Multiphasen-Gleichspannungswandler
Die Erfindung betrifft einen Multiphasen-Gleichspannungs- wandler.
Stand der Technik
Aus der DE 101 10 615 Al ist ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuerimpυlsen für Leistungshalbleiter, insbesonde- re zum Zwecke einer Generierung versetzter Ansteuerungs- impυlse für Halbbrücken, die an Mehrphasenumrichtern oder Gleichspannungsumrichtern aufgenommen sind, bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt ein Verschieben der Referenz- spannung um eine den Versetzungen entsprechende Verzöge- rungszeit oder ein Verschieben eines PWM-Signals um eine Verzögerungszeit, die der Periodendauer geteilt durch die Anzahl der Versetzungen entspricht.
Aus der DE 101 19 985 Al ist eine Vorrichtung zur Ener- gieeinspeisung in ein Mehrspannungsbordnetz eines Kraft- fahrzeugs bekannt. Diese Vorrichtung weist ein in einem Kraftfahrzeug angeordnetes Mehrspannungsbordnetz auf, das zumindest ein erstes und ein zweites Spannuπgsniveau, je- weils von dem Bezugspotential verschieden, bereitstellt. Das Mehrspannungsbordnetz wird aus zumindest einem elekt- rischen Energiespeicher gespeist. Es weist des weiteren zumindest einen Wandler zur Verbindung der beiden Span- nungsniveaus auf. Ferner sind Einspeisemittel zur exter- nen Energieeinspeisung in das Mehrspannungsbordnetz vor- gesehen. Der genannte Wandler kann in Form eines Multi- phasenwandlers realisiert sein. Bei derartigen Wandlern werden mehrere Wandlerzellen kleinerer Leistung parallel geschaltet und die Leistungsteile zeitversetzt getaktet. Hierbei werden auf Grund von Auslöschungseffekten Filter-
baυsteine eingespart. Mit derartigen Multiphasenwandlern wird es möglich, die ersten und zweiten Wandler mit den vorhandenen Phasen eines einzigen Multiphasenwandlers zu realisieren. Hierzu werden die Phasen aufgeteilt in Wand- ler mit Abwarts- und Aufwärtswandlerfunktion. Die Phasen werden dann wandlerintern über einen Schalter eingangs- seitig getrennt.
In zukünftigen Energiebordnetzen von Kraftfahrzeugen wer- den leistungsstarke Gleichspannungswandler benötigt, um den Energiefluss zwischen verschiedenen Spannungsebenen regeln zu können. Ein derartiger Einsatz im Kraftfahr- zeugbereich erfordert auf Grund von Kosten-/ Bauraum- und Gewichtsbeschränkungen eine Minimierung der Induktivitä- ten und Kapazitäten sowie der Anzahl der Bauelemente ins- gesamt. Diesen Beschränkungen kann man gerecht werden, indem man als Gleichspannungswandler Multiphasen-Gleich- spannungswandler verwendet. Bei diesen wird die zu über- tragende Leistung auf mehrere Wandlerzellen aufgeteilt. Wendet man bei diesem Prinzip eine zeitversetzte Taktung der Wand.lerze.llen an, dann heben sich im überlagerten Ausgangssignai die Stromrippel teilweise auf bzw. redu- zieren sich um einen wesentlichen Betrag. Die Frequenz des Ausgangssignals des Gleichspannungswandlers erhöht sich um die Anzahl der versetzt getakteten Wandlerzellen gegenüber der Grundtaktfrequenz der Wandlerzellen. Durch die kleineren Rippel und die höhere Frequenz können die Ausgangsfilter des Gleichspannungswandlers kleiner ausge- legt werden. Dadurch wird ein Kosten- und Bauraumvorteil erzielt.
Zur effizienten Nutzung dieses Verfahrens muss für jede Wandlerzelle ein Stromsensor verwendet werden, um die zu- gehörigen Stromrippel überwachen und regeln zu können. Ohne eine derartige Einzelphasenregelung können durch Bauteiletoleranzen die Rippel je Phase unterschiedlich hoch sein, wodurch der zuvor angesprochene Vorteil bei der Oberlagerung der Ausgangssignale der Wandlerzellen
nicht mehr wirksam ist. Die Rippe1 im Aυsgangssignal wer- den größer und die Frequenz des Ausgangssignals nimmt wieder den gleichen Wert an wie die Schaltfrequenz der einzelnen Wandlerzellen. Dadurch werden die zuvor erwähn- ten Vorteile wieder aufgehoben.
Vorteile der Erfindung
Ein Multiphasen-Gleichspannungswandler mit den im An- sprυch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Anzahl seiner Stromsensoren redu- ziert ist. Dadurch werden die Kosten eines Multiphasen- Gleichspannungswandlers wesentlich reduziert. Diese Vor- teile werden im Wesentlichen dadurch erreicht, dass an- stelle von kostenaufwendigen einzelnen Stromsensoren kos- tengünstigere Bauteile verwendet werden, wobei das ver- wendete Messprinzip reduzierte Genauigkeitsanforderungen aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform, die einen besonders einfa- chen Aufbau aufweist, ist zwischen den Ausgängen jeweils zweier Wandlerzellen jeweils eine Messbrücke vorgesehen, welche einen Kern aufweist, auf welchem zwei gegensinnig gewickelte Wicklungen übereinstimmender Windungszahl auf- gebracht sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform, die besonders kom- pakt aufgebaut sein kann, ist eine mehrsträngige Messbrü- cke vorgesehen, die einen geschlossenen Kern aufweist, über welchen alle Einzelstränge des Multiphasen-Gleich- spannungswandlers geführt sind.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Fi- guren.
Zeichnung
Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild, aus welchem der grund- sätzliche Aufbau der Wandlerzellen eines Multiphasen- Gleichspannungswandlers ersichtlich ist.
Die Figur 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer magnetischen Messbrücke.
Die Figur 3 zeigt ein Schaltbild eines vierphasigen Gleichspannungswandlers mit einer mehrsträngigen magneti- sehen Kessbrücke.
Die Figur 4 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des Aufbaus einer kompakten mehrsträngigen magnetischen Mess- brücke . Die Figur 5 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des Aufbaus eines vierpoligen Gleichspannungswandlers mit ei- ner mehrsträngigen magnetischen Messbrücke und zugehöri- gem Regelkreis.
Beschreibung
Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild, aus welchem der grund- sätzliche Aufbau der Wandlerzellen eines Multiphasen- Gleichspannungswandlers ersichtlich ist. Aus diesem Schaltbild geht hervor, dass die am Eingangsanschluss an- liegende Eingangsspannung VIN, über ein Tiefpassfilter, welches beispielsweise einen gegen Masse geschalteten Kondensator CIN aufweist, an eine Parallelschaltung von n Wandlerzellen, beim gezeigten Ausführungsbeispiel vier Wandlerzellen, gelegt ist. Diese Wandlerzellen werden zeitversetzt getaktet. Der Wandlerzelle 4 ist eine Phase 1, der Wandlerzelle 5 eine Phase 2, der Wandlerzelle 6 eine Phase 3 und der Wandlerzelle 7 eine Phase 4 zugeord- net.
Die Wandlerzelle 4 weist einen mit dem Eingang der Paral- lelschaltung verbundenen Transistor T11, der an den Aus- gang eines PWM-Generators 14a angeschlossen ist, einen Transistor T12 und eine Spule L auf. Der eine Anschluss
der Spule L ist an den Verbindungspunkt zwischen den bei- den Transistoren T11 und T12 gelegt. Der andere Anschluss der Spule L ist mit dem Ausgang der Parallelschaltung verbunden. Die Wandϊerzelle 5 weist einen mit dem Eingang der Parallelschaltung verbundenen Transistor T21, der an den Ausgang eines PWM-Generators 14b angeschlossen ist, einen Transistor T22 und eine Spule L auf. Der eine An- schluss der Spule L ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren T21 und T22 gelegt. Der andere An- Schluss der Spule L ist mit dem Ausgang der Parallel- schaltung verbunden. Die Wandlerzelle 6 weist einen mit dem Eingang der Parallelschaltung verbundenen Transistor T31, der an den Ausgang eines PWM-Generators 14c ange- schlossen ist, einen Transistor T32 und eine Spule L auf. Der eine Anschluss der Spule L ist an den Verbindungs- punkt zwischen den beiden Transistoren T31 und T32 gelegt. Der andere Anschluss der Spule L ist mit dem Ausgang der Parallelschaltung verbunden. Die Wandlerzelle 7 weist ei- nen mit dem Eingang der Parallelschaltung verbundenen Transistor T41, der an den Ausgang eines PWM-Generators 14d angeschlossen ist, einen Transistor T42 und eine Spule L auf. Der eine Anschluss der Spule L ist an den Verbin- dungspunkt zwischen den beiden Transistoren T41 und T42 gelegt. Der andere Anschluss der Spule L ist mit dem Aus- gang der Parallelschaltung verbunden.
Der Ausgang der Parallelschaltung ist über ein Ausgangs- filter, welches einen gegen Masse geschalteten Kondensa- tor Coυτ aufweist, mit dem Ausgangsanschluss VOUT des MuI- tiphasen-Gleichspannungswandlers verbunden.
Durch die zeitversetzte Taktung der Transistoren T11, T21, T31 und T41 durch die von dem PWM-Generatoren 14a, 14b, 14c, 14d bereitgestellten Taktsignale werden die Wandler- zellen 4, 5, 6, 7 des Multiphasen-Gleichspannungswandlers zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert. Dadurch heben sich im überlagerten Ausgangssignal die Stromrippel teilweise auf bzw. reduzieren sich um einen wesentlichen Betrag.
Die Frequenz des Ausgangssigna.ls des Gleichspannungswand- lers ist dabei gegenüber der Grundtaktfrequenz der Wand- lerzellen um die Anzahl der versetzt getakteten Wandler- zellen erhöht.
Um diese Vorteile einer gegenseitigen Aufhebung der Stromrippel im Betrieb des Multiphasen- Gleichspannυngswandlers sicherzustellen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung magnetische Messbrücken zwischen den Ausgängen jeweils zweier Wandlerzellen eingesetzt, um die in den Wandlerzellen fließenden Ströme einander an- zugleichen. Dies wird nachfolgend anhand der Figuren 2 - 5 näher erläutert.
Die Figur 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer magnetischen Messbrücke, wie sie bei der Erfindung ver- wendet werden kann. Die dargestellte Messbrücke 19 weist einen Kern 20 auf, auf welchen zwei gegensinnig gewickel- te Wicklungen 21, 22 übereinstimmender Windungszahl auf- gebracht sind. Die Wicklung 21 wird von einem Strom Il durchflössen, bei welchem es sich beispielsweise um den Ausgangsstrom der Wandlerzelle 4 handelt. Die Wicklung 22 wird von einem Strom 12 durchflössen, bei welchem es sich beispielsweise um den Ausgangsstroro der Wandlerzelle 5 handelt. Die jeweils zugehörige Magnetflussdichte ist mit φl bzw. φ2 bezeichnet. Im Luftspalt 23 des Xernes 20 ist ein Kallsensor 24 vorgesehen, der die magnetische Fluss- dichte misst.
Liegen unterschiedliche Gleichstromanteile vor, dann wird im Kern ein magnetischer Gleichfluss erzeugt, dessen Richtung von dem Vorzeichen der Stromdifferenz abhängt. Der Hailsensor bildet die dadurch auftretende Flussdichte auf eine Spannung ab, die zum Zwecke ihrer Auswertung über einen Analog-Digital-Wandler einer Regelanordnung zugeführt wird.
Mittels einer derartigen Messbrücke wird ein Differenz- signal zwischen den beiden Brückenzweigen erfasst und es erfolgt eine Nachregelung in dem Sinne, dass diese Diffe- renz zu Null wird. Zur Erfassung dieser Differenz wird keine hohe Genauigkeit oder Linearität benötigt. Es ist ausreichend zu erkennen, dass unterschiedliche Ströme vorliegen, so dass durch eine Nachregelung die Ströme in Übereinstimmung gebracht werden können.
Liegen insgesamt n Wandlerzellen vor, dann werden n - 1 Messbrücken benötigt, um das Gesamtsystem zu symmetrie- ren, d. h. die Ausgangsströme aller n Wandlerzellen in Übereinstimmung zu bringen. Fügt man jedoch eine weitere Messbrücke zwischen den Ausgang der n-ten Wandlerzelle und den Ausgang der ersten Wandlerzelle hinzu, dann ist das System überbestimmt. Durch die dann entstandene zyk- lische Struktur ist aber gewährleistet, dass bei einem Ausfall einer Wandlerzelle oder einer Messbrücke dennoch die Symmetrie aufrechterhalten werden kann. Da die Wick- lυngen der Messbrücken von Wandlerzelle zu Wandlerzelle jeweils gegensinnig gewickelt sind, ist eine zyklische Struktur nur gegeben, wenn die Anzahl der Wandlerzelien geradzahlig ist.
Die Figur 3 zeigt ein Schaltbild eines vierphasigen
Gleichspannungswandlers, bei welchem die Messbrücken in Form einer mehrsträngigen Messbrücke 25 realisiert sind. Dabei ist die mehrsträngige Messbrücke nur schematisch dargestellt. Es ist ersichtlich, dass den Eingängen die- ser mehrsträngigen Messbrücke 25 die Ausgangssignale der insgesamt vier Wandlerzellen zugeführt werden. Des Weite- ren ist ersichtlich, dass die mehrsträngige Messbrücke 25 zwischen den Ausgängen der Wandler2ellen und dem Aus- gangsfilter COUT des vierphasigen Gleichspannungswandlers positioniert ist. Der weitere Aufbau des in der Figur 3 gezeigten Gleichspannungswandlers stimmt mit dem Aufbau des in der Figur 1 gezeigten Gleichspannungswandlers überein.
Die Figur 4 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des Aufbaus einer derartigen mehrsträngigen Messbrücke, die kompakt aufgebaut ist. Diese Messbrücke weist einen ein- zigen Kern 20 auf, über welchen die Ausgangsstränge aller vier Wandlerzellen geführt sind. Die Toleranzen der vier Luftspalte 23 beeinflussen die Verstärkung in den einzel- nen Messkreisen, insbesondere den Nullpunkt der Kompensa- tion der Ausgangsströme der Wandlerzellen. Das Messsystem muss deshalb bei gleich verteiltem Nennstrom kalibriert werden .
Die Figur 5 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des Aufbaus eines vierpoligen Gleichspannungswandlers mit ei- ner mehrsträngigen magnetischen Messbrücke und zugehöri- gem Regelkreis.
Der dargestellte Gleichspannungswandler 1 weist einen Eingangsanschluss 2 auf/ an welchem die Eingangsspannung VIN des Wandlers anliegt. Diese beträgt beispielsweise 42V. Die Aufgabe des Wandlers besteht darin, diese Ein- gangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, die beispielsweise 14V beträgt. Diese Ausgangsspannung VOUT des Wandlers wird an einem Ausgangsanschluss 10 zur Ver- fügung gestellt.
Der in der Figur 5 dargestellte Gleichspannungswandler weist ein mit dem Eingangsanschluss 2 verbundenes Ein- gangsfilter 3 auf, bei welchem es sich um ein Tiefpass- filter handelt, mittels welchem Störungen aus der Ein- gangsspannung gefiltert werden. Der Ausgang des Eingangs- filters 3 ist mit einer Parallelschaltung mehrerer Wand- lerzellen 4, 5, 6, 7 verbunden, wobei die Anzahl der Wandlerzellen beim gezeigten Ausführungsbeispiel 4 ist.
Die Ausgänge der Wandierzellen 4, 5, 6, 7 sind mit einer mehrsträngigen Messbrücke 25 verbunden, die ebenso aufge- baut ist wie die in der Figur 3 gezeigte mehrsträngige
Messbrucke. Die aus der Messbrücke 25 herausgeführten Ausgangssignale der Wandlerzellen werden wieder zusammen- geführt und über einen Stromsensor 8 und ein Ausgangsfil- ter 9 an den Ausgangsanschluss 10 weitergeleitet- Bei dem Ausgangsfilter 9 handelt es sich beispielsweise ebenfalls um ein Tiefpassfilter.
Das vom Stromsensor 8 abgeleitete Sensorsignal wird über einen Analog-Digital-Wandler 17 an einen Regler 16 wei- tergeleitet.
Die von den Hallsensoren 24 der mehrstrangigen Messbrücke 25 abgeleiteten Signale gelangen über einen Analog-Digi- tal-Wandler 11 an eine PWM-Korrektureinheit 12. Deren Aufgabe besteht darin, die vom Analog-Digital-Wandler 11 erhaltenen digitalen Signale den Wandlerzellen zuzuord- nen.
Die Ausgangssignale der PWM-Korrektureinheit 12 werden Differenzstromreglern 13a, 13b, 13c und 13d einer
Regelanordnung 13 zugeführt. Diese Regelanordnung stellt an ihren Ausgängen Regelsignale bereit, mittels welcher die Taktsignale CKl, CK2, CK3 und CX4 der Wandlerzellen 4, 5, 6 und 7 beeinflusst werden.
Der Differenzstromregler 13a ist der Wandlerzelle 4 zuge- ordnet. Folglich stellt der Differenzstromregler 13a ein der Wandlerzelle 4 zugeordnetes Regelsignal zur Verfü- gung. Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15a mit dem Regelsignal des weiteren Reglers 16 überlagert, bei dem es sich beispielsweise um einen Stromregler handelt. Diesem Stromregler 16 werden eingangsseitig ein von einem Stromsollwertgeber 18 bereitgestellter Stromsollwert Isoll und das vom Stromsensor 8 abgeleitete und über den Ana- log-Digital-Wandler 17 geleitete Stromwertsignal zuge- führt. Das Ausgangssignal des Addierers 15a wird in einem PWM-Generator 14a in ein PWM-Signal umgesetzt, bei wel-
ehern es sich um das Taktsignal CKl der Wandierzelle 4 handelt.
Der Differenzstromregler 13b ist der Wandlerzelle 5 zuge- ordnet. Folglich stellt der Differenzstromregler 13b ein der Wandlerzelle 5 zugeordnetes Regelsignal zur Verfü- gung. Dieses Regeisignal wird in einem Addierer 15b mit dem Regelsignal des weiteren Reglers 16 überlagert. Das Ausgangssignal des Addierers 15b wird in einem PWM- Generator 14b in ein PWM-Signal umgesetzt, bei welchem es sich um das Taktsignal CK2 der Wandlerzelle 5 handelt.
Der Differenzstromregler 13c ist der Wandlerzelle 6 zuge- ordnet. Folglich stellt der Differenzstromregler 13c ein der Wandlerzelle 6 zugeordnetes Regelsignal zur Verfü- gung. Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15c mit dem Regelsignal des weiteren Reglers 16 überlagert. Das Ausgangssignal des Addierers 15c wird in einem PWM- Ger.erator 14c in ein PWM-Signal umgesetzt, bei welchem es sich um das Taktsignal CK3 der Wandlerzelle 6 handelt.
Der Dif.ferenzstromregier 13d ist der Wandlerzelle 7 zuge- ordnet. Folglich stellt der Differenzstromregler 13d ein der Wandlerzelle 7 zugeordnetes Regeisignal zur Verfϋ- gung. Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15d mit dem Regelsignal des weiteren Reglers 16 überlagert. Das Ausgangssignal des Addierers 15d wird in einem PWM- Generator 14d in ein PWM-Signal umgesetzt, bei welchem es sich um das Taktsignal CK4 der Wandierzelle 7 handelt.
Wie aus den vorstehenden Ausführen ersichtlich ist, ist bei einem Multiphasen-Gleichspaπnυngswandler gemäß der Erfindung eine unter Verwendung einer Vielzahl von Strom- sensoren erfolgende Einzelphasenstrommessung nicht not- wendig. Es wird nur ein einziger Stromsensor 8 verwendet, welcher zwischen den Ausgängen der Wandlerzellen und dem Ausgangsfilter positioniert ist. Des Weiteren ist eine ebenfalls zwischen den Ausgängen der Wandlerzellen und
dem Ausgangsfilter positionierte magnetische Messbrücken- anordnung vorgesehen, die entweder in Form mehrerer ein- zelner Messbrücken oder in Form einer mehrsträngigen Messbrücke realisiert ist. Mittels dieser Messbrückenan- Ordnung können Stromdifferenzen zwischen jeweils benach- barten Strängen detektiert werden. Die detektierten Stromdifferenzen werden unter Verwendung einer Regelan- ordnung ausgeglichen.
Die Verwendung einer Messbrückenanordnung gemäß der Er- findung hat im Vergleich zu einer Verwendung einer Ein- zelphasenstrommessung, bei welcher in jedem Phasenstrang ein einzelner Strorcsensor vorgesehen ist, den Vorteil ge- ringerer Genauigkeitsanforderungen und den Vorteil einer Kostenreduktion .
Die in der Figur 5 gezeigten Bauteile 11, 12, 13, 14a, 14b, 14c, 14d, 15a, 15b, 15c, 15d, 16 und 17 können in Form einer diskreten Schaltung oder in Form eines Prozes- sors realisiert sein.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Eingangsspannung von 42V mittels des Gleichspannungswand- lers umgesetzt in eine Ausgangsspannung von 14V. Die Er- findung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung können auch andere Werte aufweisen. Insbesondere kann die Eingangsspannung auch kleiner sein als die Ausgangsspan- nung.