EP4399791A1 - Wandler und verfahren zum angleichen eines ist-übersetzungsverhältnisses an ein soll-übersetzungsverhältnis - Google Patents

Wandler und verfahren zum angleichen eines ist-übersetzungsverhältnisses an ein soll-übersetzungsverhältnis

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Publication number
EP4399791A1
EP4399791A1 EP22782888.6A EP22782888A EP4399791A1 EP 4399791 A1 EP4399791 A1 EP 4399791A1 EP 22782888 A EP22782888 A EP 22782888A EP 4399791 A1 EP4399791 A1 EP 4399791A1
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EP
European Patent Office
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converter
input
output
voltage
converter stage
Prior art date
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Pending
Application number
EP22782888.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger KRETZSCHMAR
Stephan Rupp
Axel Brandt
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.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
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.)
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Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
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    • 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
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    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer

Definitions

  • the present invention relates to a converter for converting an input DC voltage into an output DC voltage with a power unit and a regulator unit coupled to the power unit, and a method for converting an input DC voltage into an output DC voltage.
  • Converters with a power unit and a controller unit coupled to the power unit are known from the prior art.
  • DC input voltages can be applied to the power unit, which can be converted into DC output voltages using switching elements of the power unit.
  • the switching elements are usually switched in a coordinated manner, with each of the switching elements being able to assume an electrically conductive state and an electrically insulating state, respectively.
  • converters with a power unit are also known from the prior art, to which AC input voltages can be applied, which can be converted into AC output voltages with the aid of switching elements of the power unit.
  • the switching elements for converting an AC input voltage into an AC output voltage are usually connected in a coordinated manner, with each of the switching elements also being able to assume an electrically conductive state and an electrically insulating state.
  • Converters that can convert input AC voltages into output AC voltages and can also be referred to as AC/AC converters are used, for example, in so-called AC networks in order to connect different voltage levels with one another or to provide them, which can also be referred to as AC voltage levels, such as an extra high voltage level with a high voltage level, a high voltage level with a medium voltage level or a medium voltage level with a low voltage level.
  • the converters, which can convert input DC voltages into output DC voltages and can also be referred to as DC/DC converters are also used to connect different voltage levels to one another or to provide them, which are also known as DC voltage levels can be designated.
  • the DC/DC converters known from the prior art are usually operated as a current source or as a voltage source.
  • the input DC voltage is regulated, i. h is kept constant and the converter forms a current source at the output or on the secondary side.
  • the output DC voltage is regulated, i. H. kept constant and the converter forms a voltage source at the output or on the secondary side.
  • the primary side i. H. at the input, depending on the direction of load flow, power is supplied or drawn from the secondary side.
  • control engineering models for controlling DC/DC converters are known from the prior art, which are designed for the converter as a current source or as a voltage source.
  • Voltage-controlled networks are often necessary for DC/DC converters, which limits the flexibility of the possible uses of DC/DC converters.
  • the voltage-controlled operation of a DC/DC converter i. i.e. if this provides a voltage source on the secondary side, lead to a complex regulation of the converter.
  • the above object is achieved by a converter having the features of claim 1.
  • the converter is designed to convert an input DC voltage into an output DC voltage.
  • the converter includes a power unit.
  • the power unit includes a first converter stage.
  • the first converter stage includes two input ports.
  • the power unit includes a second converter stage connected to the first converter stage.
  • the power unit also includes a third converter stage connected to the second converter stage.
  • the third converter stage includes two output ports.
  • the first converter stage, the second converter stage and the third converter stage are adapted in such a way that, during operation of the converter, when the DC input voltage is applied to the two input terminals, the DC output voltage is provided at the two output terminals.
  • An actual gear ratio of Power unit is defined by a ratio of the DC input voltage present at the two input terminals and the DC output voltage present at the two output terminals, or by a ratio of the input current present at the two input terminals and the output current present at the two output terminals.
  • the converter includes a regulator unit coupled to the power unit.
  • the controller unit is adapted to act on the power unit in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to a predetermined desired transmission ratio.
  • the converter is designed to convert an input DC voltage into an output DC voltage.
  • Both the input DC voltage and the output DC voltage are preferably electrical DC voltages for which the instantaneous value does not change over a longer observation period or only changes slightly within a specified DC voltage interval, which extends from a minimum DC voltage value to a maximum DC voltage value. In the event that the instantaneous value changes over time, both the input DC voltage and the output DC voltage do not change their polarity.
  • the converter includes the power unit.
  • the power unit includes the first converter stage, the second converter stage connected to the first converter stage, and the third converter stage connected to the second converter stage.
  • the first converter stage, the second converter stage and the third converter stage each form a section of the converter.
  • the first converter stage, the second converter stage and the third converter stage each have electronic components which are connected to one another in such a way that each converter stage can convert a corresponding converter stage input voltage which is present at corresponding input terminals into a corresponding converter stage output voltage which is present at corresponding output terminals.
  • each converter stage can convert a corresponding converter stage input voltage into a corresponding converter stage output voltage, so that the converter converts the DC input voltage into the DC output voltage.
  • the DC input voltage corresponds to the converter stage input voltage of the first converter stage and the DC output voltage corresponds to the converter stage output voltage of the third converter stage.
  • the converter stage output voltage of the first converter stage, the converter stage input voltage of the second converter stage, the Converter stage output voltage of the second converter stage and the converter stage input voltage of the third converter stage each be an AC voltage.
  • the instantaneous value of the AC voltage preferably changes over a longer observation period.
  • the instantaneous value of the AC voltage preferably changes periodically.
  • the instantaneous value of the AC voltage changes over time in such a way that the AC voltage repeatedly changes its polarity over time.
  • the converter according to the invention can in particular be operated bidirectionally, ie independently of the load flow direction, so that the terms input DC voltage and output DC voltage as well as converter stage input voltage and converter stage output voltage are not to be understood as limiting and for an operating state of the converter during energy transmission from the two input terminals to the two output terminals the corresponding ones describes tensions.
  • the designation of the corresponding voltages, and in particular also of the connections, such as input connection and output connection would have to be swapped, but this is not done for a simplified description of the components of the converter becomes.
  • the first converter stage includes the two input ports.
  • the third converter stage includes the two output ports.
  • the two input terminals and the two output terminals each provide an electrical contact.
  • the two input terminals can be connected to a voltage source such that an electrical connection is provided between the voltage source and the two input terminals such that the two input terminals have the DC input voltage.
  • the two output terminals can be connected to an electrical load such that an electrical connection is provided between the electrical load and the two output terminals such that an electrical current can flow through the electrical load.
  • both the two input connections can be connected to a first component of a DC network and the two output connections can be connected to a second component of a DC network, with the first component being assigned to a first DC voltage level and the second component being assigned to a second DC voltage level assigned.
  • the two input connections mean the two input connections of the first converter stage.
  • two output connections are mentioned without explicit reference being made to the fact that the two output connections are assigned to a converter stage other than the third converter stage, the two output connections mean the two output connections of the third converter stage.
  • the first converter stage, the second converter stage and the third converter stage are adapted in such a way that, during operation of the converter, when the DC input voltage is applied to the two input terminals, the DC output voltage is provided at the two output terminals.
  • the first converter stage, the second converter stage and the third converter stage can each have a switching element or a plurality of switching elements.
  • both the first converter stage and the third converter stage each have a multiplicity of switching elements, in particular four switching elements each.
  • Each switching element of the switching elements may include a transistor.
  • the transistor is an Insulated Gate Field Effect Transistor (IGFET) or more preferably a Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) or more preferably an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).
  • IGFET Insulated Gate Field Effect Transistor
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • Each transistor can be, for example, an enhancement type or a depletion type and can have an n-channel or p-channel.
  • Each switching element of the switching elements may include a diode.
  • Each switching element of the switching elements has in particular a first connection and a second connection. The transistor of each switching element is preferably connected both to the first connection and to the second connection.
  • the diode of each switching element is preferably connected to both the first terminal and the second terminal.
  • the transistor and the diode are connected in parallel to one another between the first connection and the second connection.
  • each switching element of the switching elements can assume an electrically conductive state and an electrically insulating state. When a switching element is in the electrically conductive state, an electric current can flow through the corresponding switching element.
  • the switching elements of the first converter stage are preferably connected to one another in such a way that they form a full-bridge arrangement.
  • two switching elements of the first converter stage are connected to a first input connection of the two input connections.
  • a first switching element of these two switching elements is preferably connected to a first output terminal of the first converter stage and a second switching element of these two switching elements is preferably connected to a second output terminal of the first converter stage.
  • Two further switching elements of the first converter stage are preferably connected to a second input connection of the two input connections.
  • a third switching element of these two switching elements is preferably connected to the first output terminal of the first converter stage and a fourth switching element of these two switching elements is preferably connected to the second output terminal of the first converter stage.
  • the switching elements of the third converter stage are preferably connected to one another in such a way that they form a full-bridge arrangement.
  • Two switching elements of the third converter stage are preferably connected to a first output connection.
  • a first switching element of these two switching elements is preferably connected to a first input terminal of the third converter stage and a second switching element of these two switching elements is preferably connected to a second input terminal of the third converter stage.
  • Two further switching elements of the third converter stage are preferably connected to a second output connection.
  • a third switching element of these two switching elements is preferably connected to the first input terminal of the third converter stage and a fourth switching element of these two switching elements is preferably connected to the second input terminal of the third converter stage.
  • the second converter stage can have an inductor or a multiplicity of inductors.
  • the second converter stage preferably has two inductors that form a transformer.
  • the transformer can form a medium-frequency transformer. With the aid of the transformer, the second converter stage can provide electrical isolation, in particular between the first converter stage and the third converter stage.
  • the two inductances of the transformer may have windings arranged such that the windings are of the same or opposite sense. The transformer can therefore have two windings with the same or opposite phase position.
  • the second converter stage can additionally have a further inductance and a capacitance connected in series with the inductances or in parallel therewith, which together have a form an oscillating circuit.
  • the resonant circuit can be used to ensure that the instantaneous value of the electric current during the transition from the electrically conductive state to the electrically insulating state of one or more switching elements is particularly low, so that the power loss of one or more switching elements is particularly low, so that the efficiency of the Converter can be particularly high.
  • the actual transformation ratio of the power unit is defined by the ratio of the input DC voltage present at the two input terminals and the output DC voltage present at the two output terminals or by the ratio of the input current present at the two input terminals and the output current present at the two output terminals.
  • the converter preferably has a large number of detection units.
  • the multiplicity of detection units preferably has at least one first detection unit which is adapted to detect an electrical voltage.
  • the plurality of detection units preferably has at least one second detection unit, which is adapted to detect an electric current intensity.
  • a first detection unit is preferably connected to the two input terminals. More preferably, a further first detection unit is connected to the two output connections.
  • a further first detection unit is also preferably connected to two output terminals of the first converter stage and to two input terminals of the second converter stage.
  • a further first detection unit is preferably connected to two output terminals of the second converter stage and to two input terminals of the third converter stage.
  • a second detection unit is connected to one input port of the two input ports.
  • a further second detection unit is preferably connected to an output connection of the two output connections.
  • a further second detection unit is preferably connected to an output connection of the output connections of the first converter stage and to an input connection of the input connections of the second converter stage.
  • a further second detection unit is preferably connected to an output connection of the output connections of the second converter stage and to an input connection of the input connections of the third converter stage.
  • the input DC voltage present at the two input connections can be detected with the aid of the first detection unit, which is connected to the two input connections.
  • an input current strength that is present at the two input connections can be detected. So that the input current at the two input terminals is im
  • the output DC voltage present at the two output connections can be detected with the aid of the first detection unit, which is connected to the two output connections.
  • the second detection unit which is connected to one of the two output connections, can be used to detect an output current intensity that is present at the two output connections.
  • the fact that the output current intensity is present at the two output terminals means in particular that the output current intensity is present at least at the output terminal to which the second detection unit is connected.
  • the transformation ratio can be defined on the basis of the DC input voltage present at the two input terminals and the DC output voltage present at the two output terminals.
  • the transformation ratio can be defined based on the input current present at the two input terminals and the output current present at the two output terminals.
  • it is provided that either a ratio of the input DC voltage present at the two input terminals and the output DC voltage present at the two output terminals or a ratio of the input current present at the two input terminals and the output current present at the two output terminals is defined.
  • the DC input voltage and DC output voltage detected using the first detection units define the actual transformation ratio that is provided by the power unit at a point in time.
  • the actual transmission ratio which is provided by the power unit at a point in time, can be defined by the input current intensity and output current intensity detected using the second detection units.
  • the actual transformation ratio corresponds either to the quotient of the input DC voltage (dividend) and the output DC voltage (divisor) or to the quotient of the output current (dividend) and the input current (divisor).
  • the converter includes the regulator unit coupled to the power unit.
  • the regulator unit is connected to the switching elements for controlling the switching elements.
  • the controller unit for each switching element provide a corresponding control signal, so that each switching element of the switching elements can change from a corresponding electrically conductive state to a corresponding electrically isolating state and from the corresponding electrically isolating state to the corresponding electrically conductive state depending on the corresponding control signal.
  • the controller unit is connected in particular to the first detection units and to the second detection units.
  • the controller unit can receive a corresponding detection signal from each first detection unit of the first detection units, which signal corresponds to an actual value of an applied electrical voltage.
  • the controller unit can be provided with a corresponding detection signal from each second detection unit of the second detection units, which signal corresponds to an actual value of a present electrical current intensity.
  • the controller unit can therefore determine the actual transmission ratio on the basis of detection signals.
  • the controller unit is adapted to act on the power unit in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to the predetermined target transmission ratio.
  • the controller unit can act on the power unit.
  • the gear ratio that is to be aimed for from the actual gear ratio is referred to as the target gear ratio.
  • the target transmission ratio can be constant over time, in particular during a specified period of time, or can be variable over time, in particular during a specified period of time.
  • the actual transmission ratio is preferably adjusted to the specified target transmission ratio for specific ranges of electrical voltages and/or for specific ranges of electrical current intensities.
  • an electrical minimum voltage and an electrical maximum voltage can be defined for the first converter stage, between which the input DC voltage must lie so that the controller unit acts on the power unit in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio.
  • a minimum electrical current and a maximum electrical current can be defined for the first converter stage, between which the input current must lie so that the controller unit acts on the power unit in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio.
  • an electrical minimum voltage and an electrical maximum voltage can be defined between which the
  • DC output voltage must be so that the controller unit acts on the power unit in such a way that the actual transmission ratio corresponds to the specified target
  • Gear ratio is adjusted. Furthermore, for example, a minimum electrical current and a maximum electrical current can be defined for the third converter stage, between which the output current must lie so that the controller unit acts on the power unit in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio. Due to the fact that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio for specific ranges of electrical voltages and/or specific ranges of electrical current intensities, it can be ensured that the converter can be operated reliably.
  • the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio, which avoids the converter having to be operated as a current source or as a voltage source, as is known from the prior art.
  • No voltage-controlled networks are necessary for the converter according to the invention.
  • no complex regulation is necessary for the converter according to the invention, since the converter according to the invention does not provide a voltage source on the secondary side.
  • the converter according to the invention has a less complex regulation and can be used flexibly. The less complex regulation results in particular from the fact that the actual transmission ratio and the target transmission ratio are defined and the actual transmission ratio is matched to the target transmission ratio.
  • the flexibility of the applicability of the converter according to the invention is given in particular by the fact that the converter does not have to be operated as a current source or as a voltage source and the converter therefore does not differ in its configuration and control to the extent known from the prior art from the directly connected to the converter in Interacting components, such as components of a network, is influenced.
  • the specified target transmission ratio is constant over time.
  • a time-constant target transformation ratio ensures that the converter according to the invention can be operated in a DC network similar to a transformer in an AC network with a constant transformation ratio.
  • the predetermined target transmission ratio is variable over time.
  • a target transformation ratio that is variable over time ensures that the converter according to the invention can be operated in a DC network similar to a transformer in an AC network with a variable transformation ratio.
  • the target transmission ratio can be set to external conditions, in particular for a short time, such as changing electrical voltages present at the input terminals or output terminals or changing electrical current intensities present at the input terminals or output terminals.
  • the first converter stage has an electronic circuit of an inverter.
  • the converter according to the invention can in particular be operated bidirectionally, so that the term inverter is not to be understood as limiting and only fulfills the function of an inverter for energy transmission from the input connections to the output connections.
  • the electronic circuit of the first converter stage fulfills the function of a rectifier. If the first converter stage has the electronic circuit of the inverter, an electronic circuit with a particularly simple structure is provided.
  • the second converter stage is adapted to provide galvanic isolation. If the second converter stage is adapted to provide galvanic isolation, this is particularly advantageous if the input terminals are connected to a first network section and the output terminals are connected to a second network section, since the second converter stage ensures that the first network section and the second network section are galvanically isolated from each other.
  • the converter according to the invention thus ensures the function of galvanic isolation, similar to what is the case with conventional transformers in an AC network.
  • the second converter stage includes a transformer. If the second converter stage has the transformer, a particularly simply constructed electronic circuit of the second converter stage is provided. In one embodiment, the second converter stage has an electronic circuit of a converter. If the second converter stage has the electronic circuit of the converter, a particularly simply constructed electronic circuit is provided as an alternative to the transformer.
  • the third converter stage has an electronic circuit of a rectifier.
  • the converter according to the invention can in particular be operated bidirectionally, so that the term rectifier is not to be understood as limiting and actually only fulfills the function of a rectifier for energy transmission from the input terminals to the output terminals.
  • the electronic circuit of the third converter stage fulfills the function of an inverter. If the third converter stage has the electronic circuit of the rectifier, an electronic circuit with a particularly simple structure is provided.
  • the converter further includes a first energy storage device connected to the two input terminals. If a voltage source is connected to the two input connections, the first energy storage device can be supplied with charge carriers from the voltage source and energy can thus be temporarily stored in the first energy storage device. In the event that the converter has a high energy requirement for a short time, the charge carriers stored by the first energy store can be released by the latter, so that sufficient charge carriers can be provided for the short-term high energy requirement.
  • the first energy store can have at least one capacitor. The at least one capacitor can store electrical charge carriers electrostatically and thus release them particularly quickly.
  • the converter further includes a second energy storage device connected to the two output ports. If an electrical consumer is connected to the two output connections, the second energy store can be supplied with charge carriers by the converter and energy can thus be temporarily stored in the second energy store. In the event that the electrical consumer has a high energy requirement for a short time, the charge carriers stored by the second energy store can be released by the latter, so that it is sufficient Charge carriers can be provided for short-term high energy requirements.
  • the second energy store can have at least one capacitor. The at least one capacitor can store electrical charge carriers electrostatically and thus release them particularly quickly.
  • the controller unit has a first pilot control unit which is adapted to adapt a manipulated variable provided by the controller unit for adjusting the actual transmission ratio to the predefined setpoint transmission ratio, taking into account a detected first actual value.
  • the manipulated variable provided by the controller unit can also be referred to as the first manipulated variable.
  • the first manipulated variable is intended to adapt the actual transmission ratio to the specified target transmission ratio.
  • the first pre-control unit is adapted to adapt the manipulated variable, taking into account the first actual value detected.
  • the detected first actual value can be that present at the two input connections, for example
  • the detected first actual value is particularly preferably the output current intensity present at the two output terminals.
  • the first pilot control unit ensures that the power unit can be operated at a suitable operating point, for example depending on the load current, which can be defined by the load condition.
  • the controller unit has an adaptation unit that is adapted to adapt the specified target transmission ratio in such a way that the controller unit acts on the power unit in such a way that a detected second actual value is adapted to a specified first target value.
  • the adjustment unit is adapted to adjust the predetermined target transmission ratio.
  • the predetermined target transmission ratio is adjusted by the adjustment unit in such a way that the control unit acts on the power unit in such a way that a detected second actual value is adjusted to a predetermined first target value.
  • the detected second actual value can be, for example, the input DC voltage present at the two input terminals, the output DC voltage present at the two output terminals, the input current present at the two input terminals, or the output current present at the two output terminals.
  • the detected second actual value is particularly preferably the output DC voltage present at the two output connections.
  • the controller unit has a second pilot control unit which is adapted to adapt a manipulated variable provided by the adaptation unit for adapting the second actual value to the predefined first setpoint value, taking into account a detected third actual value.
  • the manipulated variable provided by the adjustment unit can also be referred to as the second manipulated variable.
  • the second manipulated variable is intended to adjust the second actual value to the predetermined first target value.
  • the second pilot control unit is adapted to adapt the second manipulated variable taking into account the detected third actual value.
  • the detected third actual value can be, for example, the input DC voltage present at the two input terminals, the output DC voltage present at the two output terminals, the input current present at the two input terminals, or the output current present at the two output terminals.
  • the detected third actual value is particularly preferably the input current intensity present at the two input terminals.
  • the second pre-control unit ensures that the operating point at which the power unit is operated can be optimized.
  • the first setpoint value is defined by a characteristic curve or by a family of characteristic curves. Because the first setpoint value is defined by the characteristic curve or by the family of characteristics, additional control and/or protective functions can be made possible.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a method having the features of claim 15.
  • the method is provided for converting an input DC voltage into an output DC voltage using a converter according to the first aspect of the invention.
  • the method comprises the following steps: applying an input DC voltage to the two input terminals of the first converter stage of the power unit, providing an output DC voltage at the two output terminals of the third converter stage of the power unit, detecting the input DC voltage and the output DC voltage or detecting the Input current at the two input terminals and the output current at the two output terminals, and the controller unit acts on the power unit in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to the predetermined target transmission ratio.
  • the features, technical effects and/or advantages described in connection with the converter according to the first aspect of the invention also apply at least in an analogous manner to the method according to the second aspect of the invention, so that a corresponding repetition is dispensed with at this point.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an embodiment of a converter according to the invention with a power unit and a controller unit.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a first embodiment of a controller unit of the converter according to the invention.
  • Figure 3 shows a schematic view of a second embodiment of the
  • Controller unit of the converter according to the invention.
  • Figure 4 shows a schematic view of a third embodiment of the
  • Controller unit of the converter according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic view of an embodiment of a converter 1 according to the invention with a power unit 3 and a controller unit 5.
  • Figure 2 shows a schematic view of a first embodiment of a controller unit 5 of the converter 1 according to the invention
  • Figure 3 shows a schematic view of a second embodiment of the controller unit 5 of the converter 1 according to the invention
  • Figure 4 shows a schematic view of a third embodiment of the controller unit 5 of the converter 1 according to the invention.
  • the power unit 3 is also shown schematically in each case.
  • the converter 1 has the power unit 3 and the regulator unit 5 which is coupled to the power unit 3 .
  • the power unit 3 has a first converter stage 7 , a second converter stage 9 and a third converter stage 11 .
  • the first converter stage 7 is connected to the second converter stage 9 which in turn is connected to the third converter stage 11 .
  • the first converter stage 7 has two input connections 13 .
  • the third converter stage 11 has two output connections 15 .
  • the converter 1 also has a first energy store 17 which is connected to the two input terminals 13 .
  • the converter 1 has a second energy store 19 which is connected to the two output terminals 15 .
  • the converter 1 has a large number of detection units.
  • the plurality of detection units includes first detection units 21 each adapted to detect an electric voltage and second detection units 23 each adapted to detect an electric current.
  • a first detection unit 21 is connected to the two input terminals 13 .
  • Another first detection unit 21 is connected to the two output terminals 15 .
  • a further first detection unit 21 is connected to two output terminals of the first converter stage 7, not shown explicitly in FIG. 1, and to two input terminals of the second converter stage 9, not shown explicitly in FIG.
  • a further first detection unit 21 is connected to two output terminals of the second converter stage 9, not shown explicitly in FIG. 1, and to two input terminals of the third converter stage 11, not shown explicitly in FIG.
  • a second detection unit 23 is connected to one input port 13 of the two input ports 13 .
  • Another second detection unit 23 is connected to one output terminal 15 of the two output terminals 15 .
  • Another second detection unit 23 is connected to an output connection of the two output connections of the first converter stage 7, not shown explicitly in FIG. 1, and to an input connection of the two input connections of the second converter stage 9, not shown explicitly in FIG.
  • Another second detection unit 23 is connected to an output connection of the two output connections of the second converter stage 9, not shown explicitly in FIG. 1, and to an input connection of the two input connections of the third converter stage 11, not shown explicitly in FIG.
  • the converter 1 shown in Figure 1 can in particular be operated bidirectionally, ie independently of the Load flow direction, so that the terms input connection and output connection are not to be understood as limiting and actually form an input connection or an output connection only for energy transfer in FIG. 1 from left to right.
  • each input connection for energy transfer in Figure 1 from left to right
  • each output connection for energy transfer in Figure i from right to left
  • each output connection for an energy transfer in the figure i from left to right
  • an input connection for an energy transfer in the figure 1 from right to left
  • the first converter stage 7 has four switching elements 25 .
  • the third converter stage 11 has four switching elements 25 .
  • Each switching element 25 of the switching elements 25 of both the first converter stage 7 and the third converter stage 11 has a transistor 27, preferably an insulated-gate field-effect transistor (IGFET) or particularly preferably a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), and a diode 29 .
  • each transistor 27 is an insulated gate bipolar transistor (IGBT). Insulated-gate bipolar transistors provide good on-state behavior, high blocking voltages, high robustness, and low-power drive.
  • each switching element 25 is respectively connected to a first terminal and to a second terminal of the corresponding switching element 25, the transistor 27 and the diode 29 being connected in parallel between the first terminal and the second terminal.
  • Each transistor 27 can, for example, be in the form of an enhancement type or a depletion type and can have an n-channel or p-channel.
  • Each switching element 25 of the switching elements 25 can assume an electrically conductive state and an electrically insulating state. When a switching element 25 is in the electrically conductive state, an electric current can flow through the corresponding switching element 25 . When the corresponding switching element 25 is in the electrically insulating state, the electric current cannot flow through the corresponding switching element.
  • a corresponding switching process can be used to switch between the electrically conductive state and the electrically insulating state of each switching element 25 .
  • the first converter stage 7 has an electronic circuit of an inverter. As already described, the converter 1 shown in FIG actually fulfills the function of an inverter only for energy transmission in FIG. 1 from left to right. When energy is transferred from right to left in FIG. 1, the electronic circuit of the first converter stage 7 fulfills the function of a rectifier.
  • the switching elements 25 of the first converter stage 7 are connected to one another in such a way that they form a full bridge arrangement. Two switching elements 25 of the first converter stage 7 are connected to a first input connection 13 .
  • a first switching element 25 of these two switching elements 25 is connected to a first output connection, not explicitly shown in Figure 1, of the first converter stage 7, and a second switching element 25 of these two switching elements 25 is connected to a second output connection, not explicitly shown in Figure 1, of the first converter stage 7.
  • Two further switching elements 25 of the first converter stage 7 are connected to a second input connection 13 .
  • a third switching element 25 of these two switching elements 25 is connected to the first output connection of the first converter stage 7 and a fourth switching element 25 of these two switching elements 25 is connected to the second output connection of the first converter stage 7 .
  • the third converter stage 11 has an electronic circuit of a rectifier.
  • the converter 1 shown in FIG. 1 can be operated in particular bidirectionally, so that the term rectifier is not to be understood as limiting and only actually fulfills the function of a rectifier for energy transmission in FIG. 1 from left to right.
  • the electronic circuit of the third converter stage 11 fulfills the function of an inverter.
  • the switching elements 25 of the third converter stage 11 are connected to one another in such a way that they form a full-bridge arrangement. Two switching elements 25 of the third converter stage 11 are connected to a first output connection 15 .
  • a first switching element 25 of these two switching elements 25 is connected to a first input connection, not explicitly shown in Figure 1, of the third converter stage 11, and a second switching element 25 of these two switching elements 25 is connected to a second input connection, not explicitly shown in Figure 1, of the third converter stage 11.
  • Two further switching elements 25 of the third converter stage 11 are connected to a second output connection 15 .
  • a third switching element 25 of these two switching elements 25 is connected to the first input connection of the third converter stage 11 and a fourth switching element 25 of these two switching elements 25 is connected to the second input connection of the third converter stage 11 .
  • the second converter stage 9 has three inductances 31, of which two inductances 31 form a transformer.
  • the second converter stage 9 thus has a transformer, which in the present example is designed as a medium-frequency transformer.
  • the second converter stage 9 can provide electrical isolation, in particular between the first converter stage 7 and the third converter stage 11 .
  • the two inductances 31 of the transformer have windings which are arranged in such a way that the windings have the same sense.
  • the transformer therefore has two windings with the same phase position.
  • a capacitance can be provided in series with it, with the inductance 31 and the capacitance forming a series resonant circuit.
  • the series resonant circuit can be used to ensure that the instantaneous value of the electric current during the transition from the electrically conductive state to the electrically insulating state of one or more switching elements 25 is particularly low, so that the power loss of the one or more switching elements 25 is particularly low, so that the Efficiency of the converter 1 can be particularly high.
  • the second converter stage 9 can also have an electronic circuit of a converter.
  • the converter 1 is designed to convert an input DC voltage into an output DC voltage.
  • the DC input voltage can be applied to the two input terminals 13 .
  • the output DC voltage can be provided at the two output terminals 15 .
  • the first converter stage 7, the second converter stage 9 and the third converter stage 11 are adapted such that when the converter 1 is in operation when the input DC voltage is applied to the two input terminals 13, the output DC voltage is provided at the two output terminals 15.
  • the input DC voltage present at the two input connections 13 can be detected with the aid of the first detection unit 21, which is connected to the two input connections 13. With the aid of the second detection unit 23, which is connected to one of the two input connections 13, an input current strength that is present at the two input connections 13 can be detected.
  • the fact that the input current intensity is present at the two input connections 13 means in particular that the input current intensity is present at least at the input connection 13 to which the second detection unit 23 is connected.
  • the aid of the first detection unit 21, which is connected to the two output connections 15 the output direct voltage present at the two output connections 15 can be detected.
  • the aid of the second detection unit 23, which is connected to one of the two output connections 15 an output current strength that is present at the two output connections 15 can be detected.
  • the fact that the output current intensity is present at the two output terminals 15 means in particular that the output current intensity is present at least at the output terminal 15 to which the second detection unit 23 is connected.
  • the transformation ratio can be defined on the basis of the input DC voltage present at the two input terminals 13 and the output DC voltage present at the two output terminals 15 .
  • the transformation ratio can be defined based on the input current present at the two input terminals 13 and the output current present at the two output terminals 15 .
  • the DC input voltage and DC output voltage detected using the first detection units 21 define an actual transformation ratio that is provided by the power unit 3 at a point in time.
  • the actual transformation ratio which is provided by the power unit 3 at a point in time, can be defined by the input current intensity and output current intensity detected using the second detection units 21 .
  • the actual transformation ratio of the power unit 3 is determined by a ratio of the input DC voltage present at the two input terminals 13 and the output DC voltage present at the two output terminals 15 or by a ratio of the input current intensity present at the two input terminals 13 and that at the two Output terminals 15 present output current defined.
  • the actual transformation ratio corresponds either to the quotient of the input DC voltage (dividend) and the output DC voltage (divisor) or to the quotient of the output current (dividend) and the input current (divisor).
  • the controller unit 5 is coupled to the power unit 3 .
  • the regulator unit 5 is connected to the switching elements 25 for controlling the switching elements 25 .
  • the controller unit 5 can provide a corresponding control signal for each switching element 25, so that each switching element 25 of the switching elements 25, depending on the corresponding control signal, both from a corresponding electrically conductive state to a corresponding electrically insulating state and from the corresponding electrically insulating state to the corresponding electrically conductive state.
  • the regulator unit 5 can act on the power unit 3 by activating the switching elements 25 . Furthermore, the controller unit 5 is connected in particular to the first detection units 21 and to the second detection units 23 . The controller unit 5 can receive a corresponding detection signal from each first detection unit 21 of the first detection units 21 , which signal corresponds to an actual value of an electrical voltage present. Furthermore, the controller unit 5 can be provided with a corresponding detection signal from each second detection unit 23 of the second detection units 23, which signal corresponds to an actual value of a present electrical current intensity. The controller unit 5 can therefore determine the actual transmission ratio on the basis of detection signals. The gear ratio to be aimed at from the actual gear ratio is referred to as the target gear ratio.
  • the target transmission ratio can be constant over time, in particular during a specified period of time, or can be variable over time, in particular during a specified period of time.
  • the controller unit 5 is adapted to act on the power unit 3 in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to a predetermined target transmission ratio.
  • the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio for specific ranges of electrical voltages and/or specific ranges of electrical current intensities.
  • an electrical minimum voltage and an electrical maximum voltage can be defined for the first converter stage 7, between which the input DC voltage must lie so that the controller unit 5 acts on the power unit 3 in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio.
  • a minimum electrical current and a maximum electrical current can be defined for the first converter stage 7, between which the input current must lie, so that the controller unit 5 on the power unit 3 so has the effect that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio.
  • an electrical minimum voltage and an electrical maximum voltage can be defined for the third converter stage n, between which the output DC voltage must lie so that the controller unit 5 acts on the power unit 3 in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio.
  • a minimum electrical current and a maximum electrical current can be defined for the third converter stage 11, between which the output current must lie so that the controller unit 5 acts on the power unit 3 in such a way that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio. Due to the fact that the actual transmission ratio is adjusted to the specified target transmission ratio for specific ranges of electrical voltages and/or specific ranges of electrical current intensities, it can be ensured that the converter 1 can be operated reliably.
  • Figure 2 shows a schematic view of a first embodiment of controller unit 5 of converter 1 according to the invention
  • Figure 3 shows a schematic view of the second embodiment of controller unit 5 of converter 1 according to the invention
  • Figure 4 shows a schematic view of the third embodiment of controller unit 5 of the converter according to the invention 1.
  • the first embodiment of the controller unit 5 in FIG. 2 has a first pilot control unit 33 .
  • the first pilot control unit 33 is adapted to adapt a manipulated variable 35 provided by the controller unit 5, which can also be referred to as the first manipulated variable.
  • the manipulated variable 35 is provided in order to adapt the actual transmission ratio, which is identified by reference number 37 in FIGS is.
  • the first pilot control unit 33 is adapted to adjust the manipulated variable 35 taking into account a first actual value 41 that has been detected.
  • the detected first actual value 41 can be, for example, the input DC voltage present at the two input terminals 13, the output DC voltage present at the two output terminals 15, the input current present at the two input terminals 13, or the output current present at the two output terminals 15.
  • the recorded first actual value 41 is particularly preferably the output current strength present at the two output connections 15 .
  • the first pilot unit 33 ensures that the power unit 3 can be operated at a suitable operating point, for example depending on the load current, which can be defined by the load condition.
  • the second embodiment of the controller unit 5 in FIG. 3 additionally has an adaptation unit 43 .
  • the adaptation unit 43 is adapted to adapt the specified target transmission ratio 39 .
  • the specified target transmission ratio 39 is adapted by the adaptation unit 43 in such a way that the controller unit 5 acts on the power unit 3 in such a way that a detected second actual value 45 is adapted to a specified first target value 47 .
  • the adaptation unit 43 is therefore adapted to adapt the specified target transmission ratio in such a way that the controller unit 5 acts on the power unit 3 in such a way that the detected second actual value (45) is adapted to the specified first target value 47 .
  • the detected second actual value 45 can be, for example, the input DC voltage present at the two input terminals 13, the output DC voltage present at the two output terminals 15, the input current intensity present at the two input terminals 13, or the input current at the two
  • Output terminals 15 be present output current.
  • the detected second actual value 45 is particularly preferably that present at the two output connections 15
  • Input terminals 13 present input current, or at the two
  • Output terminals 15 present output current can be optimized.
  • the second pilot control unit 49 is adapted to adapt a manipulated variable 51 provided by the adaptation unit 43, which can also be referred to as the second manipulated variable.
  • the manipulated variable 51 is provided in order to adjust the second actual value 45 to the specified first setpoint value 47 .
  • the second pilot control unit 49 is adapted to adjust the manipulated variable 51 taking into account a third actual value 53 that has been detected.
  • the detected third actual value 53 can be, for example, the input DC voltage present at the two input terminals 13, the output DC voltage present at the two output terminals 15, the input current present at the two input terminals 13, or the output current present at the two output terminals 15.
  • the detected third actual value 53 is particularly preferably the input current intensity present at the two input terminals.
  • the second pilot control unit 49 ensures that the operating point at which the power unit 3 is operated can be further optimized.
  • the third embodiment of the controller unit 5 of the converter 1 according to the invention shown schematically in Figure 4 corresponds essentially to the second embodiment of the controller unit 5 shown schematically in Figure 3, wherein in the second embodiment the specified first setpoint value 47 is a specified constant value and in the third embodiment, the predetermined first desired value 47 is defined by a characteristic curve or by a family of characteristic curves. If the predefined first desired value 47 is a predefined constant value, a particularly low-computational solution is provided.
  • protective functions can be provided, for example, particularly when a comparison between the characteristic curve or the family of characteristics and the input DC voltage present at the two input connections 13, which is present at the two Output terminals 15 present DC output voltage, the input current present at the two input terminals 13, and/or the output current present at the two output terminals 15 is provided.
  • the method can include the following steps: Applying an input DC voltage to the two input terminals 13 of the first converter stage 7 of the power unit 3. Providing an output DC voltage at the two output terminals 15 of the Third converter stage 11 of the power unit 3. Detecting the input DC voltage and the output DC voltage or detecting the input current at the two input terminals 13 and the output current at the two output terminals 15.
  • the regulator unit 5 acts on the power unit 3 in such a way that the actual transformation ratio corresponds to the specified target - Gear ratio is adjusted.

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Wandler (1) zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung, umfassend: eine Leistungseinheit (3) mit einer ersten Wandlerstufe (7) mit zwei Eingangsanschlüssen (13), mit einer mit der ersten Wandlerstufe (7) verbundenen zweiten Wandlerstufe (9), und mit einer mit der zweiten Wandlerstufe (9) verbundenen dritten Wandlerstufe (11) mit zwei Ausgangsanschlüssen (15), wobei die erste Wandlerstufe (7), die zweite Wandlerstufe (9) und die dritte Wandlerstufe (11) so angepasst sind, dass im Betrieb des Wandlers (1) bei Anlegen der Eingangsgleichspannung an die zwei Eingangsanschlüsse (13) die Ausgangsgleichspannung an den zwei Ausgangsanschlüssen (15) bereitgestellt wird, wobei ein Ist-Übersetzungsverhältnis der Leistungseinheit (3) durch ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen (13) anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen (15) anliegenden Ausgangsgleichspannung oder durch ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen (13) vorliegenden Eingangsstromstärke und von der an den zwei Ausgangsanschlüssen (15) vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert ist und eine mit der Leistungseinheit (3) gekoppelte Reglereinheit (5), wobei die Reglereinheit (5) angepasst ist, so auf die Leistungseinheit (3) einzuwirken, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis einem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird, sowie ein entsprechendes Verfahren.

Description

Wandler und Verfahren zum Angleichen eines Ist-Übersetzungsverhältnisses an ein Soll-Übersetzungsverhältnis
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandler zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung mit einer Leistungseinheit und eine mit der Leistungseinheit gekoppelten Reglereinheit sowie ein Verfahren zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung.
Wandler mit einer Leistungseinheit und einer mit der Leistungseinheit gekoppelten Reglereinheit sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können Eingangsgleichspannungen an die Leistungseinheit angelegt werden, die mithilfe von Schaltelementen der Leistungseinheit in Ausgangsgleichspannungen umgewandelt werden können. Für die Umwandlung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung werden die Schaltelemente gewöhnlich in einer aufeinander abgestimmten Weise geschaltet, wobei jedes der Schalt elemente jeweils einen elektrisch leitenden Zustand und einen elektrisch isolierenden Zustand einnehmen kann. Weiter sind beispielsweise auch Wandler mit einer Leistungseinheit aus dem Stand der Technik bekannt, an die Eingangswechselspannungen angelegt werden können, die mithilfe von Schaltelementen der Leistungseinheit in Ausgangswechselspannungen umgewandelt werden können. Auch hierbei werden die Schalt elemente für die Umwandlung einer Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung gewöhnlich in einer aufeinander abgestimmten Weise geschaltet, wobei auch hier jedes der Schalt elemente jeweils einen elektrisch leitenden Zustand und einen elektrisch isolierenden Zustand einnehmen kann.
Wandler, die Eingangswechselspannungen in Ausgangswechselspannungen umwandeln können und auch als AC/AC-Wandler bezeichnet werden können, werden beispielsweise in sogenannten AC-Netzen verwendet, um unterschiedliche Spannungsebenen miteinander zu verbinden bzw. diese bereitzustellen, die auch als AC-Spannungsebenen bezeichnet werden können, wie beispielsweise eine Höchstspannungsebene mit einer Hochspannungsebene, eine Hochspannungsebene mit einer Mittelspannungsebene oder eine Mittelspannungsebene mit einer Niederspannungsebene. Die Wandler, die Eingangsgleichspannungen in Ausgangsgleichspannungen umwandeln können und auch als DC/DC-Wandler bezeichnet werden können, werden ebenfalls dazu verwendet, um unterschiedliche Spannungsebenen miteinander zu verbinden bzw. diese bereitzustellen, die auch als DC-Spannungsebenen bezeichnet werden können. Die aus dem Stand der Technik bekannten DC/DC-Wandler werden gewöhnlich als Stromquelle oder als Spannungsquelle betrieben.
Wenn der DC/DC-Wandler als Stromquelle betrieben wird, wird die Eingangsgleichspannung geregelt, d. h konstant gehalten und der Wandler bildet am Ausgang bzw. auf der Sekundärseite eine Stromquelle. Wenn der DC/DC-Wandler als Spannungsquelle betrieben wird, wird die Ausgangsgleichspannung geregelt, d. h. konstant gehalten und der Wandler bildet am Ausgang bzw. auf der Sekundärseite eine Spannungsquelle. Wenn der Wandler als Stromquelle oder als Spannungsquelle betrieben wird, wird die primärseitig, d. h. am Eingang, je nach Lastflussrichtung zugeführte bzw. entnommene Leistung der Sekundärseite entnommen bzw. zugeführt. Insbesondere sind aus dem Stand der Technik regelungstechnische Modelle zur Regelung von DC/DC-Wandlern bekannt, die auf den Wandler als Stromquelle oder als Spannungsquelle ausgelegt sind. Häufig sind für DC/DC- Wandler spannungsgeführte Netze notwendig, was die Flexibilität der Einsatzmöglichkeiten von DC/DC-Wandlern beschränkt. Außerdem kann der spannungsgeführte Betrieb eines DC/DC-Wandlers, d. h., wenn dieser auf der Sekundärseite eine Spannungsquelle bereitstellt, zu einer komplexen Regelung des Wandlers führen.
Generell ist es wünschenswert, DC/DC-Wandler bereitzustellen, die eine wenig komplexe Regelung aufweisen und flexibel einsetzbar sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, DC/DC-Wandler bereitzustellen, die eine wenig komplexe Regelung aufweisen und flexibel einsetzbar sind
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch einen Wandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Wandler ist zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung ausgeführt. Der Wandler umfasst eine Leistungseinheit. Die Leistungseinheit umfasst eine erste Wandlerstufe. Die erste Wandlerstufe umfasst zwei Eingangsanschlüsse. Die Leistungseinheit umfasst eine mit der ersten Wandlerstufe verbundene zweite Wandlerstufe. Weiter umfasst die Leistungseinheit eine mit der zweiten Wandlerstufe verbundene dritte Wandlerstufe. Die dritte Wandlerstufe umfasst zwei Ausgangsanschlüsse. Die erste Wandlerstufe, die zweite Wandlerstufe und die dritte Wandlerstufe sind so angepasst, dass im Betrieb des Wandlers bei Anlegen der Eingangsgleichspannung an die zwei Eingangsanschlüsse die Ausgangsgleichspannung an den zwei Ausgangsanschlüssen bereitgestellt wird. Ein Ist-Übersetzungsverhältnis der Leistungseinheit ist durch ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegenden Ausgangsgleichspannung oder durch ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegenden Eingangsstromstärke und von der an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert. Außerdem umfasst der Wandler eine mit der Leistungseinheit gekoppelte Reglereinheit. Die Reglereinheit ist angepasst, so auf die Leistungseinheit einzuwirken, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis einem vorgegebenen Soll- Übersetzungsverhältnis angeglichen wird.
Der Wandler ist zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung ausgeführt. Sowohl die Eingangsgleichspannung als auch die Ausgangsgleichspannung sind bevorzugt elektrische Gleichspannungen, bei denen sich der Momentanwert über einen längeren Betrachtungszeitraum nicht ändert oder lediglich innerhalb eines vorgegebenen Gleichspannungsintervalls geringfügig ändert, das sich von einem Gleichspannungsmindestwert bis zu einem Gleichspannungsmaximumwert erstreckt. Für den Fall, dass sich der Momentanwert zeitlich ändert, wechselt die sowohl Eingangsgleichspannung als auch die Ausgangsgleichspannung ihre Polarität nicht.
Der Wandler umfasst die Leistungseinheit. Die Leistungseinheit umfasst die erste Wandlerstufe, die mit der ersten Wandlerstufe verbundene zweite Wandlerstufe und die mit der zweiten Wandlerstufe verbundene dritte Wandlerstufe. Die erste Wandlerstufe, die zweite Wandlerstufe und die dritte Wandlerstufe bilden jeweils einen Abschnitt des Wandlers. Insbesondere weisen die erste Wandlerstufe, die zweite Wandlerstufe und die dritte Wandlerstufe jeweils elektronische Bauelemente auf, die derart miteinander verbunden sind, sodass jede Wandlerstufe eine entsprechende Wandlerstufeneingangsspannung, die an entsprechenden Eingangsanschlüssen anliegt, in eine entsprechende Wandlerstufenausgangsspannung umwandeln kann, die an entsprechenden Ausgangsanschlüssen anliegt. Insbesondere kann jede Wandlerstufe eine entsprechende Wandlerstufeneingangsspannung in eine entsprechende Wandlerstufenausgangsspannung umwandeln, sodass der Wandler die Eingangsgleichspannung in die Ausgangsgleichspannung wandelt. Insbesondere entspricht die Eingangsgleichspannung der Wandlerstufeneingangsspannung der ersten Wandlerstufe und die Ausgangsgleichspannung der Wandlerstufenausgangsspannung der dritten Wandlerstufe. Insbesondere kann die Wandlerstufenausgangsspannung der ersten Wandlerstufe, die Wandlerstufeneingangsspannung der zweiten Wandlerstufe, die Wandlerstufenausgangsspannung der zweiten Wandlerstufe und die Wandlerstufeneingangsspannung der dritten Wandlerstufe jeweils eine Wechselspannung sein. Wenn in der vorliegenden Erfindung von einer Wechselspannung die Rede ist, so ändert sich der Momentanwert der Wechselspannung bevorzugt über einen längeren Betrachtungszeitraum. Der Momentanwert der Wechselspannung ändert sich bevorzugt periodisch. Insbesondere ändert sich der Momentanwert der Wechselspannung zeitlich so, dass die Wechselspannung ihre Polarität wiederkehrend zeitlich ändert. Der erfindungsgemäße Wandler kann insbesondere bidirektionale betrieben werden, d. h. unabhängig von der Lastflussrichtung, sodass die Begriffe Eingangsgleichspannung und Ausgangsgleichspannung sowie Wandlerstufeneingangsspannung und Wandlerstufenausgangsspannung nicht einschränken zu verstehen sind und für einen Betriebszustand des Wandlers bei einer Energieübertragung von den zwei Eingangsanschlüssen hin zu den zwei Ausgangsanschlüssen die entsprechenden Spannungen beschreibt. Für einen Betriebszustand des Wandlers bei einer Energieübertragung von den zwei Ausgangsanschlüssen hin zu den zwei Eingangsanschlüssen müsste die Bezeichnung der entsprechenden Spannungen, und insbesondere auch der Anschlüsse, wie beispielsweise Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss, vertauscht werden, worauf für eine erleichterte Beschreibung der Bestandteile des Wandlers jedoch verzichtet wird.
Die erste Wandlerstufe umfasst die zwei Eingangsanschlüsse. Die dritte Wandlerstufe umfasst die zwei Ausgangsanschlüsse. Insbesondere stellen die zwei Eingangsanschlüsse und die zwei Ausgangsanschlüsse jeweils einen elektrischen Kontakt bereit. Die zwei Eingangsanschlüsse können mit einer Spannungsquelle verbunden werden, sodass eine elektrische Verbindung zwischen der Spannungsquelle und den zwei Eingangsanschlüssen bereitgestellt wird, sodass an den zwei Eingangsanschlüssen die Eingangsgleichspannung anliegt. Die zwei Ausgangsanschlüssen können mit einem elektrischen Verbraucher verbunden werden, sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Verbraucher und den zwei Ausgangsanschlüssen bereitgestellt wird, sodass ein elektrischer Strom durch den elektrischen Verbraucher fließen kann. Insbesondere können sowohl die zwei Eingangsanschlüssen mit einer ersten Komponente eines DC-Netzes als auch die zwei Ausgangsanschlüssen mit einer zweiten Komponente eines DC-Netzes verbunden werden, wobei die erste Komponente einer ersten DC-Spannungsebene zugeordnet ist und die zweite Komponente einer zweiten DC-Spannungsebene zugeordnet ist. Wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von zwei Eingangsanschlüssen die Rede ist, ohne, dass explizit darauf verwiesen wird, dass die zwei Eingangsanschlüsse einer anderen Wandlerstufe als der ersten Wandlerstufe zugeordnet sind, so sind mit den zwei Eingangsanschlüssen die zwei Eingangsanschlüsse der ersten Wandlerstufe gemeint. Wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von zwei Ausgangsanschlüssen die Rede ist, ohne, dass explizit darauf verwiesen wird, dass die zwei Ausgangsanschlüsse einer anderen Wandlerstufe als der dritten Wandlerstufe zugeordnet sind, so sind mit den zwei Ausgangsanschlüssen die zwei Ausgangsanschlüsse der dritten Wandlerstufe gemeint.
Die erste Wandlerstufe, die zweite Wandlerstufe und die dritte Wandlerstufe sind so angepasst, dass im Betrieb des Wandlers bei Anlegen der Eingangsgleichspannung an die zwei Eingangsanschlüsse die Ausgangsgleichspannung an den zwei Ausgangsanschlüssen bereitgestellt wird. Die erste Wandlerstufe, die zweite Wandlerstufe und die dritte Wandlerstufe kann jeweils ein Schalt elemente oder eine Vielzahl von Schalt elementen aufweisen. Insbesondere weist sowohl die erste Wandlerstufe als auch die dritte Wandlerstufe jeweils eine Vielzahl von Schaltelementen auf, insbesondere jeweils vier Schaltelemente. Jedes Schaltelement der Schaltelemente kann einen Transistor aufweisen. Bevorzugt ist der Transistor ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET) oder besonders bevorzugt ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder weiter bevorzugt ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Jeder Transistor kann beispielsweise als Anreicherungstyp oder Verarmungstyp ausgebildet sein und einen n-Kanal oder p-Kanal aufweisen. Jedes Schaltelement der Schaltelemente kann eine Diode aufweisen. Jedes Schaltelement der Schaltelemente weist insbesondere einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Bevorzugt ist der Transistor jedes Schalt elements sowohl mit dem ersten Anschluss als auch mit dem zweiten Anschluss verbunden. Außerdem ist die Diode jedes Schaltelements bevorzugt sowohl mit dem ersten Anschluss als auch mit dem zweiten Anschluss verbunden. Insbesondere sind der Transistor und die Diode zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss parallel zueinander verschaltet. Insbesondere kann jedes Schaltelement der Schaltelemente einen elektrisch leitenden Zustand und einen elektrisch isolierenden Zustand einnehmen. Wenn ein Schaltelement in dem elektrisch leitenden Zustand ist, kann ein elektrischer Strom durch das entsprechende Schaltelement fließen. Wenn das entsprechende Schaltelemente in dem elektrisch isolierenden Zustand ist, kann der elektrische Strom nicht durch das entsprechende Schaltelemente fließen. Durch einen entsprechenden Schaltvorgang kann zwischen dem elektrisch leitenden Zustand und dem elektrisch isolierenden Zustand eines jeden Schaltelements gewechselt werden. Bevorzugt sind die Schaltelemente der ersten Wandlerstufe so miteinander verbunden, dass sie eine Vollbrückenanordnung bilden. Hierbei sind zwei Schaltelemente der ersten Wandlerstufe mit einem ersten Eingangsanschluss der zwei Eingangsanschlüsse verbunden. Ein erstes Schaltelement dieser zwei Schaltelemente ist bevorzugt mit einem ersten Ausgangsanschluss der ersten Wandlerstufe verbunden und ein zweites Schaltelement dieser zwei Schaltelemente ist bevorzugt mit einem zweiten Ausgangsanschluss der ersten Wandlerstufe verbunden. Zwei weitere Schaltelemente der ersten Wandlerstufe sind bevorzugt mit einem zweiten Eingangsanschluss der zwei Eingangsanschlüssen verbunden. Ein drittes Schaltelement dieser zwei Schaltelemente ist bevorzugt mit dem ersten Ausgangsanschluss der ersten Wandlerstufe verbunden und ein viertes Schaltelement dieser zwei Schaltelemente ist bevorzugt mit dem zweiten Ausgangsanschluss der ersten Wandlerstufe verbunden.
Bevorzugt sind die Schaltelemente der dritten Wandlerstufe so miteinander verbunden, dass sie eine Vollbrückenanordnung bilden. Zwei Schaltelemente der dritten Wandlerstufe sind bevorzugt mit einem ersten Ausgangsanschluss verbunden. Ein erstes Schaltelement dieser zwei Schaltelemente ist bevorzugt mit einem ersten Eingangsanschluss der dritten Wandlerstufe verbunden und ein zweites Schaltelement dieser zwei Schaltelemente ist bevorzugt mit einem zweiten Eingangsanschluss der dritten Wandlerstufe verbunden. Zwei weitere Schaltelemente der dritten Wandlerstufe sind bevorzugt mit einem zweiten Ausgangsanschluss verbunden. Ein drittes Schaltelement dieser zwei Schaltelemente ist bevorzugt mit dem ersten Eingangsanschluss der dritten Wandlerstufe verbunden und ein viertes Schaltelement dieser zwei Schaltelemente ist bevorzugt mit dem zweiten Eingangsanschluss der dritten Wandlerstufe verbunden.
Insbesondere kann die zweite Wandlerstufe eine Induktivität oder eine Vielzahl von Induktivitäten aufweisen. Bevorzugt weist die zweite Wandlerstufe zwei Induktivitäten auf, die einen Transformator bilden. Der Transformator kann einen Mittelfrequenztransformator bilden. Mithilfe des Transformators kann die zweite Wandlerstufe eine galvanische Trennung, insbesondere zwischen der ersten Wandlerstufe und der dritten Wandlerstufe bereitstellen. Die zwei Induktivitäten des Transformators können Wicklungen aufweisen, die so angeordnet sind, dass die Wicklungen gleichsinnig oder gegensinnig sind. Der Transformator kann also zwei Wicklungen mit gleicher oder entgegengesetzter Phasenlage aufweisen. Die zweite Wandlerstufe kann zusätzlich eine weitere Induktivität sowie eine mit der Induktivitäten in Reihe oder parallel zu dieser geschaltete Kapazität aufweisen, die gemeinsam einen Schwingkreis bilden. Mithilfe des Schwingkreises kann gewährleistet werden, dass der Momentanwert des elektrischen Stroms beim Übergang von dem elektrisch leitenden Zustand in den elektrisch isolierenden Zustand eines oder mehrerer Schaltelemente besonders gering ist, sodass die Verlustleistung des einen oder der mehreren Schaltelemente besonders gering ist, sodass der Wirkungsgrad des Wandlers besonders hoch sein kann.
Außerdem ist das Ist-Übersetzungsverhältnis der Leistungseinheit durch das Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegenden Ausgangsgleichspannung oder durch das Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegenden Eingangsstromstärke und von der an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert. Der Wandler weist bevorzugt eine Vielzahl von Erfassungseinheiten auf. Die Vielzahl von Erfassungseinheiten weist bevorzugt mindestens eine erste Erfassungseinheit auf, die zum Erfassen einer elektrischen Spannung angepasst ist. Weiter weist die Vielzahl von Erfassungseinheiten bevorzugt mindestens eine zweite Erfassungseinheit auf, die zum Erfassen einer elektrischen Stromstärke angepasst ist. Bevorzugt ist eine erste Erfassungseinheit mit den zwei Eingangsanschlüssen verbunden. Weiter bevorzugt ist eine weitere erste Erfassungseinheit mit den zwei Ausgangsanschlüssen verbunden. Weiter bevorzugt ist eine weitere erste Erfassungseinheit mit zwei Ausgangsanschlüssen der ersten Wandlerstufe und mit zwei Eingangsanschlüssen der zweiten Wandlerstufe verbunden. Bevorzugt ist eine weitere erste Erfassungseinheit mit zwei Ausgangsanschlüssen der zweiten Wandlerstufe und mit zwei Eingangsanschlüssen der dritten Wandlerstufe verbunden. Bevorzugt ist eine zweite Erfassungseinheit mit einem Eingangsanschluss der zwei Eingangsanschlüsse verbunden. Eine weitere zweite Erfassungseinheit ist bevorzugt mit einem Ausgangsanschluss der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden. Eine weitere zweite Erfassungseinheit ist bevorzugt mit einem Ausgangsanschluss der Ausgangsanschlüsse der ersten Wandlerstufe und mit einem Eingangsanschluss der Eingangsanschlüsse der zweiten Wandlerstufe verbunden. Eine weitere zweite Erfassungseinheit ist bevorzugt mit einem Ausgangsanschluss der Ausgangsanschlüsse der zweiten Wandlerstufe und mit einem Eingangsanschluss der Eingangsanschlüsse der dritten Wandlerstufe verbunden. Mithilfe der ersten Erfassungseinheit, die mit den zwei Eingangsanschlüssen verbunden ist, kann die an den zwei Eingangsanschlüssen anliegende Eingangsgleichspannung erfasst werden. Mithilfe der zweiten Erfassungseinheit, die mit einem der zwei Eingangsanschlüsse verbunden ist, kann eine Eingangsstromstärke erfasst werden, die an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegt. Damit, dass die Eingangsstromstärke an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegt ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere gemeint, dass die Eingangsstromstärke zumindest an dem Eingangsanschluss vorliegt, mit dem die zweite Erfassungseinheit verbunden ist. Mithilfe der ersten Erfassungseinheit, die mit den zwei Ausgangsanschlüssen verbunden ist, kann die an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegende Ausgangsgleichspannung erfasst werden. Mithilfe der zweiten Erfassungseinheit, die mit einem der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden ist, kann eine Ausgangsstromstärke erfasst werden, die an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegt. Damit, dass die Ausgangsstromstärke an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegt ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere gemeint, dass die Ausgangsstromstärke zumindest an dem Ausgangsanschluss vorliegt, mit dem die zweite Erfassungseinheit verbunden ist.
Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Übersetzungsverhältnis definiert ist. Anhand der an den zwei Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegenden Ausgangsgleichspannung kann das Übersetzungsverhältnis definiert sein. Alternativ kann das Übersetzungsverhältnis anhand der an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegenden Eingangsstromstärke und der an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass entweder ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegenden Ausgangsgleichspannung oder ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegenden Eingangsstromstärke und von der an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert ist. Insbesondere definiert die mithilfe der ersten Erfassungseinheiten erfasste Eingangsgleichspannung und Ausgangsgleichspannung das Ist-Übersetzungsverhältnis, das zu einem Zeitpunkt von der Leistungseinheit bereitgestellt wird. Alternativ kann das Ist- Übersetzungsverhältnis, das zu einem Zeitpunkt von der Leistungseinheit bereitgestellt wird, durch die mithilfe der zweiten Erfassungseinheiten erfasste Eingangsstromstärke und Ausgangsstromstärke definiert sein. Insbesondere entspricht das Ist-Übersetzungsverhältnis entweder dem Quotienten aus der Eingangsgleichspannung (Dividend) und der Ausgangsgleichspannung (Divisor) oder dem Quotienten aus der Ausgangsstromstärke (Dividend) und der Eingangsstromstärke (Divisor).
Außerdem umfasst der Wandler die mit der Leistungseinheit gekoppelte Reglereinheit. Insbesondere ist die Reglereinheit mit den Schaltelementen zum Ansteuern der Schalt elemente verbunden. Insbesondere kann die Reglereinheit für jedes Schaltelement ein entsprechendes Steuersignal bereitstellen, sodass jedes Schaltelement der Schaltelemente in Abhängigkeit von dem entsprechenden Steuersignal sowohl von einem entsprechenden elektrisch leitenden Zustand in einen entsprechenden elektrisch isolierenden Zustand als auch von dem entsprechenden elektrisch isolierenden Zustand in den entsprechenden elektrisch leitenden Zustand übergehen kann. Des Weiteren ist die Reglereinheit insbesondere mit den ersten Erfassungseinheiten und mit den zweiten Erfassungseinheiten verbunden. Die Reglereinheit kann von jeder ersten Erfassungseinheit der ersten Erfassungseinheiten ein entsprechendes Erfassungssignal bereitgestellt bekommen, das einem Ist-Wert einer anliegenden elektrischen Spannung entspricht. Weiter kann die Reglereinheit von jeder zweiten Erfassungseinheit der zweiten Erfassungseinheiten ein entsprechendes Erfassungssignal bereitgestellt bekommen, dass einem Ist-Wert einer vorliegenden elektrischen Stromstärke entspricht. Die Reglereinheit kann also anhand von Erfassungssignalen das Ist-Übersetzungsverhältnis ermitteln.
Die Reglereinheit ist angepasst, so auf die Leistungseinheit einzuwirken, dass das Ist- Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Insbesondere durch das Ansteuern der Schaltelemente kann die Reglereinheit auf die Leistungseinheit einwirken. Insbesondere wird das Übersetzungsverhältnis, das von dem Ist- Übersetzungsverhältnis angestrebt werden soll, als Soll-Übersetzungsverhältnis bezeichnet. Das Soll-Übersetzungsverhältnis kann zeitlich konstant sein, insbesondere während eines festgelegten Zeitabschnitts, oder kann zeitlich variabel sein, insbesondere während eines festgelegten Zeitabschnitts.
Bevorzugt wird das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll- Übersetzungsverhältnis für bestimmte Bereiche von elektrischen Spannungen und/oder für bestimmte Bereiche von elektrischen Stromstärken angeglichen. Beispielsweise kann für die erste Wandlerstufe eine elektrische Mindestspannung und eine elektrische Maximalspannung definiert sein, zwischen denen die Eingangsgleichspannung liegen muss, damit die Reglereinheit auf die Leistungseinheit so einwirkt, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Des Weiteren kann beispielsweise für die erste Wandlerstufe eine elektrische Mindeststromstärke und eine elektrische Maximalstromstärke definiert sein, zwischen denen die Eingangsstromstärke liegen muss, damit die Reglereinheit auf die Leistungseinheit so einwirkt, dass das Ist- Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Außerdem kann beispielsweise für die dritte Wandlerstufe eine elektrische Mindestspannung und eine elektrische Maximalspannung definiert sein, zwischen denen die
Ausgangsgleichspannung liegen muss, damit die Reglereinheit auf die Leistungseinheit so einwirkt, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-
Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Ferner kann beispielsweise für die dritte Wandlerstufe eine elektrische Mindeststromstärke und eine elektrische Maximalstromstärke definiert sein, zwischen denen die Ausgangsstromstärke liegen muss, damit die Reglereinheit auf die Leistungseinheit so einwirkt, dass das ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Dadurch, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis für bestimmte Bereiche von elektrischen Spannungen und/oder bestimmte Bereiche von elektrischen Stromstärken angeglichen wird, kann gewährleistet werden, dass der Wandler zuverlässig betrieben werden kann.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei dem erfindungsgemäßen Wandler das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird, wodurch vermieden wird, dass der Wandler wie aus dem Stand der Technik bekannt als Stromquelle oder als Spannungsquelle betrieben werden muss. Für den erfindungsgemäßen Wandler sind keine spannungsgeführten Netze notwendig. Außerdem ist für den erfindungsgemäßen Wandler keine komplexe Regelung notwendig, da der erfindungsgemäße Wandler auf der Sekundärseite keine Spannungsquelle bereitstellt. Der erfindungsgemäße Wandler weist eine wenig komplexe Regelung auf und ist flexibel einsetzbar. Die wenig komplexe Regelung ergibt sich insbesondere dadurch, dass das ist-Übersetzungsverhältnis und das soll-Übersetzungsverhältnis definiert sind und das ist-Übersetzungsverhältnis dem soll-Übersetzung seltenes angeglichen wird. Die Flexibilität der Einsetzbarkeit des erfindungsgemäßen Wandlers ist insbesondere dadurch gegeben, dass der Wandler weder als Stromquelle noch als Spannungsquelle betrieben werden muss und der Wandler dadurch in seiner Konfiguration und Regelung nicht in dem aus dem Stand der Technik bekannten Maße von den unmittelbar mit dem Wandler in Wechselwirkung stehenden Komponenten, wie beispielsweise Komponenten eines Netzes, beeinflusst wird.
In einer Ausführungsform ist das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis zeitlich konstant. Ein zeitlich konstantes Soll-Übersetzungsverhältnis gewährleistet, dass der erfindungsgemäße Wandler in einem DC-Netz ähnlich wie ein Transformator in einem AC- Netz mit konstantem Übersetzungsverhältnis betrieben werden kann. In einer Ausführungsform ist das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis zeitlich variabel. Ein zeitlich variables Soll-Übersetzungsverhältnis gewährleistet, dass der erfindungsgemäße Wandler in einem DC-Netz ähnlich wie ein Transformator in einem AC-Netz mit variablem Übersetzungsverhältnis betrieben werden kann. Bei einem zeitlich variablen Soll- Übersetzungsverhältnis kann das Soll-Übersetzungsverhältnis, insbesondere zeitlich kurzfristig, auf äußere Bedingungen eingestellt werden, wie beispielsweise sich ändernde an den Eingangsanschlüssen oder Ausgangsanschlüssen anliegende elektrische Spannungen oder sich ändernde an den Eingangsanschlüssen oder Ausgangsanschlüssen vorliegende elektrische Stromstärken.
In einer Ausführungsform weist die erste Wandlerstufe eine elektronische Schaltung eines Wechselrichters auf. Wie bereits beschrieben kann der erfindungsgemäße Wandler insbesondere bidirektional betrieben werden, sodass der Begriff Wechselrichter nicht einschränkend zu verstehen ist und lediglich für eine Energieübertragung von den Eingangsanschlüssen hin zu den Ausgangsanschlüssen die Funktion eines Wechselrichters erfüllt. Bei einer Energieübertragung von den Ausgangsanschlüssen hin zu den Eingangsanschlüssen erfüllt die elektronische Schaltung der ersten Wandlerstufe die Funktion eines Gleichrichters. Wenn die erste Wandlerstufe die elektronische Schaltung des Wechselrichters aufweist, wird eine besonders einfach aufgebaute elektronische Schaltung bereitgestellt.
In einer Ausführungsform ist die zweite Wandlerstufe angepasst, eine galvanische Trennung bereitzustellen. Wenn die zweite Wandlerstufe angepasst ist, eine galvanische Trennung bereitzustellen, ist dies insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Eingangsanschlüssen mit einem ersten Netzabschnitt und die Ausgangsanschlüssen mit einem zweiten Netz Abschnitt verbunden sind, da durch die zweite Wandlerstufe gewährleistet ist, dass der erste Netzabschnitt und der zweite Netzabschnitt galvanisch voneinander getrennt sind. Der erfindungsgemäße Wandler gewährleistet somit die Funktion der galvanischen Trennung, ähnlich wie dies bei konventionellen Transformatoren in einem AC-Netz der Fall ist.
In einer Ausführungsform weist die zweite Wandlerstufe einen Transformator auf. Wenn die zweite Wandlerstufe den Transformator aufweist, wird eine besonders einfach aufgebaute elektronische Schaltung der zweiten Wandlerstufe bereitgestellt. In einer Ausführungsform weist die zweite Wandlerstufe eine elektronische Schaltung eines Umrichters auf. Wenn die zweite Wandlerstufe die elektronische Schaltung des Umrichters aufweist, wird eine besonders einfach aufgebaute elektronische Schaltung als Alternative zu dem Transformator bereitgestellt.
In einer Ausführungsform weist die dritte Wandlerstufe eine elektronische Schaltung eines Gleichrichters auf. Wie bereits beschrieben kann der erfindungsgemäße Wandler insbesondere bidirektional betrieben werden, sodass der Begriff Gleichrichter nicht einschränkend zu verstehen ist und lediglich für eine Energieübertragung von den Eingangsanschlüssen hin zu den Ausgangsanschlüssen tatsächlich die Funktion eines Gleichrichters erfüllt. Bei einer Energieübertragung von den Ausgangsanschlüssen hin zu den Eingangsanschlüssen erfüllt die elektronische Schaltung der dritten Wandlerstufe die Funktion eines Wechselrichters. Wenn die dritte Wandlerstufe die elektronische Schaltung des Gleichrichters aufweist, wird eine besonders einfach aufgebaute elektronische Schaltung bereitgestellt.
In einer Ausführungsform weist der Wandler ferner einen ersten Energiespeicher auf, der mit den zwei Eingangsanschlüssen verbunden ist. Wenn an den zwei Eingangsanschlüssen eine Spannungsquelle angeschlossen ist, kann der erste Energiespeicher von der Spannungsquelle mit Ladungsträgern versorgt werden und somit Energie in dem ersten Energiespeicher zwischengespeichert werden. Für den Fall, dass der Wandler kurzfristig einen hohen Energiebedarf aufweist, können die von dem ersten Energiespeicher gespeicherten Ladungsträger von diesem freigegeben werden, sodass ausreichend Ladungsträger für den kurzfristigen hohen Energiebedarf bereitgestellt werden können. Der erste Energiespeicher kann mindestens einen Kondensator aufweisen. Der mindestens eine Kondensator kann elektrische Ladungsträger elektrostatisch speichern und diese somit besonders kurzfristig freigeben.
In einer Ausführungsform weist der Wandler ferner einen zweiten Energiespeicher auf, der mit den zwei Ausgangsanschlüssen verbunden ist. Wenn an den zwei Ausgangsanschlüssen ein elektrischer Verbraucher angeschlossen ist, kann der zweite Energiespeicher von dem Wandler mit Ladungsträgern versorgt werden und somit Energie in dem zweiten Energiespeicher zwischengespeichert werden. Für den Fall, dass der elektrische Verbraucher kurzfristig einen hohen Energiebedarf aufweist, können die von dem zweiten Energiespeicher gespeicherten Ladungsträger von diesem freigegeben werden, sodass ausreichend Ladungsträger für den kurzfristigen hohen Energiebedarf bereitgestellt werden können. Der zweite Energiespeicher kann mindestens einen Kondensator aufweisen. Der mindestens eine Kondensator kann elektrische Ladungsträger elektrostatisch speichern und diese somit besonders kurzfristig freigeben.
In einer Ausführungsform weist die Reglereinheit eine erste Vorsteuereinheit auf, die angepasst ist, unter Berücksichtigung eines erfassten ersten Ist-Werts eine von der Reglereinheit bereitgestellte Stellgröße zum Angleichen des Ist-Übersetzungsverhältnisses an das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis anzupassen. Die von der Reglereinheit bereitgestellte Stellgröße kann auch als erste Stellgröße bezeichnet werden. Die erste Stellgröße ist vorgesehen, das Ist-Übersetzungsverhältnis an das vorgegebene Soll- Übersetzungsverhältnis anzupassen. Die erste Vorsteuereinheit ist angepasst die Stellgröße unter Berücksichtigung des erfassten ersten Ist-Werts anzupassen. Der erfasste erste Ist-Wert kann beispielsweise die an den zwei Eingangsanschlüssen anliegende
Eingangsgleichspannung, die an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegende Ausgangsgleichspannung, die an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegenden
Eingangsstromstärke, oder die an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegende Ausgangsstromstärke sein. Besonders bevorzugt ist der erfasste erste Ist-Wert die an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegende Ausgangsstromstärke. Die erste Vorsteuereinheit gewährleistet, dass die Leistungseinheit in einem passenden Arbeitspunkt betrieben werden kann, beispielsweise abhängig vom Laststrom, der durch den Lastzustand definiert sein kann.
In einer Ausführungsform weist die Reglereinheit eine Anpassungseinheit auf, die angepasst ist, das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis so anzupassen, dass die Reglereinheit so auf die Leistungseinheit einwirkt, dass ein erfasster zweiter Ist-Wert einem vorgegebenen ersten Soll-Wert angeglichen wird. Die Anpassungseinheit ist angepasst, das vorgegebene Soll- Übersetzungsverhältnis anzupassen. Das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis wird von der Anpassungseinheit so angepasst, dass die Reglereinheit so auf die Leistungseinheit einwirkt, dass ein erfasster zweiter Ist-Wert einem vorgegebenen ersten Soll-Wert angeglichen wird. Der erfasste zweite Ist-Wert kann beispielsweise die an den zwei Eingangsanschlüssen anliegende Eingangsgleichspannung, die an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegende Ausgangsgleichspannung, die an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegenden Eingangsstromstärke, oder die an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegende Ausgangsstromstärke sein. Besonders bevorzugt ist der erfasste zweite Ist-Wert die an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegende Ausgangsgleichspannung. Mithilfe der Anpassungseinheit kann die an den zwei Eingangsanschlüssen anliegende
Eingangsgleichspannung, die an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegende
Ausgangsgleichspannung, die an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegenden
Eingangsstromstärke, oder die an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegende
Ausgangsstromstärke optimiert werden.
In einer Ausführungsform weist die Reglereinheit eine zweite Vorsteuereinheit auf, die angepasst ist, unter Berücksichtigung eines erfassten dritten Ist-Werts eine von der Anpassungseinheit bereitgestellte Stellgröße zum Angleichen des zweiten Ist-Werts an den vorgegebenen ersten Soll-Wert anzupassen. Die von der Anpassungseinheit bereitgestellte Stellgröße kann auch als zweite Stellgröße bezeichnet werden. Die zweite Stellgröße ist vorgesehen, den zweiten Ist-Wert an den vorgegebenen ersten Soll-Wert anzupassen. Die zweite Vorsteuereinheit ist angepasst die zweite Stellgröße unter Berücksichtigung des erfassten dritten Ist-Werts anzupassen. Der erfasste dritte Ist-Wert kann beispielsweise die an den zwei Eingangsanschlüssen anliegende Eingangsgleichspannung, die an den zwei Ausgangsanschlüssen anliegende Ausgangsgleichspannung, die an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegenden Eingangsstromstärke, oder die an den zwei Ausgangsanschlüssen vorliegende Ausgangsstromstärke sein. Besonders bevorzugt ist der erfasste dritte Ist-Wert die an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegende Eingangsstromstärke. Die zweite Vorsteuereinheit gewährleistet, dass der Arbeitspunkt, in dem die Leistungseinheit betrieben wird, optimiert werden kann.
In einer Ausführungsform ist der erste Soll-Wert durch eine Kennlinie oder durch ein Kennlinienfeld definiert. Dadurch, dass der erste Soll-Wert durch die Kennlinie oder durch das Kennlinienfeld definiert ist, können zusätzliche Steuer- und/oder Schutzfunktionen ermöglicht werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Das Verfahren ist zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung unter Verwendung eines Wandlers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Anlegen einer Eingangsgleichspannung an die zwei Eingangsanschlüsse der ersten Wandlerstufe der Leistungseinheit, Bereitstellen einer Ausgangsgleichspannung an den zwei Ausgangsanschlüssen der dritten Wandlerstufe der Leistungseinheit, Erfassen der Eingangsgleichspannung und der Ausgangsgleichspannung oder Erfassen der Eingangsstromstärke an den zwei Eingangsanschlüssen und der Ausgangsstromstärke an den zwei Ausgangsanschlüssen, und Einwirken durch die Reglereinheit so auf die Leistungseinheit, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll- Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Die im Zusammenhang mit dem Wandler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Merkmale, technischen Effekte und/oder Vorteile gelten zumindest in analoger Weise auch für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, sodass an dieser Stelle auf eine entsprechende Wiederholung verzichtet wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers mit einer Leistungseinheit und einer Reglereinheit.
Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Reglereinheit des erfindungsgemäßen Wandlers.
Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der
Reglereinheit des erfindungsgemäßen Wandlers.
Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der
Reglereinheit des erfindungsgemäßen Wandlers.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers 1 mit einer Leistungseinheit 3 und einer Reglereinheit 5. Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Reglereinheit 5 des erfindungsgemäßen Wandlers 1, Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Reglereinheit 5 des erfindungsgemäßen Wandlers 1 und Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Reglereinheit 5 des erfindungsgemäßen Wandlers 1. In den Figuren 2, 3 und 4 ist jeweils die Leistungseinheit 3 schematisch ebenfalls dargestellt.
Der Wandler 1 weist die Leistungseinheit 3 und die Reglereinheit 5 auf, die mit der Leistungseinheit 3 gekoppelt ist. Die Leistungseinheit 3 weist eine erste Wandlerstufe 7, eine zweite Wandlerstufe 9, und eine dritte Wandlerstufe 11 auf. Die erste Wandlerstufe 7 ist mit der zweiten Wandlerstufe 9 verbunden, die wiederum mit der dritten Wandlerstufe 11 verbunden ist. Die erste Wandlerstufe 7 weist zwei Eingangsanschlüsse 13 auf. Die dritte Wandlerstufe 11 weist zwei Ausgangsanschlüsse 15 auf. Der Wandler 1 weist außerdem einen ersten Energiespeicher 17 auf, der mit den zwei Eingangsanschlüssen 13 verbunden ist. Außerdem weiß der Wandler 1 einen zweiten Energiespeicher 19 auf, der mit den zwei Ausgangsanschlüssen 15 verbunden ist.
Der Wandler 1 weist eine Vielzahl von Erfassungseinheiten auf. Die Vielzahl von Erfassungseinheiten weist erste Erfassungseinheiten 21, von denen jede zum Erfassen einer elektrischen Spannung angepasst ist, und zweite Erfassungseinheiten 23 auf, von denen jede zum Erfassen einer elektrischen Stromstärke angepasst ist. Eine erste Erfassungseinheit 21 ist mit den zwei Eingangsanschlüssen 13 verbunden. Eine weitere erste Erfassungseinheit 21 ist mit den zwei Ausgangsanschlüssen 15 verbunden. Eine weitere erste Erfassungseinheit 21 ist mit zwei in Figur 1 nicht explizit dargestellten Ausgangsanschlüssen der ersten Wandlerstufe 7 und mit zwei in Figur 1 nicht explizit dargestellten Eingangsanschlüssen der zweiten Wandlerstufe 9 verbunden. Eine weitere erste Erfassungseinheiten 21 ist mit zwei in Figur 1 nicht explizit dargestellten Ausgangsanschlüssen der zweiten Wandlerstufe 9 und mit zwei in Figur 1 nicht explizit dargestellten Eingangsanschlüssen der dritten Wandlerstufe 11 verbunden. Eine zweite Erfassungseinheit 23 ist mit einem Eingangsanschluss 13 der zwei Eingangsanschlüsse 13 verbunden. Eine weitere zweite Erfassungseinheit 23 ist mit einem Ausgangsanschluss 15 der zwei Ausgangsanschlüsse 15 verbunden. Eine weitere zweite Erfassungseinheit 23 ist mit einem Ausgangsanschluss der zwei in Figur 1 nicht explizit dargestellten Ausgangsanschlüssen der ersten Wandlerstufe 7 und einem Eingangsanschluss der zwei in Figur 1 nicht explizit dargestellten Eingangsanschlüsse der zweiten Wandlerstufe 9 verbunden. Eine weitere zweite Erfassungseinheiten 23 ist mit einem Ausgangsanschluss der zwei in Figur 1 nicht explizit dargestellten Ausgangsanschlüsse der zweiten Wandlerstufe 9 und einem Eingangsanschluss der zwei in Figur 1 nicht explizit dargestellten Eingangsanschlüsse der dritten Wandlerstufe 11 verbunden. Der in Figur 1 dargestellte Wandler 1 kann insbesondere bidirektional betrieben werden, d. h. unabhängig von der Lastflussrichtung, sodass die Begriffe Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss nicht einschränkend zu verstehen sind und lediglich für eine Energieübertragung in der Figur 1 von links nach rechts tatsächlich einen Eingangsanschluss bzw. einen Ausgangsanschluss bilden. Für eine Energieübertragung in der Figur 1 von rechts nach links bilden in analoger Weise jeder Eingangsanschluss (für eine Energieübertragung in der Figur 1 von links nach rechts) einen Ausgangsanschluss (für eine Energieübertragung in der Figur i von rechts nach links) und jeder Ausgangsanschluss (für eine Energieübertragung in der Figur i von links nach rechts) einen Eingangsanschluss (für eine Energieübertragung in der Figur 1 von rechts nach links).
Die erste Wandlerstufe 7 weist vier Schaltelemente 25 auf. Die dritte Wandlerstufe 11 weist vier Schalt elemente 25 auf. Jedes Schaltelement 25 der Schaltelemente 25 sowohl der ersten Wandlerstufe 7 als auch der dritten Wandlerstufe 11 weist einen Transistor 27, bevorzugt einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET) oder besonders bevorzugt einen Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), und eine Diode 29 auf. Besonders bevorzugt ist jeder Transistor 27 ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode stellen ein gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannungen, eine hohe Robustheit und eine Ansteuerung mit geringem Leistungsbedarf bereit. Der Transistor 27 und die Diode 29 jedes Schaltelements 25 sind jeweils mit einem ersten Anschluss und mit einem zweiten Anschluss des entsprechenden Schaltelements 25 verbunden, wobei der Transistor 27 und die Diode 29 zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss parallel zueinander verschaltet sind. Jeder Transistor 27 kann beispielsweise als Anreicherungstyp oder Verarmungstyp ausgebildet sein und einen n-Kanal oder p-Kanal aufweisen. Jedes Schaltelement 25 der Schalt elemente 25 kann einen elektrisch leitenden Zustand und einen elektrisch isolierenden Zustand einnehmen. Wenn ein Schaltelement 25 in dem elektrisch leitenden Zustand ist, kann ein elektrischer Strom durch das entsprechende Schalelement 25 fließen. Wenn das entsprechende Schaltelement 25 in dem elektrisch isolierenden Zustand ist, kann der elektrische Strom nicht durch das entsprechende Schaltelement fließen. Durch einen entsprechenden Schaltvorgang kann zwischen dem elektrisch leitenden Zustand und dem elektrisch isolierenden Zustand eines jeden Schaltelements 25 gewechselt werden.
Die erste Wandlerstufe 7 weist eine elektronische Schaltung eines Wechselrichters auf. Wie bereits beschrieben kann der in Figur 1 dargestellte Wandler 1 insbesondere bidirektional betrieben werden, sodass der Begriff Wechselrichter nicht einschränkend zu verstehen ist und lediglich für eine Energieübertragung in der Figur 1 von links nach rechts tatsächlich die Funktion eines Wechselrichters erfüllt. Bei einer Energieübertragung in der Figur 1 von rechts nach links erfüllt die elektronische Schaltung der ersten Wandlerstufe 7 die Funktion eines Gleichrichters. Die Schaltelemente 25 der ersten Wandlerstufe 7 sind so miteinander verbunden, dass sie eine Vollbrückenanordnung bilden. Zwei Schaltelemente 25 der ersten Wandlerstufe 7 sind mit einem ersten Eingangsanschluss 13 verbunden. Ein erstes Schaltelement 25 dieser zwei Schaltelemente 25 ist mit einem ersten in Figur 1 nicht explizit dargestellten Ausgangsanschluss der ersten Wandlerstufe 7 verbunden und ein zweites Schaltelement 25 dieser zwei Schaltelemente 25 ist mit einem zweiten in Figur 1 nicht explizit dargestellten Ausgangsanschluss der ersten Wandlerstufe 7 verbunden. Zwei weitere Schaltelemente 25 der ersten Wandlerstufe 7 sind mit einem zweiten Eingangsanschluss 13 verbunden. Ein drittes Schaltelement 25 dieser zwei Schaltelemente 25 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss der ersten Wandlerstufe 7 verbunden und ein viertes Schaltelement 25 dieser zwei Schaltelemente 25 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss der ersten Wandlerstufe 7 verbunden.
Die dritte Wandlerstufe 11 weist eine elektronische Schaltung eines Gleichrichters auf. Wie bereits beschrieben kann der in Figur 1 dargestellte Wandler 1 insbesondere bidirektional betrieben werden, sodass der Begriff Gleichrichter nicht einschränkend zu verstehen ist und lediglich für eine Energieübertragung in der Figur 1 von links nach rechts tatsächlich die Funktion eines Gleichrichters erfüllt. Bei einer Energieübertragung in der Figur 1 von rechts nach links erfüllt die elektronische Schaltung der dritten Wandlerstufe 11 die Funktion eines Wechselrichters. Die Schaltelemente 25 der dritten Wandlerstufe 11 sind so miteinander verbunden, dass sie eine Vollbrückenanordnung bilden. Zwei Schaltelemente 25 der dritten Wandlerstufe 11 sind mit einem ersten Ausgangsanschluss 15 verbunden. Ein erstes Schaltelement 25 dieser zwei Schaltelemente 25 ist mit einem ersten in Figur 1 nicht explizit dargestellten Eingangsanschluss der dritten Wandlerstufe 11 verbunden und ein zweites Schaltelement 25 dieser zwei Schaltelemente 25 ist mit einem zweiten in Figur 1 nicht explizit dargestellten Eingangsanschluss der dritten Wandlerstufe 11 verbunden. Zwei weitere Schaltelemente 25 der dritten Wandlerstufe 11 sind mit einem zweiten Ausgangsanschluss 15 verbunden. Ein drittes Schaltelement 25 dieser zwei Schaltelemente 25 ist mit dem ersten Eingangsanschluss der dritten Wandlerstufe 11 verbunden und ein viertes Schaltelement 25 dieser zwei Schaltelemente 25 ist mit dem zweiten Eingangsanschluss der dritten Wandlerstufe 11 verbunden. Die zweite Wandlerstufe 9 weist drei Induktivitäten 31 auf, von denen zwei Induktivitäten 31 einen Transformator bilden. Die zweite Wandlerstufe 9 weist also einen Transformator auf, der in dem vorliegenden Beispiel als Mittelfrequenztransformator ausgebildet ist. Mithilfe des Transformators kann die zweite Wandlerstufe 9 eine galvanische Trennung, insbesondere zwischen der ersten Wandlerstufe 7 und der dritten Wandlerstufe 11 bereitstellen. Die zwei Induktivitäten 31 des Transformators weisen Wicklungen auf, die so angeordnet sind, dass die Wicklungen gleichsinnig sind. Der Transformator weist also zwei Wicklungen mit gleicher Phasenlage auf. Neben der Induktivität 31, die nicht Bestandteil des Transformators ist, kann in Reihen mit dieser eine Kapazität vorgesehen sein, wobei die Induktivität 31 und die Kapazität einen Serienschwingkreis bilden. Mithilfe des Serienschwingkreises kann gewährleistet werden, dass der Momentanwert des elektrischen Stroms beim Übergang von dem elektrisch leitenden Zustand in den elektrisch isolierenden Zustand eines oder mehrerer Schaltelemente 25 besonders gering ist, sodass die Verlustleistung des einen oder der mehreren Schaltelemente 25 besonders gering ist, sodass der Wirkungsgrad des Wandlers 1 besonders hoch sein kann. Alternativ zu den zwei Induktivitäten 31, die den Transformator bilden, kann die zweite Wandlerstufe 9 auch eine elektronische Schaltung eines Umrichters aufweisen.
Der Wandler 1 ist zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung ausgebildet. Die Eingangsgleichspannung kann an die zwei Eingangsanschlüsse 13 angelegt werden. An den zwei Ausgangsanschlüssen 15 kann die Ausgangsgleichspannung bereitgestellt werden. Die erste Wandlerstufe 7, die zweite Wandlerstufe 9 und die dritte Wandlerstufe 11 sind so angepasst, dass im Betrieb des Wandlers 1 bei Anlegen der Eingangsgleichspannung an die zwei Eingangsanschlüsse 13 die Ausgangsgleichspannung an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 bereitgestellt wird.
Mithilfe der ersten Erfassungseinheit 21, die mit den zwei Eingangsanschlüssen 13 verbunden ist, kann die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegende Eingangsgleichspannung erfasst werden. Mithilfe der zweiten Erfassungseinheit 23, die mit einem der zwei Eingangsanschlüsse 13 verbunden ist, kann eine Eingangsstromstärke erfasst werden, die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegt. Damit, dass die Eingangsstromstärke an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegt ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere gemeint, dass die Eingangsstromstärke zumindest an dem Eingangsanschluss 13 vorliegt, mit dem die zweite Erfassungseinheit 23 verbunden ist. Mithilfe der ersten Erfassungseinheit 21, die mit den zwei Ausgangsanschlüssen 15 verbunden ist, kann die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegende Ausgangsgleichspannung erfasst werden. Mithilfe der zweiten Erfassungseinheit 23, die mit einem der zwei Ausgangsanschlüsse 15 verbunden ist, kann eine Ausgangsstromstärke erfasst werden, die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegt. Damit, dass die Ausgangsstromstärke an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegt ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere gemeint, dass die Ausgangsstromstärke zumindest an dem Ausgangsanschluss 15 vorliegt, mit dem die zweite Erfassungseinheit 23 verbunden ist.
Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Übersetzungsverhältnis definiert ist. Anhand der an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegenden Ausgangsgleichspannung kann das Übersetzungsverhältnis definiert sein. Alternativ kann das Übersetzungsverhältnis anhand der an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegenden Eingangsstromstärke und der an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass entweder ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegenden Ausgangsgleichspannung oder ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegenden Eingangsstromstärke und von der an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert ist. Die mithilfe der ersten Erfassungseinheiten 21 erfasste Eingangsgleichspannung und Ausgangsgleichspannung definiert ein Ist-Übersetzungsverhältnis, das zu einem Zeitpunkt von der Leistungseinheit 3 bereitgestellt wird. Alternativ kann das Ist- Übersetzungsverhältnis, das zu einem Zeitpunkt von der Leistungseinheit 3 bereitgestellt wird, durch die mithilfe der zweiten Erfassungseinheiten 21 erfasste Eingangsstromstärke und Ausgangsstromstärke definiert sein. Insbesondere ist das Ist-Übersetzungsverhältnis der Leistungseinheit 3 ist durch ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegenden Ausgangsgleichspannung oder durch ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegenden Eingangsstromstärke und von der an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert. Insbesondere entspricht das Ist-Übersetzungsverhältnis entweder dem Quotienten aus der Eingangsgleichspannung (Dividend) und der Ausgangsgleichspannung (Divisor) oder dem Quotienten aus der Ausgangsstromstärke (Dividend) und der Eingangsstromstärke (Divisor). Wie bereits beschrieben, ist die Reglereinheit 5 mit der Leistungseinheit 3 gekoppelt. Insbesondere ist die Reglereinheit 5 mit den Schaltelementen 25 zum Ansteuern der Schalt elemente 25 verbunden. Insbesondere kann die Reglereinheit 5 für jedes Schaltelement 25 ein entsprechendes Steuersignal bereitstellen, sodass jedes Schaltelement 25 der Schaltelemente 25 in Abhängigkeit von dem entsprechenden Steuersignal sowohl von einem entsprechenden elektrisch leitenden Zustand in einen entsprechenden elektrisch isolierenden Zustand als auch von dem entsprechenden elektrisch isolierenden Zustand in den entsprechenden elektrisch leitenden Zustand übergehen kann. Durch das Ansteuern der Schaltelemente 25 kann die Reglereinheit 5 auf die Leistungseinheit 3 einwirken. Des Weiteren ist die Reglereinheit 5 insbesondere mit den ersten Erfassungseinheiten 21 und mit den zweiten Erfassungseinheiten 23 verbunden. Die Reglereinheit 5 kann von jeder ersten Erfassungseinheit 21 der ersten Erfassungseinheiten 21 ein entsprechendes Erfassungssignal bereitgestellt bekommen, das einem Ist-Wert einer anliegenden elektrischen Spannung entspricht. Weiter kann die Reglereinheit 5 von jeder zweiten Erfassungseinheit 23 der zweiten Erfassungseinheiten 23 ein entsprechendes Erfassungssignal bereitgestellt bekommen, dass einem Ist-Wert einer vorliegenden elektrischen Stromstärke entspricht. Die Reglereinheit 5 kann also anhand von Erfassungssignalen das Ist-Übersetzungsverhältnis ermitteln. Das Übersetzungsverhältnis, das von dem Ist-Übersetzungsverhältnis angestrebt werden soll, wird als Soll-Übersetzungsverhältnis bezeichnet. Das soll- Übersetzungsverhältnis kann zeitlich konstant sein, insbesondere während eines festgelegten Zeitabschnitts, oder kann zeitlich variabel sein, insbesondere während eines festgelegten Zeitabschnitts. Die Reglereinheit 5 ist angepasst, so auf die Leistungseinheit 3 einzuwirken, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis einem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll- Übersetzungsverhältnis für bestimmte Bereiche von elektrischen Spannungen und/oder bestimmte Bereiche von elektrischen Stromstärken angeglichen wird. Beispielsweise kann für die erste Wandlerstufe 7 eine elektrische Mindestspannung und eine elektrische Maximalspannung definiert sein, zwischen denen die Eingangsgleichspannung liegen muss, damit die Reglereinheit 5 auf die Leistungseinheit 3 so einwirkt, dass das Ist- Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Des Weiteren kann beispielsweise für die erste Wandlerstufe 7 eine elektrische Mindeststromstärke und eine elektrische Maximalstromstärke definiert sein, zwischen denen die Eingangsstromstärke liegen muss, damit die Reglereinheit 5 auf die Leistungseinheit 3 so einwirkt, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll- Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Außerdem kann beispielsweise für die dritte Wandlerstufe n eine elektrische Mindestspannung und eine elektrische Maximalspannung definiert sein, zwischen denen die Ausgangsgleichspannung liegen muss, damit die Reglereinheit 5 auf die Leistungseinheit 3 so einwirkt, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Ferner kann beispielsweise für die dritte Wandlerstufe 11 eine elektrische Mindeststromstärke und eine elektrische Maximalstromstärke definiert sein, zwischen denen die Ausgangsstromstärke liegen muss, damit die Reglereinheit 5 auf die Leistungseinheit 3 so einwirkt, dass das ist- Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Dadurch, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll- Übersetzungsverhältnis für bestimmte Bereiche von elektrischen Spannungen und/oder bestimmte Bereiche von elektrischen Stromstärken angeglichen wird, kann gewährleistet werden, dass der Wandler 1 zuverlässig betrieben werden kann.
Wie bereits beschrieben zeigt Figur 2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Reglereinheit 5 des erfindungsgemäßen Wandlers 1, Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht der zweiten Ausführungsform der Reglereinheit 5 des erfindungsgemäßen Wandlers 1 und Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht der dritten Ausführungsform der Reglereinheit 5 des erfindungsgemäßen Wandlers 1.
Die erste Ausführungsform der Reglereinheit 5 in Figur 2 weist eine erste Vorsteuereinheit 33 auf. Die erste Vorsteuereinheit 33 ist angepasst, eine von der Reglereinheit 5 bereitgestellte Stellgröße 35 anzupassen, die auch als erste Stellgröße bezeichnet werden kann. Die Stellgröße 35 ist vorgesehen, um das Ist-Übersetzungsverhältnis, das in den Figuren 2, 3 und 4 mit dem Bezugszeichen 37 gekennzeichnet ist, an das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis anzupassen, das in den Figuren 2, 3 und 4 mit dem Bezugszeichen 39 gekennzeichnet ist. Die erste Vorsteuereinheit 33 ist angepasst die Stellgröße 35 unter Berücksichtigung eines erfassten ersten Ist-Werts 41 anzupassen. Der erfasste erste Ist-Wert 41 kann beispielsweise die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegende Eingangsgleichspannung, die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegende Ausgangsgleichspannung, die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegenden Eingangsstromstärke, oder die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegende Ausgangsstromstärke sein. Besonders bevorzugt ist der erfasste erste Ist-Wert 41 die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegende Ausgangsstromstärke. Die erste Vorsteuereinheit 33 gewährleistet, dass die Leistungseinheit 3 in einem passenden Arbeitspunkt betrieben werden kann, beispielsweise abhängig vom Laststrom, der durch den Lastzustand definiert sein kann.
Die zweite Ausführungsform der Reglereinheit 5 in Figur 3 weist zusätzlich eine Anpassungseinheit 43 auf. Die Anpassungseinheit 43 ist angepasst, das vorgegebene Soll- Übersetzungsverhältnis 39 anzupassen. Das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis 39 wird von der Anpassungseinheit 43 so angepasst, dass die Reglereinheit 5 so auf die Leistungseinheit 3 einwirkt, dass ein erfasster zweiter Ist-Wert 45 einem vorgegebenen ersten Soll-Wert 47 angeglichen wird. Die Anpassungseinheit 43 ist also angepasst, das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis so anzupassen, dass die Reglereinheit 5 so auf die Leistungseinheit 3 einwirkt, dass der erfasste zweite Ist-Wert (45) dem vorgegebenen ersten Soll-Wert 47 angeglichen wird. Der erfasste zweite Ist-Wert 45 kann beispielsweise die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegende Eingangsgleichspannung, die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegende Ausgangsgleichspannung, die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegenden Eingangsstromstärke, oder die an den zwei
Ausgangsanschlüssen 15 vorliegende Ausgangsstromstärke sein. Besonders bevorzugt ist der erfasste zweite Ist-Wert 45 die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegende
Ausgangsgleichspannung. Mithilfe der Anpassungseinheit 43 kann die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegende Eingangsgleichspannung, die an den zwei
Ausgangsanschlüssen 15 anliegende Ausgangsgleichspannung, die an den zwei
Eingangsanschlüssen 13 vorliegenden Eingangsstromstärke, oder die an den zwei
Ausgangsanschlüssen 15 vorliegende Ausgangsstromstärke optimiert werden.
Außerdem weist die zweite Ausführungsform der Reglereinheit 5 in Figur 3 zusätzlich eine zweite Vorsteuereinheit 49 auf. Die zweite Vorsteuereinheit 49 ist angepasst, eine von der Anpassungseinheit 43 bereitgestellte Stellgröße 51 anzupassen, die auch als zweite Stellgröße bezeichnet werden kann. Die Stellgröße 51 ist vorgesehen, um den zweiten Ist-Wert 45 an den vorgegebenen ersten Soll-Wert 47 anzupassen. Die zweite Vorsteuereinheit 49 ist angepasst die Stellgröße 51 unter Berücksichtigung eines erfassten dritten Ist-Werts 53 anzupassen. Der erfasste dritte Ist-Wert 53 kann beispielsweise die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegende Eingangsgleichspannung, die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegende Ausgangsgleichspannung, die an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegenden Eingangsstromstärke, oder die an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegende Ausgangsstromstärke sein. Besonders bevorzugt ist der erfasste dritte Ist-Wert 53 die an den zwei Eingangsanschlüssen vorliegende Eingangsstromstärke. Die zweite Vorsteuereinheit 49 gewährleistet, dass der Arbeitspunkt, in dem die Leistungseinheit 3 betrieben wird, weiter optimiert werden kann.
Die in Figur 4 schematisch gezeigte dritte Ausführungsform der Reglereinheit 5 des erfindungsgemäßen Wandlers 1 entspricht im Wesentlichen der in Figur 3 schematisch gezeigten zweiten Ausführungsform der Reglereinheit 5, wobei bei der zweiten Ausführungsform der vorgegebene erste Soll-Wert 47 ein vorgegebener konstanter Wert ist und bei der dritten Ausführungsform der vorgegebene erste Soll -Wert 47 durch eine Kennlinie oder durch ein Kennlinienfeld definiert ist. Wenn der vorgegebene erste Soll-Wert 47 ein vorgegebener konstanter Wert ist, wird eine besonders wenig rechenintensive Lösung bereitgestellt. Wenn der vorgegebene erste Soll-Wert 47 durch eine Kennlinie oder durch ein Kennlinienfeld definiert ist, können beispielsweise Schutzfunktionen bereitgestellt werden, insbesondere dann, wenn ein Abgleich zwischen der Kennlinie oder des Kennlinienfelds und der an den zwei Eingangsanschlüssen 13 anliegenden Eingangsgleichspannung, der an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 anliegenden Ausgangsgleichspannung, der an den zwei Eingangsanschlüssen 13 vorliegenden Eingangsstromstärke, und/oder der an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 vorliegende Ausgangsstromstärke vorgesehen ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Wandler 1 kann ein Verfahren durchgeführt werden, bei dem eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung gewandelt wird. Wie bereits bei der Beschreibung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wandlers 1 zumindest in analoger Weise beschrieben, kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen: Anlegen einer Eingangsgleichspannung an die zwei Eingangsanschlüsse 13 der ersten Wandlerstufe 7 der Leistungseinheit 3. Bereitstellen einer Ausgangsgleichspannung an den zwei Ausgangsanschlüssen 15 der dritten Wandlerstufe 11 der Leistungseinheit 3. Erfassten der Eingangsgleichspannung und der Ausgangsgleichspannung oder Erfassen der Eingangsstromstärke an den zwei Eingangsanschlüssen 13 und der Ausgangsstromstärke an den zwei Ausgangsanschlüssen 15. Einwirken durch die Reglereinheit 5 so auf die Leistungseinheit 3, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll- Übersetzungsverhältnis angeglichen wird.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichen
1 Wandler
3 Leistungseinheit
5 Reglereinheit
7 erste Wandlerstufe
9 zweite Wandlerstufe
11 dritter Wandlerstufe
13 Eingangsanschluss
15 Ausgangsanschluss
17 erster Energiespeicher
19 zweiter Energiespeicher
21 erste Erfassungseinheit
23 zweite Erfassungseinheit
25 Schaltelement
27 Transistor
29 Diode
31 Induktivität
33 erste Vorsteuereinheit
35 erste Stellgröße
37 Ist-Übersetzungsverhältnis
39 Soll-Übersetzungsverhältnis
41 erfasster erster Ist-Wert
43 Anpassungseinheit
45 erfasster zweiter Ist-Wert
47 vorgegebener erster Soll-Wert
49 zweite Vorsteuereinheit
51 zweite Stellgröße
53 erfasster dritter Ist-Wert

Claims

27
PATENTANSPRÜCHE Wandler (1) zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung, umfassend: eine Leistungseinheit (3) mit einer ersten Wandlerstufe (7) mit zwei Eingangsanschlüssen (13), mit einer mit der ersten Wandlerstufe (7) verbundenen zweiten Wandlerstufe (9), und mit einer mit der zweiten Wandlerstufe (9) verbundenen dritten Wandlerstufe (11) mit zwei Ausgangsanschlüssen (15), wobei die erste Wandlerstufe (7), die zweite Wandlerstufe (9) und die dritte Wandlerstufe (11) so angepasst sind, dass im Betrieb des Wandlers (1) bei Anlegen der Eingangsgleichspannung an die zwei Eingangsanschlüsse (13) die Ausgangsgleichspannung an den zwei Ausgangsanschlüssen (15) bereitgestellt wird, wobei ein Ist-Übersetzungsverhältnis der Leistungseinheit (3) durch ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen (13) anliegenden Eingangsgleichspannung und der an den zwei Ausgangsanschlüssen (15) anliegenden Ausgangsgleichspannung oder durch ein Verhältnis von der an den zwei Eingangsanschlüssen (13) vorliegenden Eingangsstromstärke und von der an den zwei Ausgangsanschlüssen (15) vorliegenden Ausgangsstromstärke definiert ist und eine mit der Leistungseinheit (3) gekoppelte Reglereinheit (5), wobei die Reglereinheit (5) angepasst ist, so auf die Leistungseinheit (3) einzuwirken, dass das Ist-Übersetzungsverhältnis einem vorgegebenen Soll- Übersetzungsverhältnis angeglichen wird. Wandler (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das vorgegebene Soll- Übersetzungsverhältnis zeitlich konstant ist. Wandler (1) nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis zeitlich variabel ist. Wandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Wandlerstufe (7) eine elektronische Schaltung eines Wechselrichters aufweist. Wandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Wandlerstufe (9) angepasst ist, eine galvanische Trennung bereitzustellen. 6. Wandler (i) nach Anspruch 5, wobei die zweite Wandlerstufe (9) einen Transformator aufweist.
7. Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Wandlerstufe (9) eine elektronische Schaltung eines Umrichters aufweist.
8. Wandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Wandlerstufe (11) eine elektronische Schaltung eines Gleichrichters aufweist.
9. Wandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen ersten Energiespeicher (17) aufweist, der mit den zwei Eingangsanschlüssen (13) verbunden ist.
10. Wandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen zweiten Energiespeicher (19) aufweist, der mit den zwei Ausgangsanschlüssen (15) verbunden ist.
11. Wandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reglereinheit (5) eine erste Vorsteuereinheit (33) aufweist, die angepasst ist, unter Berücksichtigung eines erfassten ersten Ist-Werts (41) eine von der Reglereinheit (5) bereitgestellte Stellgröße (35) zum Angleichen des Ist-Übersetzungsverhältnisses an das vorgegebene Soll-Übersetzungsverhältnis anzupassen.
12. Wandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reglereinheit (5) eine Anpassungseinheit (43) aufweist, die angepasst ist, das vorgegebene Soll- Übersetzungsverhältnis so anzupassen, dass die Reglereinheit (5) so auf die Leistungseinheit (3) einwirkt, dass ein erfasster zweiter Ist-Wert (45) einem vorgegebenen ersten Soll-Wert (47) angeglichen wird.
13. Wandler (1) nach Anspruch 12, wobei die Reglereinheit (5) eine zweite Vorsteuereinheit (49) aufweist, die angepasst ist, unter Berücksichtigung eines erfassten dritten Ist-Werts (53) eine von der Anpassungseinheit (43) bereitgestellte Stellgröße (51) zum Angleichen des zweiten Ist-Werts (45) an den vorgegebenen ersten Soll-Wert (47) anzupassen. Wandler (1) nach einem der Ansprüche 12 und 13, wobei der erste Soll -Wert (47) durch eine Kennlinie oder durch ein Kennlinienfeld definiert ist. Verfahren zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung unter Verwendung eines Wandlers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Anlegen einer Eingangsgleichspannung an die zwei Eingangsanschlüsse (13) der ersten Wandlerstufe (7) der Leistungseinheit (3),
Bereitstellen einer Ausgangsgleichspannung an den zwei Ausgangsanschlüssen (15) der dritten Wandlerstufe (11) der Leistungseinheit (3), Erfassen der Eingangsgleichspannung und der Ausgangsgleichspannung oder
Erfassen der Eingangsstromstärke an den zwei Eingangsanschlüssen (13) und der Ausgangsstromstärke an den zwei Ausgangsanschlüssen (15), und
Einwirken durch die Reglereinheit (5) so auf die Leistungseinheit (3), dass das Ist-Übersetzungsverhältnis dem vorgegebenen Soll-Übersetzungsverhältnis angeglichen wird.
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