WO2008145552A1 - Multiphasen-gleichspannungswandler - Google Patents

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WO2008145552A1
WO2008145552A1 PCT/EP2008/056113 EP2008056113W WO2008145552A1 WO 2008145552 A1 WO2008145552 A1 WO 2008145552A1 EP 2008056113 W EP2008056113 W EP 2008056113W WO 2008145552 A1 WO2008145552 A1 WO 2008145552A1
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WO
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converter
output
multiphase
voltage
cells
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PCT/EP2008/056113
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English (en)
French (fr)
Inventor
Arthur Schaefert
Boris Blaumeiser
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to US12/451,325 priority patent/US20100176772A1/en
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
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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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0012—Control circuits using digital or numerical techniques

Definitions

  • the invention relates to a multiphase DC voltage converter.
  • DE 101 10 615 A1 discloses a method for generating drive pulses for power semiconductors, in particular for the purpose of generating offset drive pulses for half bridges, which are accommodated on polyphase converters or DC voltage converters.
  • the reference voltage is shifted by a delay time corresponding to the dislocations, or a shift of a PWM signal by a delay time corresponding to the period divided by the number of dislocations.
  • DE 101 19 985 A1 discloses a device for supplying energy to a multi-voltage vehicle electrical system of a motor vehicle.
  • This device has a multi-voltage vehicle electrical system arranged in a motor vehicle, which provides at least a first and a second voltage level, in each case different from the reference potential.
  • the multi-voltage vehicle electrical system is supplied from at least one electrical energy store. It also has at least one converter for connecting the two voltage levels.
  • supply means for external energy supply in the multi-voltage vehicle electrical system are provided.
  • the named converter can be realized in the form of a multi-phase converter. In such converters, a plurality of converter cells of smaller power are connected in parallel and the power units are clocked in a time-delayed manner.
  • a current sensor must be used for each converter cell to monitor and control the associated current ripple.
  • the ripples per phase can be of different heights per component due to component tolerances, as a result of which the previously mentioned advantage in the superimposition of the output signals of the converter cells is no longer effective.
  • the ripples in the output signal become larger and the frequency of the output signal returns to the same value as the switching frequency of the individual converter cells. As a result, the previously mentioned advantages are canceled out again.
  • a multiphase DC-DC converter with the features specified in claim 1 has the advantage that the number of its current sensors is reduced. This significantly reduces the cost of a multi-phase DC-DC converter. In addition, space is saved and the weight of a multi-phase DC-DC converter is reduced. This favors the use of a multiphase DC voltage converter in the energy on-board network of a motor vehicle.
  • the converter cells arranged parallel to one another and clocked in a time-delayed manner are connected on the input side and / or output side to a voltage sensor which is connected to a separator via an analog-to-digital converter, which is used to split the output signal of the separator
  • Analog-to-digital converter is provided in the individual converter cells of the multiphase DC voltage converter associated voltage values.
  • the separator is connected to a control arrangement, which on the output side provides control signals by which the clock signals of the converter cells are influenced or regulated in such a way that the voltage values associated with the various converter cells coincide.
  • the voltage ripple of the individual converter cells cancel and the frequency of the output signal of the voltage converter increases by the number of offset clocked phases or converter cells compared to the basic clock frequency of the converter cells. Due to the smaller ripple and the higher frequency can the output filter of the multi-phase DC-DC converter are designed to be smaller, whereby a further cost and space advantage is achieved.
  • a multiphase DC-DC converter comprises a separator which contains a plurality of time-triggered separator units arranged parallel to one another, each of which is assigned to one of the converter cells.
  • This measure makes it possible to ensure that the voltage level measured at this time at the output of the analog-to-digital converter of this converter cell can be directly allocated during the switching on of a converter cell or, depending on the duty cycle, also during the switching off of a converter cell. In this way, from the output signal of the analog-to-digital converter for each converter cell an associated voltage level can be obtained, which is used to influence the clock signal of the respective converter cell.
  • the trigger signal required to trigger the separator units is derived in an advantageous manner from the output signal of a PWM generator, which is assigned to the respective converter cell and provides the clock signal for this converter cell.
  • the clocking of a converter cell and the triggering of the associated separator unit can consequently be advantageously carried out on the basis of a single signal which is provided by a PWM generator.
  • the control arrangement connected to the separator preferably has a plurality of regulators arranged parallel to one another, each of which is assigned to one of the converter cells, the input of each of the regulators being connected to the output of the respectively associated separator unit. In this way, a control signal can be provided in a simple manner for each of the converter cells, which influences the clock signal of the associated converter cell in the desired manner.
  • the output of the controller is in each case via an adder with the respectively associated PWM
  • An essential advantage of the invention is, after all, that a multiphase DC-DC converter, regardless of the number of converter cells or phases, only needs a single current sensor, which is arranged on the output side of the converter cells. Nevertheless, due to the use of a voltage sensor provided on the input side or the output side of the converter cells, from the output signal of which a voltage or voltage level associated with the individual phases of the converter can be separated, individual readjustment of each individual converter cell takes place. so that, for example, due to component tolerances formed ripple reduce or cancel each other.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a multipath DC-DC converter according to the invention.
  • 2 shows a circuit diagram in which the basic structure of the converter cells of a multi-phase DC-DC converter is shown.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a multipath DC-DC converter 1 according to the invention.
  • This has an input terminal 2, to which the input voltage V ⁇ N of the converter is applied. This is for example 14 volts.
  • the task of the converter is to convert this input voltage into an output voltage which is for example 42 volts.
  • This output voltage V O u ⁇ of the converter is provided at an output terminal 10.
  • the multiphase DC voltage converter shown in FIG. 1 has an input filter 3 connected to the input terminal 2, which is a low-pass filter by means of which noise is filtered onto the input voltage.
  • the output of the input filter 3 is connected to a parallel circuit of a plurality of converter cells 4, 5, 6, wherein the number of these converter cells connected in parallel to each other depends on the respective application case.
  • the outputs of the converter cells 4, 5, 6 are again brought together and connected via a current sensor 8 and an output filter 9 to the output terminal 10. Furthermore, a voltage sensor 7 is provided between the outputs of the converter cells 4, 5, 6 and ground.
  • the output filter 9 is also a low-pass filter.
  • the output signal of the voltage sensor 7 is converted in an analog-to-digital converter 11 into a digital signal.
  • This digital signal present at the output of the analog-to-digital converter 11 is sent to a separator 12 forwarded.
  • This in turn is connected to a control arrangement 13 which provides control signals at its outputs, by means of which the clock signals CK1, CK2, CK3 of the converter cells 4, 5, 6 are influenced.
  • the separator 12 has three separator units 12a, 12b, 12c connected in parallel to one another, whose inputs are respectively connected to the output of the analog-to-digital converter 11.
  • the separator unit 12a has the task of separating from the output signal of the analog-to-digital converter 11 a voltage level associated with the converter cell 4.
  • the trigger input of the separator unit 12a is supplied with a trigger signal t1, which is derived from the clock signal CK1 of the converter cell 4 and in the exemplary embodiment shown matches this.
  • the separator unit 12b has the task of separating from the output signal of the analog-to-digital converter 11 a voltage level assigned to the converter cell 5.
  • the trigger input of the separator unit 12b is supplied with a trigger signal 12, which is derived from the clock signal CK2 of the converter cell 5 and in the exemplary embodiment shown matches it.
  • the separator unit 12 c has the task of separating from the output signal of the analog-to-digital converter 11 a voltage level assigned to the converter cell 6.
  • the trigger input of the separator unit 12c is supplied with a trigger signal T3, which is derived from the clock signal CK3 of the converter cell 6 and in the exemplary embodiment shown agrees with this.
  • the voltage level provided at the output of the separator unit 12a is converted in a voltage regulator 13a of the control arrangement 13 into a control signal assigned to the converter cell 4.
  • This control signal is superimposed in an adder 15a with the control signal of another regulator 16, which is a current regulator.
  • the current regulator 16 on the input side of a supplied to a current setpoint generator 18 current setpoint IsoLL and fed from the current sensor 8 and fed via another analog-to-digital converter 17 current value signal.
  • the output signal of the adder 15a is converted into a PWM generator 14a in a PWM generator 14a.
  • the voltage level provided at the output of the separator unit 12b is stored in a voltage regulator 13b of FIG.
  • Control arrangement 13 implemented in a converter cell 5 associated control signal. This control signal is also superimposed in an adder 15b with the control signal of the current regulator 16. The output signal of the adder 15b is converted in a PWM generator 14b into a PWM signal, which is the clock signal CK2 of the converter cell 5.
  • the voltage level provided at the output of the separator unit 12c is detected in a voltage regulator 13c of FIG.
  • Control arrangement 13 implemented in a converter cell 6 associated control signal. This control signal is also superimposed in an adder 15 c with the control signal of the current controller 16. The output of the adder 15c is converted into a PWM signal in a PWM generator 14c, which is the clock signal CK3 of the converter cell 6.
  • a multi-phase DC-DC converter according to the invention, single-phase current measurement using a plurality of current sensors is not necessary. Only a single current sensor 8 is used, which is positioned between the outputs of the converter cells and the output filter. Furthermore, a voltage sensor 7 which is likewise positioned between the outputs of the converter cells and the output filter is provided, whose output signal is transmitted via an analogue-to-digital converter. Transducer 11 is forwarded to a separator 12. This decomposes the output signal of the analog-to-digital converter in the individual phases of the converter or the individual converter cells associated voltage values using a suitable trigge- tion. These are converted in a control arrangement 13 into control signals which influence the clock signals CK1, CK2, CK3 of the converter cells.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram from which the basic structure of the converter cells of a multi-phase DC-DC converter is shown. For this diagram shows that the voltage applied to the input terminal input voltage V ⁇ N through a low pass filter which, for example, connected one to ground
  • Capacitor C IN to a parallel circuit of n converter cells, in the embodiment shown three converter cells, is set. These converter cells are clocked with a time delay.
  • the converter cell 4 is a phase 1, the converter cell 5 a phase 2 and the converter cell 6 associated with a phase 3.
  • the converter cell 4 has a transistor T u connected to the input of the parallel circuit, a transistor T 12 connected to the output of the PWM generator 14 a, and a coil L.
  • the one terminal of the coil L is connected to the connection point between the two transistors Tu and T i2 .
  • the other terminal of the coil L is connected to the output of the parallel circuit.
  • the converter cell 5 has an output connected to the input of the parallel connection of transistor T 2 i, one connected to the output of the PWM generator 14b transistor T 2 2 and a coil L.
  • the one terminal of the coil L is connected to the connection point between the two transistors T 2 i and T 22 .
  • the other terminal of the coil L is connected to the output of the parallel circuit.
  • the converter cell 6 has a transistor T 31 , connected to the input of the parallel circuit, one the output of the PWM generator 14c connected transistor T32 and a coil L on.
  • the one terminal of the coil L is connected to the connection point between the two transistors T 3i and T 32 .
  • the other terminal of the coil L is connected to the output of the parallel circuit.
  • the output of the parallel circuit is connected via an output filter, which has a capacitor C OU T connected to ground, to the output terminal V O u of the multi-phase DC-DC converter.
  • the converter cells of the multiphase DC-DC converter are activated at different times. During these times, as explained in connection with FIG. 1, a detection of the associated voltage level at the output of the converter takes place using a voltage sensor, an analog-to-digital converter and a separator.
  • An alternative embodiment consists of arranging a current sensor at the input of the converter cells, in addition to the current sensor arranged at the output of the converter cells, in order to also regulate the input current of the converter.
  • Another alternative is to realize a bidirectional multiphase DC-DC converter.
  • both on the input side and on the output side of the converter cells each have a voltage sensor and a current sensor is provided, wherein the output signal of the voltage sensor in each case via a Analog-to-digital converter and a separator is evaluated.
  • the components 11, 12, 13, 14a, 14b, 14c, 15a, 15b, 15c, 16 and 17 shown in FIG. 1 may be realized in the form of a discrete circuit or in the form of a processor.
  • an input voltage of 14 V is converted by the DC-DC converter into an output voltage of 42 V.
  • the input voltage and the output voltage may also have other values.
  • the input voltage can also be greater than the output voltage.
  • a multiphase DC-DC converter according to the invention may also be a bidirectional step-up / step-down divider with four transistors per converter cell.
  • a voltage and a current sensor are used per connection side of the converter cells.
  • the output signal of a voltage sensor 7 was passed through an analog-to-digital converter 11 to a separator 12.
  • a current sensor can serve as a signal source for the separator.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Multiphasen-Gleichspannungswandler, welcher mehrere parallel zueinander angeordnete, zeitversetzt getaktete Wandlerzellen (4, 5, 6) aufweist und an der Eingangsseite und/oder Ausgangsseite der Wandlerzellen mit einem Spannungssensor (7) oder einem Stromsensor versehen ist. Dieser ist über einen Analog-Digital-Wandler (11) mit einem Separator (12) verbunden, welcher zur Zerlegung des Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers in den einzelnen Phasen des Wandlers zugeordnete Spannungs- oder Stromwerte vorgesehen ist. Der Separator (12) ist mit einer Regelanordnung (13) verbunden, die ausgangsseitig die Taktsignale der Wandlerzellen (4,5,6) beeinflussende Regelsignale bereitstellt.

Description

Multiphasen-Gleichspannungswandler
Die Erfindung betrifft einen Multiphasen-Gleichspannungs- wandler .
Stand der Technik
Aus der DE 101 10 615 Al ist ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuerimpulsen für Leistungshalbleiter, insbesondere zum Zwecke einer Generierung versetzter Ansteuerungs- impulse für Halbbrücken, die an Mehrphasenumrichtern oder Gleichspannungsumrichtern aufgenommen sind, bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt ein Verschieben der Referenzspannung um eine den Versetzungen entsprechende Verzögerungszeit oder ein Verschieben eines PWM-Signals um eine Verzögerungszeit, die der Periodendauer geteilt durch die Anzahl der Versetzungen entspricht.
Aus der DE 101 19 985 Al ist eine Vorrichtung zur Energieeinspeisung in ein Mehrspannungsbordnetz eines Kraft- fahrzeugs bekannt. Diese Vorrichtung weist ein in einem Kraftfahrzeug angeordnetes Mehrspannungsbordnetz auf, das zumindest ein erstes und ein zweites Spannungsniveau, jeweils von dem Bezugspotential verschieden, bereitstellt. Das Mehrspannungsbordnetz wird aus zumindest einem elekt- rischen Energiespeicher gespeist. Es weist des weiteren zumindest einen Wandler zur Verbindung der beiden Spannungsniveaus auf. Ferner sind Einspeisemittel zur externen Energieeinspeisung in das Mehrspannungsbordnetz vorgesehen. Der genannte Wandler kann in Form eines Multi- phasenwandlers realisiert sein. Bei derartigen Wandlern werden mehrere Wandlerzellen kleinerer Leistung parallel geschaltet und die Leistungsteile zeitversetzt getaktet. Hierbei werden auf Grund von Auslöschungseffekten Filter- bausteine eingespart. Mit derartigen Multiphasenwandlern wird es möglich, die ersten und zweiten Wandler mit den vorhandenen Phasen eines einzigen Multiphasenwandlers zu realisieren. Hierzu werden die Phasen aufgeteilt in Wand- ler mit Abwärts- und Aufwärtswandlerfunktion . Die Phasen werden dann wandlerintern über einen Schalter eingangs- seitig getrennt.
In zukünftigen Energiebordnetzen von Kraftfahrzeugen wer- den leistungsstarke Gleichspannungswandler benötigt, um den Energiefluss zwischen verschiedenen Spannungsebenen regeln zu können. Ein derartiger Einsatz im Kraftfahrzeugbereich erfordert auf Grund von Kosten-, Bauraum- und Gewichtsbeschränkungen eine Minimierung der Induktivitä- ten und Kapazitäten sowie der Anzahl der Bauelemente insgesamt. Diesen Beschränkungen kann man gerecht werden, indem man als Gleichspannungswandler Multiphasen-Gleich- spannungswandler verwendet. Bei diesen wird die zu übertragende Leistung auf mehrere Wandlerzellen aufgeteilt. Wendet man bei diesem Prinzip eine zeitversetzte Taktung der Wandlerzellen an, dann heben sich im überlagerten Ausgangssignal die Stromrippel teilweise auf bzw. reduzieren sich um einen wesentlichen Betrag. Die Frequenz des Ausgangssignals des Gleichspannungswandlers erhöht sich um die Anzahl der versetzt getakteten Wandlerzellen gegenüber der Grundtaktfrequenz der Wandlerzellen. Durch die kleineren Rippel und die höhere Frequenz können die Ausgangsfilter des Gleichspannungswandlers kleiner ausgelegt werden. Dadurch wird ein Kosten- und Bauraumvorteil erzielt.
Zur effizienten Nutzung dieses Verfahrens muss für jede Wandlerzelle ein Stromsensor verwendet werden, um die zugehörigen Stromrippel überwachen und regeln zu können. Ohne eine derartige Einzelphasenregelung können durch Bauteiletoleranzen die Rippel je Phase unterschiedlich hoch sein, wodurch der zuvor angesprochene Vorteil bei der Überlagerung der Ausgangssignale der Wandlerzellen nicht mehr wirksam ist. Die Rippel im Ausgangssignal werden größer und die Frequenz des Ausgangssignals nimmt wieder den gleichen Wert an wie die Schaltfrequenz der einzelnen Wandlerzellen. Dadurch werden die zuvor erwähn- ten Vorteile wieder aufgehoben.
Vorteile der Erfindung
Ein Multiphasen-Gleichspannungswandler mit den im An- spruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Anzahl seiner Stromsensoren reduziert ist. Dadurch werden die Kosten eines Multiphasen- Gleichspannungswandlers wesentlich reduziert. Darüber hinaus wird Bauraum eingespart und das Gewicht eines MuI- tiphasen-Gleichspannungswandlers reduziert. Dies begünstigt die Verwendung eines Multiphasen-Gleichspannungs- wandlers im Energiebordnetz eines Kraftfahrzeugs.
Die vorstehend genannten Vorteile werden dadurch er- reicht, dass die parallel zueinander angeordneten und zeitversetzt getakteten Wandlerzellen eingangsseitig und/oder ausgangsseitig mit einem Spannungssensor verbunden sind, welcher über einen Analog-Digital-Wandler mit einem Separator verbunden ist, welcher zur Zerlegung des Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers in den einzelnen Wandlerzellen des Multiphasen-Gleichspannungswand- lers zugeordnete Spannungswerte vorgesehen ist. Der Separator wiederum ist mit einer Regelanordnung verbunden, welche ausgangsseitig Regelsignale bereitstellt, durch welche die Taktsignale der Wandlerzellen derart beein- flusst bzw. geregelt werden, dass die den verschiedenen Wandlerzellen zugehörigen Spannungswerte übereinstimmen. Dies hat zur Folge, dass sich die Spannungsrippel der einzelnen Wandlerzellen aufheben und sich die Frequenz des Ausgangssignals des Spannungswandlers um die Anzahl der versetzt getakteten Phasen bzw. Wandlerzellen gegenüber der Grundtaktfrequenz der Wandlerzellen erhöht. Auf Grund der kleineren Rippel und der höheren Frequenz kann das Ausgangsfilter des Multiphasen-Gleichspannungswand- lers kleiner ausgelegt werden, wodurch ein weiterer Kosten- und Bauraumvorteil erzielt wird.
Vorzugsweise weist ein Multiphasen-Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung einen Separator auf, der mehrere parallel zueinander angeordnete, zeitgetriggerte Separatoreinheiten enthält, von denen jede einer der Wandlerzellen zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann gewährleis- tet werden, dass während des Einschaltens einer Wandlerzelle bzw. - je nach Tastverhältnis auch während des Ausschaltens einer Wandlerzelle - der in dieser Zeit gemessene Spannungspegel am Ausgang des Analog-Digital- Wandlers dieser Wandlerzelle direkt zugeordnet werden kann. Auf diese Weise kann aus dem Ausgangssignal des A- nalog-Digital-Wandlers für jede Wandlerzellenein zugehöriger Spannungspegel erhalten werden, der zur Beeinflussung des Taktsignals der jeweiligen Wandlerzelle verwendet wird.
Das zur Triggerung der Separatoreinheiten benötigte Triggersignal wird in vorteilhafter Weise vom Ausgangssignal eines PWM-Generators abgeleitet, welcher der jeweiligen Wandlerzelle zugeordnet ist und das Taktsignal für diese Wandlerzelle bereitstellt. Die Taktung einer Wandlerzelle und die Triggerung der zugehörigen Separatoreinheit können folglich in vorteilhafter Weise auf Basis eines einzigen Signals erfolgen, welches von einem PWM-Generator bereitgestellt wird.
Vorzugsweise weist die mit dem Separator verbundene Regelanordnung mehrere parallel zueinander angeordnete Regler auf, von denen jeder einer der Wandlerzellen zugeordnet ist, wobei der Eingang jedes der Regler mit dem Ausgang der jeweils zugehörigen Separatoreinheit verbunden ist. Auf diese Weise kann für jede der Wandlerzellen in einfacher Weise ein Regelsignal bereitgestellt werden, welches das Taktsignal der zugehörigen Wandlerzelle in gewünschter Weise beeinflusst.
In vorteilhafter Weise ist der Ausgang der Regler jeweils über einen Addierer mit dem jeweils zugehörigen PWM-
Signalgenerator verbunden. In diesem Addierer werden jeweils das vom zugehörigen Regler bereitgestellte Regelsignal sowie ein von einem weiteren Regler abgeleitetes weiteres Regelsignal überlagert. Dieser weitere Regler ist mit einem Stromsollwertgeber und über einen weiteren Analog-Digital-Wandler mit einem Stromsensor verbunden, welcher zwischen dem Ausgang der Wandlerzellen und einem Ausgangsfilter positioniert ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht nach alle- dem darin, dass ein Multiphasen-Gleichspannungswandler unabhängig von der Anzahl seiner Wandlerzellen bzw. Phasen mit nur einem einzigen Stromsensor auskommt, der auf der Ausgangsseite der Wandlerzellen angeordnet ist. Den- noch kann auf Grund der Verwendung eines auf der Eingangsseite bzw. der Ausgangsseite der Wandlerzellen vorgesehenen Spannungssensors, aus dessen Ausgangssignal mittels eines Separators den einzelnen Phasen des Wandlers zugehörige Spannungswerte bzw. Spannungspegel sepa- riert werden, eine individuelle Nachregelung jeder einzelnen Wandlerzelle erfolgen, so dass sich beispielsweise auf Grund von Bauteiletoleranzen gebildete Rippel reduzieren oder gegenseitig aufheben.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Zeichnung .
Zeichnung
Die Figur 1 zeigt eine Blockdarstellung eines Multipha- sen-Gleichspannungswandlers gemäß der Erfindung. Die Figur 2 zeigt ein Schaltbild, in welchem der grundsätzliche Aufbau der Wandlerzellen eines Multiphasen- Gleichspannungswandlers ersichtlich ist.
Beschreibung
Die Figur 1 zeigt eine Blockdarstellung eines Multipha- sen-Gleichspannungswandlers 1 gemäß der Erfindung. Dieser weist einen Eingangsanschluss 2 auf, an welchem die Ein- gangsspannung VΣN des Wandlers anliegt. Diese beträgt beispielsweise 14 Volt. Die Aufgabe des Wandlers besteht darin, diese Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, die beispielsweise 42 Volt beträgt. Diese Ausgangsspannung VOuτ des Wandlers wird an einem Ausgangs- anschluss 10 zur Verfügung gestellt.
Der in der Figur 1 dargestellte Multiphasen-Gleich- spannungswandler weist ein mit dem Eingangsanschluss 2 verbundenes Eingangsfilter 3 auf, bei welchem es sich um ein Tiefpassfilter handelt, mittels welchem Störungen auf die Eingangsspannung gefiltert werden. Der Ausgang des Eingangsfilters 3 ist mit einer Parallelschaltung mehrerer Wandlerzellen 4, 5, 6 verbunden, wobei die Anzahl dieser parallel zueinander geschalteten Wandlerzellen vom jeweils vorliegenden Anwendungsfall abhängt.
Die Ausgänge der Wandlerzellen 4, 5, 6 sind wieder zusammengeführt und über einen Stromsensor 8 und ein Ausgangsfilter 9 mit dem Ausgangsanschluss 10 verbunden. Des wei- teren ist zwischen den Ausgängen der Wandlerzellen 4, 5, 6 und Masse ein Spannungssensor 7 vorgesehen. Bei dem Ausgangsfilter 9 handelt es sich beispielsweise ebenfalls um ein Tiefpassfilter.
Das Ausgangssignal des Spannungssensors 7 wird in einem Analog-Digital-Wandler 11 in ein digitales Signal umgesetzt. Dieses am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 11 vorliegende digitale Signal wird an einen Separator 12 weitergeleitet. Dieser wiederum ist mit einer Regelanordnung 13 verbunden, welche an ihren Ausgängen Regelsignale bereitstellt, mittels welcher die Taktsignale CKl, CK2, CK3 der Wandlerzellen 4, 5, 6 beeinflusst werden.
Der Separator 12 weist drei zueinander parallel geschaltete Separatoreinheiten 12a, 12b, 12c auf, deren Eingängen jeweils mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 11 verbunden sind. Die Separatoreinheit 12a hat die Auf- gäbe, aus dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 11 einen der Wandlerzelle 4 zugeordneten Spannungspegel zu separieren. Zu diesem Zweck wird dem Triggereingang der Separatoreinheit 12a ein Triggersignal tl zugeführt, welches vom Taktsignal CKl der Wandlerzelle 4 abgeleitet ist und beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit diesem übereinstimmt. Die Separatoreinheit 12b hat die Aufgabe, aus dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 11 einen der Wandlerzelle 5 zugeordneten Spannungspegel zu separieren. Zu diesem Zweck wird dem Triggereingang der Se- paratoreinheit 12b ein Triggersignal 12 zugeführt, welches vom Taktsignal CK2 der Wandlerzelle 5 abgeleitet ist und beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit diesem übereinstimmt. Die Separatoreinheit 12c hat die Aufgabe, aus dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 11 einen der Wandlerzelle 6 zugeordneten Spannungspegel zu separieren. Zu diesem Zweck wird dem Triggereingang der Separatoreinheit 12c ein Triggersignal T3 zugeführt, welches vom Taktsignal CK3 der Wandlerzelle 6 abgeleitet ist und beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit diesem überein- stimmt.
Der am Ausgang der Separatoreinheit 12a bereitgestellte Spannungspegel wird in einem Spannungsregler 13a der Regelanordnung 13 in ein der Wandlerzelle 4 zugeordnetes Regelsignal umgesetzt. Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15a mit dem Regelsignal eines weiteren Reglers 16 überlagert, bei dem es sich um einen Stromregler handelt. Dem Stromregler 16 werden eingangsseitig ein von einem Stromsollwertgeber 18 bereitgestellter Stromsollwert IsoLL und ein vom Stromsensor 8 abgeleitetes und über einen weiteren Analog-Digital-Wandler 17 geleitetes Stromwertsignal zugeführt. Das Ausgangssignal des Addie- rers 15a wird in einem PWM-Generator 14a in ein PWM-
Signal umgesetzt, bei welchem es sich um das Taktsignal CKl der Wandlerzelle 4 handelt.
Der am Ausgang der Separatoreinheit 12b bereitgestellte Spannungspegel wird in einem Spannungsregler 13b der
Regelanordnung 13 in ein der Wandlerzelle 5 zugeordnetes Regelsignal umgesetzt. Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15b ebenfalls mit dem Regelsignal des Stromreglers 16 überlagert. Das Ausgangssignal des Addierers 15b wird in einem PWM-Generator 14b in ein PWM-Signal umgesetzt, bei welchem es sich um das Taktsignal CK2 der Wandlerzelle 5 handelt.
Der am Ausgang der Separatoreinheit 12c bereitgestellte Spannungspegel wird in einem Spannungsregler 13c der
Regelanordnung 13 in ein der Wandlerzelle 6 zugeordnetes Regelsignal umgesetzt. Dieses Regelsignal wird in einem Addierer 15c ebenfalls mit dem Regelsignal des Stromreglers 16 überlagert. Das Ausgangssignal des Addierers 15c wird in einem PWM-Generator 14c in ein PWM-Signal umgesetzt, bei welchem es sich um das Taktsignal CK3 der Wandlerzelle 6 handelt.
Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist, ist bei einem Multiphasen-Gleichspannungswandler gemäß der Erfindung eine unter Verwendung einer Vielzahl von Stromsensoren erfolgende Einzelphasenstrommessung nicht notwendig. Es wird nur ein einziger Stromsensor 8 verwendet, welcher zwischen den Ausgängen der Wandlerzellen und dem Ausgangsfilter positioniert ist. Des weiteren ist ein ebenfalls zwischen den Ausgängen der Wandlerzellen und dem Ausgangsfilter positionierter Spannungssensor 7 vorgesehen, dessen Ausgangssignal über einen Analog-Digital- Wandler 11 an einen Separator 12 weitergeleitet wird. Dieser zerlegt unter Anwendung einer geeigneten Trigge- rung das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers in den einzelnen Phasen des Wandlers bzw. den einzelnen Wandlerzellen zugehörige Spannungswerte. Diese werden in einer Regelanordnung 13 in Regelsignale umgesetzt, welche die Taktsignale CKl, CK2, CK3 der Wandlerzellen beeinflussen .
Die Figur 2 zeigt ein Schaltbild, aus welchem der grundsätzliche Aufbau der Wandlerzellen eines Multiphasen- Gleichspannungswandlers ersichtlich ist. Aus diesem Schaltbild geht hervor, dass die am Eingangsanschluss anliegende Eingangsspannung VΣN über ein Tiefpassfilter, welches beispielsweise einen gegen Masse geschalteten
Kondensator CIN aufweist, an eine Parallelschaltung von n Wandlerzellen, beim gezeigten Ausführungsbeispiel drei Wandlerzellen, gelegt ist. Diese Wandlerzellen werden zeitversetzt getaktet.
Der Wandlerzelle 4 ist eine Phase 1, der Wandlerzelle 5 eine Phase 2 und der Wandlerzelle 6 eine Phase 3 zugeordnet. Die Wandlerzelle 4 weist einen mit dem Eingang der Parallelschaltung verbundenen Transistor Tu, einen an den Ausgang des PWM-Generators 14a angeschlossenen Transistor T12 und eine Spule L auf. Der eine Anschluss der Spule L ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren Tu und Ti2 gelegt. Der andere Anschluss der Spule L ist mit dem Ausgang der Parallelschaltung verbun- den. Die Wandlerzelle 5 weist einen mit dem Eingang der Parallelschaltung verbundenen Transistor T2i, einen an den Ausgang des PWM-Generators 14b angeschlossenen Transistor T22 und eine Spule L auf. Der eine Anschluss der Spule L ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren T2i und T22 gelegt. Der andere Anschluss der Spule L ist mit dem Ausgang der Parallelschaltung verbunden. Die Wandlerzelle 6 weist einen mit dem Eingang der Parallelschaltung verbundenen Transistor T31, einen an den Ausgang des PWM-Generators 14c angeschlossenen Transistor T32 und eine Spule L auf. Der eine Anschluss der Spule L ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren T3i und T32 gelegt. Der andere Anschluss der Spule L ist mit dem Ausgang der Parallelschaltung verbunden .
Der Ausgang der Parallelschaltung ist über ein Ausgangsfilter, welches einen gegen Masse geschalteten Kondensa- tor COUT aufweist, mit dem Ausgangsanschluss VOuτ des MuI- tiphasen-Gleichspannungswandlers verbunden .
Durch die beschriebene zeitversetzte Taktung der Transistoren T12, T22 und T32 werden die Wandlerzellen des Multi- phasen-Gleichspannungswandlers zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert. Während dieser Zeiten erfolgt - wie es im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert wurde - eine Erfassung des zugehörigen Spannungspegels am Ausgang des Wandlers unter Verwendung eines Spannungssensors, eines Analog-Digital-Wandlers und eines Separators. Dieser
Strompegel, welcher der jeweiligen Wandlerzelle individuell zugeordnet ist, wird in einem Regler in ein Regelsignal umgewandelt, welches zur Beeinflussung des Taktsignals für die jeweilige Wandlerzelle verwendet wird.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, zusätzlich zu dem am Ausgang der Wandlerzellen angeordneten Stromsensor auch am Eingang der Wandlerzellen einen Stromsensor anzuordnen, um auch eine Regelung des Ein- gangsstromes des Wandlers vorzunehmen.
Eine weitere Alternative besteht darin, einen bidirektionalen Multiphasen-Gleichspannungswandler zu realisieren. Bei diesem ist sowohl auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite der Wandlerzellen jeweils ein Spannungssensor und ein Stromsensor vorgesehen, wobei das Ausgangssignal des Spannungssensors jeweils über einen Analog-Digital-Wandler und einen Separator ausgewertet wird.
Die in der Figur 1 gezeigten Bauteile 11, 12, 13, 14a, 14b, 14c, 15a, 15b, 15c, 16 und 17 können in Form einer diskreten Schaltung oder in Form eines Prozessors realisiert sein.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Eingangsspannung von 14 V mittels des Gleichspannungswandlers umgesetzt in eine Ausgangsspannung von 42 V. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung können auch andere Werte aufweisen. Insbesondere kann die Eingangsspannung auch größer sein als die Ausgangsspannung.
Des weiteren kann es sich bei einem Multiphasen-Gleich- spannungswandler gemäß der Erfindung auch um einen bidi- rektionalen Hoch-/Tiefsetzsteiler mit vier Transistoren pro Wandlerzelle handeln. Hierbei werden je Anschlussseite der Wandlerzellen ein Spannungs- und ein Stromsensor eingesetzt .
Ferner wurde beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal eines Spannungssensors 7 über einen Analog-Digital-Wandler 11 an einen Separator 12 geleitet. Alternativ hierzu kann auch ein Stromsensor als Signalquelle für den Separator dienen.

Claims

Patentansprüche
1. Multiphasen-Gleichspannungswandler, welcher mehrere parallel zueinander angeordnete, zeitversetzt getaktete Wandlerzellen (4, 5, 6) aufweist, dadurch gekenn- zeichnet, dass er auf der Eingangsseite und/oder Ausgangsseite der Wandlerzellen einen Spannungssensor (7) oder einen Stromsensor aufweist, der über einen Analog- Digital-Wandler (11) mit einem Separator (12) verbunden ist, welcher zur Zerlegung des Ausgangssignals des Ana- log-Digital-Wandlers (11) in den einzelnen Phasen des
Wandlers zugeordnete Spannungswerte oder Stromwerte vorgesehen ist, und dass der Separator (12) mit einer Regelanordnung (13) verbunden ist, die ausgangsseitig die Taktsignale der Wandlerzellen (4, 5, 6) beeinflussende Regelsignale bereitstellt.
2. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Seperator (12) mehrere parallel zueinander angeordnete zeitgetriggerte Separatoreinheiten (12a, 12b, 12c) aufweist, von denen jede einer der Wandlerzellen zugeordnet ist.
3. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Triggereingang der Separatoreinheiten (12a, 12b, 12c) jeweils mit dem Ausgang eines PWM-Signalgenerators (14a, 14b, 14c) verbunden ist, welcher einer zugehörigen Wandlerzelle zugeordnet ist.
4. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung (13) mehrere parallel zueinander angeordnete Regler (13a, 13b, 13c) aufweist, von denen jeder einer der Wandlerzellen (4, 5, 6) zugeordnet ist, und der Eingang jedes der Regler (13a, 13b, 13c) mit dem Ausgang der jeweils zugehörigen Seperatoreinheit (12a, 12b, 12c) verbunden ist.
5. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Regler (13a, 13b, 13c) jeweils über einen Addierer (15a, 15b, 15c) mit dem zugehörigen PWM-Signalgenerator (14a, 14b, 14c) verbunden ist.
6. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Addierer (15a, 15b, 15c) jeweils mit demselben Ausgang eines weiteren Reglers (16) verbunden sind.
7. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Regler
(16) ein Stromregler oder ein Spannungsregler ist und ein erster Eingang dieses weiteren Reglers mit einem Sollwertgeber (18) verbunden ist.
8 . Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s ein zweiter Ein- gang des weiteren Reglers (16) über einen weiteren Ana- log-Digital-Wandler (17) mit einem Stromsensor (8) oder einem Spannungssensor verbunden ist und der Stromsensor oder Spannungssensor zwischen dem Ausgang der Wandlerzellen (4, 5, 6) und einem Ausgangsanschluss (10) des Multi- phasen-Gleichspannungswandlers angeordnet ist.
9. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen weiteren Stromsensor oder Spannungssensor aufweist, der zwischen dem Eingangsanschluss (2) des MuI- tiphasen-Gleichspannungswandlers und dem Eingang der Wandlerzellen (4, 5, 6) angeordnet ist.
10. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein bidirektionaler Multiphasen-Gleich- spannungswandler ist und einen zweiten Spannungssensor oder Stromsensor aufweist, welcher auf der vom ersten Spannungssensor oder Stromsensor abgelegenen Seite der Wandlerzellen angeordnet ist.
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