer Wechselspannung 121 handelt, mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b.
  • 7 zeigt Stromwellenformen des Phasenstroms IPh(A), des Magnetisierungsstroms IM(A) und der Lastwinkeländerung φ21(°), wobei ein Schaltschema nach dem Stand der Technik bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird. 6 zeigt die Stromübergänge im Falle eines Starts eines Dual-Active-Bridge-Wandlers und einer schnellen Änderung des relativen Lastwinkels φ21 unter Verwendung der Stromsteuerung nach dem Stand der Technik. Wenn φ21 null ist, weist der Magnetisierungsstrom IM bereits einen DC-Offset auf. Der Magnetisierungsstrom IM und der Phasenstrom IPH erzeugen ein großes Überschwingen („Offshoot“) 32, das vermieden werden sollte, wenn φ21 von negativ zu positiv geändert wird. Die sich ergebenden DC-Offsets 32 in den Magnetisierungsströmen sind klar erkennbar und erfordern lange Zeit zum Abklingen.
  • 8 zeigt Stromwellenformen des Phasenstroms IPh(A), des Magnetisierungsstroms IM(A) und der Lastwinkeländerung φ21(°), wobei ein Soft-Start-Schaltschema nach der vorliegenden Erfindung bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird. Verglichen mit der in 7 dargestellten Grafik werden bei Verwendung des erfindungsgemäßen Start-Verfahrens die DC-Offsets in den Magnetisierungsströmen IM während des Starts nicht erregt. Die Amplitude von IM in 8 ist viel geringer als die Amplitude von IM in 7. Wenn sich der Lastwinkel abrupt ändert, zeigt der Magnetisierungsstrom IM jedoch weiterhin ein starkes, wenn auch im Vergleich mit 6, in der das Soft-Start-Verfahren nicht angewandt ist, geringeres Überschwingen, und einen erkennbaren DC-Offset 32.
  • 9 zeigt a) eine Vergrößerung von Magnetisierungsströmen in 6 während des Starts; und b) eine Vergrößerung von Magnetisierungsströmen in 8 während des Starts, wobei ein Soft-Start-Schaltschema nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Der anfängliche Magnetisierungsstrom IM wird in T/6 stabilisiert, wenn das Soft-Start-Verfahren angewandt wird. Der Effekt, dass der DC-Offset 32 verringert wurde, ist klar erkennbar.
  • 10 zeigt Stromwellenformen des Phasenstroms IPh(A), des Magnetisierungsstroms IM(A) und der Lastwinkeländerung φ21(°), wobei sowohl das Soft-Start-Schaltschema, als auch das Schaltschema der unmittelbaren Flusssteuerung nach der vorliegenden Erfindung bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird. Verglichen mit 7 und 8 sind die DC-Offsets 32 während des Starts und während einer schnellen Änderung des relativen Lastwinkels geringer, nahezu nicht erkennbar. Es kann daher gesagt werde, dass die DC-Offsets eliminiert sind. Während abrupter Lastwinkeländerungen sind lediglich Überschwingungen zu erkennen, die erheblich geringer sind, da Überschwingungen nur für eine Hälfte eines Schaltzyklus auftreten, wonach die DC-Offsets 0 sind. Somit vermeidet sowohl das Soft-Start-Schaltschema, als auch das Schaltschema der unmittelbaren Flusssteuerung nach der vorliegenden Erfindung eine Erregung des DC-Offsets während des Starts und Übergangszuständen von Lastwinkeländerungen.
  • 11 zeigt a) eine Vergrößerung von Magnetisierungsströmen in 7 während der Leistungsumkehr, wobei ein Schaltschema nach dem Stand der Technik bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird; und b) eine Vergrößerung von Magnetisierungsströmen in 10 während des Betriebs bei einer Leistungsumkehr, wobei sowohl das Soft-Start-Schaltschema, als auch das Schaltschema der unmittelbaren Flusssteuerung nach der vorliegenden Erfindung bei dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler verwendet wird. In 11b) wird der Magnetisierungsstrom IM während der Leistungsumkehr stabilisiert und das Überschwingen (DC-Offset 32) ist im Vergleich mit den Umständen in 11a), die ohne das Verfahren der unmittelbaren Flusssteuerung gegeben sind, viel geringer.
  • 12 zeigt ein Verfahren zum Starten des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers nach der vorliegenden Erfindung und zum Betreiben eines Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers 10, der eine Primärseite 14, welche eine Gleichspannung Uin in eine dreiphasige Eingangswechselspannung v umwandelt, und eine Sekundärseite 15 aufweist, die eine dreiphasige Ausgangswechselspannung v in eine Ausgangsgleichspannung Uout umwandelt, wobei die Primärseite 14 drei Phasenzweige 16 A1, A2, A3 mit mehreren aktiven Schaltern 18 aufweist, die aus einem oberen aktiven Schalter 17 und einem unteren aktiven Schalter 19 pro Phasenzweig 16 bestehen, und die Sekundärseite 15 drei Phasenzweige B1, B2, B3 mit mehreren aktiven Schaltern 18 aufweist, die aus einem oberen aktiven Schalter 17 und einem unteren aktiven Schalter 19 pro Phasenzweig bestehen, wobei zwischen den Phasenzweigen derselben Seite 14, 15 eine Phasenverschiebung 20 besteht, wobei die Eingangswechselspannung über einen Dreiphasen-Transformator 25 oder über drei separate Einphasen-Transformatoren 25, die jeweils mit jedem der drei Phasenzweige 16 verbunden sind, in die Ausgangswechselspannung umgewandelt wird, wobei die Schalter 18 der drei Phasenzweige 16 durch eine Steuereinheit 30 entsprechend dem Verfahren betrieben werden, um zumindest einen anfänglichen DC-Offset 32 in einem Magnetisierungsstrom IM zu reduzieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    • - Einteilen 210 einer Schaltperiode T in sechs Intervalle t0 + T/6, t0 + T/3, t0 + T/2, t0 + 2T/3, t0 + 5T/6, t0 + T; wobei die Intervalle 38 Intervallgrenzen 40 für das Schalten der aktiven Schalter 18 definieren; und
    • - zum Zeitpunkt t = t0, zu dem sämtliche aktiven Schalter 18 für t<t0 ausgeschaltet sind, Einschalten 220 der oberen aktiven Schalter 17 der Phasenzweige A1, A2, B1 und B2, und Einschalten 222 der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A3 und B3;
    • - zum Zeitpunkt t0 + T/6, Ausschalten 230 der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A1 und B1 und der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweig A3 und B3 und Einschalten 232 der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A1 und B1 und der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A3 und B3;
    • - zum Zeitpunkt t0 + T/3, Ausschalten 240 der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A2 und B2 und Einschalten 242 der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A2 und B2;
    • - zum Zeitpunkt t0 + T/2, Ausschalten 250 der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A1 und B1 und Einschalten 252 der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A1 und B1;
    • - zum Zeitpunkt to + 2T/3, Ausschalten 260 der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A3 und B3 und Einschalten 262 der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A3 und B3;
    • - zum Zeitpunkt to + 5T/6, Ausschalten 270 der unteren aktiven Schalter 19 des Phasenzweigs A2 und B2 und Einschalten 272 der oberen aktiven Schalter 17 des Phasenzweigs A2 und B2.
  • 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur unmittelbaren Flusssteuerung für den Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler nach der vorliegenden Erfindung, das ferner die folgenden Schritte zum Betreiben des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers 10 nach der Durchführung des Starts des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers 10 aufweist:
    • - Vorbestimmen 280 einer zu übertragenden Leistung 42 des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers 10 entsprechend einem gegebenen relativen Lastwinkel φ21 = φs-φp zwischen der Primär- und der Sekundärseite 14, 15 des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers 10,
    • - Schalten 290 sämtlicher aktiver Schalter 18 der Primärseite 14 derart, dass jeder Phasenzweig 16 der Primärseite 14 sich um einen primären Lastwinkel φp,, wobei φp= -x * φ mit x < 1, relativ zu den Intervallgrenzen 40 eines beliebigen Intervalls 38 entsprechend dem Einteilungsschritt 110 verschiebt, in welchem die Eingangswechselspannung der drei Phasenzweige 16 der Primärseite 14 ihr Vorzeichen ändert, und
    • - Schalten 300 sämtlicher aktiver Schalter 18 der Sekundärseite 15 derart, dass jeder Phasenzweig 16 der Sekundärseite 15 sich um einen sekundären Lastwinkel φs , wobei φs= (1 - x) * φ, relativ zu den Intervallgrenzen 40 eines beliebigen der drei Intervalle 38 entsprechend dem Einteilungsschritt 110 verschiebt, in welchem die Ausgangswechselspannung der drei Phasenzweige 16 der Sekundärseite 15 ihr Vorzeichen ändert.
  • 14 zeigt ein System 1 nach der vorliegenden Erfindung, bei dem (a) die Steuereinheit 30 separat von dem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler 10 angeordnet ist und (b) die Steuereinheit 30 Teil des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers 10 ist.
  • Zwar wurde die Erfindung in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung im Detail dargestellt und beschrieben, jedoch sind die Darstellung und die Beschreibung als illustrativ und beispielhaft und nicht einschränkend anzusehen.
  • Aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung sind für den Fachmann andere Modifizierungen ersichtlich. Derartige Modifizierungen können andere Merkmale involvieren, die auf diesem Gebiet bereits bekannt sind und die anstelle von oder zusätzlich zu vorliegend bereits beschriebenen Merkmalen verwendet werden können.
  • Variationen der offenbarten Ausführungsbeispiele können sich für den Fachmann aus der Betrachtung der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche ergeben und anhand dieser durchführen lassen. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt mehrere Elemente oder Schritte nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen Unteransprüchen angeführt sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann.
  • Kein Bezugszeichen in den Ansprüchen sollte als dessen Rahmen einschränkend verstanden werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 2, 3,...,n
    ein beliebiger Port eines Gleichspannungswandlers
    10
    Dual-Active-Bridge-Wandler (DAB)
    11
    erster Potentialknoten des ersten Phasenzweigs auf der Primärseite, der mit dem Transformator verbunden ist
    12
    zweiter Potentialknoten des zweiten Phasenzweigs auf der Primärseite, der mit dem Transformator verbunden ist
    13
    dritter Potentialknoten des dritten Phasenzweigs auf der Primärseite, der mit dem Transformator verbunden ist
    14
    Primärseite des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers (DAB)
    15
    Sekundärseite des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers (DAB)
    16
    Phasenzweige auf der Primär- und der Sekundärseite
    17
    oberer aktiver Schalter
    18
    Mittelpunkt des Gleichspannungszwischenkreises auf der Primärseite
    19
    unterer aktiver Schalter
    20
    Phasenverschiebung
    21
    erster Potentialknoten des ersten Phasenzweigs auf der Sekundärseite, der mit dem Transformator verbunden ist
    22
    zweiter Potentialknoten des zweiten Phasenzweigs auf der Sekundärseite, der mit dem Transformator verbunden ist
    23
    dritter Potentialknoten des dritten Phasenzweigs auf der Sekundärseite, der mit dem Transformator verbunden ist
    25
    Phasentransformator(en)
    30
    Steuereinheit
    32
    anfänglicher DC-Offset
    38
    Intervalle
    40
    Intervallgrenzen
    100
    erfindungsgemäßes System
    111
    Wechselspannung an einer Primärseite des ersten Phasenzweigs
    112
    Wechselspannung an einer Primärseite des zweiten Phasenzweigs
    113
    Wechselspannung an einer Primärseite des dritten Phasenzweigs
    121
    Wechselspannung an einer Sekundärseite des ersten Phasenzweigs
    122
    Wechselspannung an einer Sekundärseite des zweiten Phasenzweigs
    123
    Wechselspannung an einer Sekundärseite des dritten Phasenzweigs
    200
    Verfahren zum Starten und Betreiben eines Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung
    210
    Einteilen einer Schaltperiode T in sechs Intervalle
    220
    für t < t0, Einschalten der oberen aktiven Schalter des Phasenzweigs A1, A2, B1, B2
    222
    für t < t0, Einschalten der unteren aktiven Schalter des Phasenzweigs A3, B3
    230
    Bei t0 + T/6, Ausschalten der oberen aktiven Schalter des Phasenzweigs A1, B1
    232
    Bei t0 + T/6, Einschalten der unteren aktiven Schalter des Phasenzweigs A1, B1 und der oberen aktiven Schalter des Phasenzweigs A3, B3
    240
    Bei t0 + T/3, Ausschalten der oberen aktiven Schalter des Phasenzweigs A2, B2
    242
    Bei t0 + T/3, Einschalten der unteren aktiven Schalter des Phasenzweigs A2, B2
    250
    Bei t0 + T/2, Ausschalten der unteren aktiven Schalter des Phasenzweigs A1, B1
    252
    Bei t0 + T/2, Einschalten der oberen aktiven Schalter des Phasenzweigs A1, B1
    260
    Bei t0 + 2T/3, Ausschalten der oberen aktiven Schalter des Phasenzweigs A3, B3
    262
    Bei t0 + 2T/3, Einschalten der unteren aktiven Schalter des Phasenzweigs A3, B3
    270
    Bei t0 + 5T/6, Ausschalten der unteren aktiven Schalter des Phasenzweigs A2, B2
    272
    Bei t0 + 5T/6, Einschalten der oberen aktiven Schalter des Phasenzweigs A2, B2
    280
    Vorbestimmen einer zu übertragenden Leistung des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler
    290
    Schalten sämtlicher aktiver Schalter der Primärseite derart, dass jeder Phasenzweig der Primärseite um einen primären Lastwinkel φp verschoben ist
    300
    Schalten sämtlicher aktiver Schalter der Sekundärseite derart, dass jeder Phasenzweig der Sekundärseite um einen sekundären Winkel φs verschoben ist
    φp
    primärer Lastwinkel
    φs
    sekundärer Lastwinkel
    φ21
    gegebener relativer Lastwinkel zwischen Primär- und Sekundärseite
    φ21,a
    erster Lastwinkel
    φ21,b
    Zwischen-Lastwinkel
    φ21,c
    zweiter Lastwinkel
    A1
    Phasenzweig auf der Primärseite
    A2
    Phasenzweig auf der Primärseite
    A3
    Phasenzweig auf der Primärseite
    B1
    Phasenzweig auf der Sekundärseite (entsprechend A1)
    B2
    Phasenzweig auf der Sekundärseite (entsprechend A2)
    B3
    Phasenzweig auf der Sekundärseite (entsprechend A3)
    IPH
    Phasenstrom
    IM
    Magnetisierungsstrom
    OP
    Betrieb des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers
    ST
    Start des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers
    T
    Schaltperiode
    U
    Gleichspannung
    Uin
    Eingangsgleichspannung
    Uout
    Ausgangsgleichspannung
    v
    Wechselspannung (Eingangswechselspannung oder Ausgangswechselspannung)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5027264 [0004]

Claims (14)

  1. Vorrichtung (200) zum Starten und Betreiben eines n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers (10), wobei n eine Anzahl eines beliebigen Ports (1,...,n) ist und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port (1,...,n) als Eingangs- oder Ausgangsport betreibbar ist, wobei jeder der Ports (1,...,n) einen ersten, zweiten und dritten Phasenzweig (16) aufweist, die jeweils dem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig der anderen n-1 Ports entsprechen, und wobei jeder Phasenzweig einen oberen aktiven Schalter (17) und einen unteren aktiven Schalter (19) aufweist, wobei eine Phasenverschiebung (20) zwischen den Phasenzweigen (16) jedes Ports vorliegt, wobei die Ports in der Lage sind, eine Gleichspannung (U) in eine Wechselspannung (v) und umgekehrt umzuwandeln, wobei die Ports (1,...,n) über einen Dreiphasen-Transformator (25) oder über drei separate einphasige Transformatoren (25) verbunden sind, die jeweils mit jedem der entsprechenden Phasenzweige (16) jedes der n Ports (1,...,n) verbunden sind, um Leistung zwischen den Ports (1,...,n) zu übertragen, wobei die Schalter (17, 19) der Phasenzweige (16) durch eine Steuereinheit (30) gemäß dem Verfahren (200) betrieben werden, um zumindest einen anfänglichen DC-Offset (32) in einem Magnetisierungsstrom IM zu verringern, der zu dem Zeitpunkt t = to startet, wobei sämtliche aktiven Schalter für t< to aus sind, wobei die Steuereinheit geeignet ist zum: - Einteilen (210) einer Schaltperiode T in sechs Intervalle to + T/6, to + T/3, to + T/2, to + 2T/3, to + 5T/6, to + T; wobei die Intervalle (38) Intervallgrenzen (40) für das Schalten der aktiven Schalter definieren; und - zum Zeitpunkt t = to, Einschalten (220) der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster und zweiter Phasenzweige, und Einschalten (222) der unteren aktiven Schalter (19) sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports; - zum Zeitpunkt to + T/6, Ausschalten (230) der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige und der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige und Einschalten (232) der unteren aktiven Schalter der ersten Phasenzweige und der oberen aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports; - zum Zeitpunkt to + T/3, Ausschalten (240) der oberen aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige und Einschalten (242) der unteren aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige sämtlicher n Ports; - zum Zeitpunkt to + T/2, Ausschalten (250) der unteren aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige und Einschalten (252) der oberen aktiven Schalter sämtlicher erster Phasenzweige sämtlicher n Ports; - zum Zeitpunkt to + 2T/3, Ausschalten (260) der oberen aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige und Einschalten (262) der unteren aktiven Schalter sämtlicher dritter Phasenzweige sämtlicher n Ports; und - zum Zeitpunkt to + 5T/6, Ausschalten (270) der unteren aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige und Einschalten (272) der oberen aktiven Schalter sämtlicher zweiter Phasenzweige sämtlicher n Ports.
  2. Vorrichtung (200) nach Anspruch 1, bei welcher ein Taktzyklus der Schaltperiode T 50% beträgt.
  3. Vorrichtung (200) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Phasenverschiebungen zwischen den Phasenzweigen (16) der n Ports (1,...,n) 120° betragen.
  4. Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher n = 2 ist, woraus ein Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler resultiert, wobei der erste Port eine Primärseite (14) ist und der zweite Port (15) eine Sekundärseite (15) ist.
  5. Vorrichtung (200) nach Anspruch 4, ferner geeignet zum Betreiben des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers (10) nach der Durchführung des Startens des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers (10), durch - Vorbestimmen (280) einer zu übertragenden Leistung (42) des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers (10) entsprechend einem gegebenen relativen Lastwinkel φ21 = φs-φp zwischen der Primär- und der Sekundärseite (14, 15) des Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandlers (10), - Schalten (290) sämtlicher aktiver Schalter der Primärseite (14) derart, dass jeder Phasenzweig (16) der Primärseite (14) sich um einen primären Lastwinkel φp,, wobei φp= -x * φ mit x < 1, relativ zu den Intervallgrenzen (40) eines beliebigen Intervalls (38) entsprechend dem Einteilungsschritt (110) verschiebt, in welchem die Wechselspannung (v, 111, 112, 113) der drei Phasenzweige (16) der Primärseite (14) ihr Vorzeichen ändert, und - Schalten (300) sämtlicher aktiver Schalter der Sekundärseite (15) derart, dass jeder Phasenzweig (16) der Sekundärseite (15) sich um einen sekundären Lastwinkel φs, wobei φs= (1 - x) * φ, relativ zu den Intervallgrenzen (40) eines beliebigen der drei Intervalle (38) entsprechend dem Einteilungsschritt (110) verschiebt, in welchem die Wechselspannung (v, 111, 112, 113) der drei Phasenzweige (16) der Sekundärseite (15) ihr Vorzeichen ändert.
  6. Vorrichtung (200) nach Anspruch 5, bei welcher die Schaltschritte (190, 200) umgekehrt oder zyklisch umgekehrt werden.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher sich x aus der folgenden Gleichung ergibt: x = U in * L p / ( U in * N tr * L s + U out * L p )
    Figure DE202017007018U1_0003
    wobei Uin und Uout die Eingangs- und Ausgangsgleichspannung bezeichnen, Lp und Ls die primärseitige und die sekundärseitige Streuinduktivität bezeichnen, und Ntr das Windungsverhältnis des Transformators (25) angibt.
  8. Vorrichtung (200) nach Anspruch 7, bei welcher der gegebene relative Lastwinkel φ21 dynamisch von einem ersten Lastwinkel φ21,a zu einem zweiten Lastwinkel φ21,b verändert wird, wobei ein Zwischen-Lastwinkel φ21,t als φ21,t = (exp(-1/(2*f*τ))* φ21,a + φ21,b)/(exp(-1/(2*f*τ)) + 1) mit τ = (Ls1 + N12 2 * Ls2)/Rw definiert ist, wobei Rw ein Gesamt-Wicklungswiderstand des Transformators ist, geeignet zum: - mit dem Referenzzeitpunkt to: Schalten des Phasenzweigs A1 mit einem Lastwinkel von -xφ21,a und Schalten des Phasenzweigs B1 mit einem Lastwinkel von (1-x)φ21,a; - mit dem Referenzzeitpunkt to+ T/6: Schalten des Phasenzweigs A3 mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B3 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t; - mit dem Referenzzeitpunkt to+ T/3: Schalten des Phasenzweigs A2 mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B2 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t; - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ T/2: Schalten des Phasenzweigs A1 mit einem Lastwinkel von -xφ21,t und Schalten des Phasenzweigs B1 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,t; - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ 2T/3: Schalten des Phasenzweigs A3 mit einem Lastwinkel von -xφ21,b und Schalten des Phasenzweigs B3 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b; - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ 5T/6: Schalten des Phasenzweigs A2 mit einem Lastwinkel von -xφ21,b und Schalten des Phasenzweigs B2 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b; und - mit dem Referenzzeitpunkt t0+ T: Schalten des Phasenzweigs A1 mit einem Lastwinkel von-xφ21,b nd Schalten des Phasenzweigs B1 mit einem Lastwinkel von (1 - x)φ21,b.
  9. System (100) mit einem n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler (10), der geeignet ist, einen anfänglichen DC-Offset in einem Magnetisierungsstrom IM zumindest zu verringern, wobei n eine Anzahl eines beliebigen Ports (1,...,n) ist und n ≥ 2 ist, wobei jeder Port (1,...,n) als Eingangs- oder Ausgangsport betreibbar ist, wobei jeder der Ports (1,...,n) einen ersten, zweiten und dritten Phasenzweig aufweist, die jeweils dem ersten, zweiten und dritten Phasenzweig der anderen n-1 Ports entsprechen, und wobei jeder Phasenzweig einen oberen aktiven Schalter (17) und einen unteren aktiven Schalter (19) aufweist, wobei eine Phasenverschiebung (20) zwischen den Phasenzweigen (16) jedes Ports vorliegt, wobei die Ports in der Lage sind, eine Gleichspannung (U) in eine Wechselspannung (v) und umgekehrt umzuwandeln, wobei die Ports (1,...,n) über einen Dreiphasen-Transformator (25) oder über drei separate einphasige Transformatoren (25) verbunden sind, die jeweils mit jedem der drei Phasenzweige (16) verbunden sind, um Leistung zwischen den Ports (1,...,n) zu übertragen, und mit einer Steuereinheit (30), die geeignet ist, sämtliche aktiven Schalter der n Ports (1,...,n) entsprechend Anspruch 1 zu betreiben.
  10. System (100) nach Anspruch 9, bei welchem der n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandler (10) ein n-Port-Dreiphasen-Multilevel-Active-Bridge-Wandler ist.
  11. System (100) nach Anspruch 9, bei welchem n = 2, was zu einem Dreiphasen-Dual-Active-Bridge-Wandler führt, wobei der erste Port eine Primärseite (14) und der zweite Port eine Sekundärseite (15) ist.
  12. System (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei welchem die Steuereinheit (30) zusätzlich geeignet ist, die Schalter der drei Phasenzweige (16) nach Anspruch 5 zu betreiben.
  13. System (100) nach Anspruch 12, bei welchem die Steuereinheit (30) zusätzlich geeignet, die Schalter der drei Phasenzweige (16) nach Anspruch 8 zu betreiben.
  14. System (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei welchem die Steuereinheit (30) ein Teil des n-Port-Dreiphasen-Active-Bridge-Wandlers (10) ist.
DE202017007018.9U 2017-12-28 2017-12-28 Vorrichtung zum Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers Withdrawn - After Issue DE202017007018U1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE202017007018.9U DE202017007018U1 (de) 2017-12-28 2017-12-28 Vorrichtung zum Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017223861.5A DE102017223861A1 (de) 2017-12-28 2017-12-28 Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers
DE202017007018.9U DE202017007018U1 (de) 2017-12-28 2017-12-28 Vorrichtung zum Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE202017007018U1 true DE202017007018U1 (de) 2019-03-29

Family

ID=69144509

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE202017007018.9U Withdrawn - After Issue DE202017007018U1 (de) 2017-12-28 2017-12-28 Vorrichtung zum Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers
DE102017223861.5A Pending DE102017223861A1 (de) 2017-12-28 2017-12-28 Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017223861.5A Pending DE102017223861A1 (de) 2017-12-28 2017-12-28 Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers

Country Status (1)

Country Link
DE (2) DE202017007018U1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115833611A (zh) * 2023-02-23 2023-03-21 浙江日风电气股份有限公司 一种三有源桥电路控制方法、装置、介质
CN117117875A (zh) * 2023-10-23 2023-11-24 广东电网有限责任公司佛山供电局 一种电网系统控制方法、装置、设备和介质

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
US8699246B2 (en) * 2008-06-18 2014-04-15 Optis Wireless Technology, Llc Switch mode converter and a method of starting a switch mode converter
JP6590911B2 (ja) * 2014-08-13 2019-10-16 イーエニエーエスセー テック − インスティチュート デ エンゲンハリア デ システマス エ コンピュータドレス テクノロジア エ シエンシアＩｎｅｓｃ Ｔｅｃ − Ｉｎｓｔｉｔｕｔｏ Ｄｅ Ｅｎｇｅｎｈａｒｉａ Ｄｅ Ｓｉｓｔｅｍａｓ Ｅ Ｃｏｍｐｕｔａｄｏｒｅｓ， Ｔｅｃｎｏｌｏｇｉａ Ｅ Ｃｉｅｎｃｉａ ３層−単層マトリクスコンバータ、フルブリッジａｃ／ｄｃコンバータ及びｈｆ変成器を備えたａｃ／ｄｃコンバータ

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

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115833611A (zh) * 2023-02-23 2023-03-21 浙江日风电气股份有限公司 一种三有源桥电路控制方法、装置、介质
CN117117875A (zh) * 2023-10-23 2023-11-24 广东电网有限责任公司佛山供电局 一种电网系统控制方法、装置、设备和介质
CN117117875B (zh) * 2023-10-23 2024-01-26 广东电网有限责任公司佛山供电局 一种电网系统控制方法、装置、设备和介质

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017223861A1 (de) 2019-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2826139B1 (de) Stromregelung für gleichspannungswandler
DE60117129T2 (de) Leistungsversorgung mit zweifachem eingangsbereich, welche zwei in reihe oder arallel geschaltete wandlerelemente mit automatischer leistungsverteilung verwendet
DE112016004548T5 (de) Leistungsmanagement unter Verwenden einer synchronen gemeinsamen Kopplung
DE102017212224B4 (de) Hochspannungsgenerator für ein Röntgengerät
DE112018004721T5 (de) DC/DC Wandler
DE102018210806A1 (de) Elektrische Schaltung mit Hilfsspannungsquelle für Zero-Voltage-Switching in einem Gleichspannungswandler unter sämtlichen Lastbedingungen
DE202004021669U1 (de) DC/DC Konverter mit einem Hochfrequenz-Zickzack-Umformer
DE19947476A1 (de) Umrichter für die Umformung von elektrischer Energie
DE69818298T2 (de) Frequenzwandler und unterbrechungsfreie stromversorgung damit
DE10218456A1 (de) Schaltnetzteilanordnung
WO2016150633A1 (de) Wandlermodul für einen mehrpegelenergiewandler
DE102018210807A1 (de) Elektrische Schaltung für Zero-Voltage-Soft-Switching in einem Gleichspannungswandler
DE202017007018U1 (de) Vorrichtung zum Starten eines Dreiphasen-Multiport-Active-Bridge-Gleichspannungswandlers
DE69831267T2 (de) Ladeschaltung für usv
EP3291432A1 (de) Dual-active-bridge mit modularen mehrpunktbrücken
DE102019104145A1 (de) Verfahren zum Ausschalten von Leistungshalbleiterschaltern einer Brückenschaltung, Brückenschaltung und Wechselrichter umfassend eine Brückenschaltung
DE102019105196B4 (de) Verfahren zur Strombegrenzung bei transienten Spannungsänderungen an einem Wechselstromausgang eines Multilevel-Wechselrichters und Multilevel-Wechselrichter
DE102017201667A1 (de) Hochdynamische Steuerung von Multiport-DAB-Wandlern
CH707447A2 (de) Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung für hohe Übersetzungsverhältnisse.
EP3360241B1 (de) Gleichspannungswandler und verfahren zum betrieb eines gleichspannungswandlers
DE202017007011U1 (de) n-Port-m-Phasen-Active-Bridge-Wandler
EP4010974B1 (de) Ansteuerverfahren für einen gleichspannungswandler und gleichspannungswandler
EP3977580A1 (de) Vorrichtung zum verbinden zweier wechselspannungsnetze und verfahren zum betreiben der vorrichtung
DE102015215869A1 (de) Dreiphasiger Gleichspannungswandler
AT512610B1 (de) Weitbereichskonverter mit angezapfter Spule

Legal Events

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