WO2009037135A2 - Multiphasen-gleichspannungswandler - Google Patents

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WO2009037135A2
WO2009037135A2 PCT/EP2008/061799 EP2008061799W WO2009037135A2 WO 2009037135 A2 WO2009037135 A2 WO 2009037135A2 EP 2008061799 W EP2008061799 W EP 2008061799W WO 2009037135 A2 WO2009037135 A2 WO 2009037135A2
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regulator
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Boris Blaumeiser
Dirk Kranzer
Markus Konzili
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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    • 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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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter

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 which corresponds to the period duration divided by the number of dislocations.
  • DE 101 19 985 A1 discloses a device for feeding energy into 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, each 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.
  • feed-in means are provided for the external energy feed into the multi-voltage on-board electrical system.
  • 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.
  • the phases are divided into converters with down- and up-converter function.
  • the phases are then separated internally via a switch on the input side.
  • the frequency of the output signal of the DC-DC converter increases by the number of offset-clocked converter cells relative to the basic clock frequency of the converter cells. Due to the smaller ripple and the higher frequency, the output filters of the DC-DC converter can be made smaller. As a result, a cost and space advantage is achieved.
  • a current sensor must be used for each converter cell in order to be able to monitor and regulate 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 rib 1 in the outgoing signal becomes 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.
  • a measuring bridge is provided in each case between the outputs of two converter cells each, which has a core on which two windings of the same number of turns wound in opposite directions are applied.
  • a multi-strand measuring bridge which has a closed core over which all single strands of the multiphase DC voltage converter are routed.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram from which the basic structure of the converter cells of a multiphase DC-DC converter can be seen.
  • FIG. 2 shows a sketch for illustrating a magnetic measuring bridge.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a four-phase DC-DC converter with a multi-strand magnetic see Kess Hampshire.
  • FIG. 4 shows a sketch to illustrate the construction of a compact multi-stranded magnetic measuring bridge.
  • FIG. 5 shows a sketch to illustrate the structure of a four-pole DC-DC converter with a multi-stranded magnetic measuring bridge and associated control circuit.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram from which the basic structure of the converter cells of a multiphase DC-DC converter can be seen. From this circuit diagram, it can be seen that the input voltage V IN applied to the input terminal is applied to a parallel circuit of n converter cells, in the embodiment shown four converter cells, via a low-pass filter, which has, for example, a capacitor C IN connected to ground. These converter cells are clocked with a time delay.
  • the converter cell 4 is a phase 1, the converter cell 5 a phase 2, the converter cell 6 a phase 3 and the converter cell 7 a phase 4 associated net.
  • the converter cell 4 has a transistor T 11 connected to the input of the parallel circuit and connected to the output of a PWM generator 14 a, a transistor T 12 and a coil L.
  • the one connection The coil L is connected to the connection point between the two transistors T 11 and T 12 .
  • the other terminal of the coil L is connected to the output of the parallel circuit.
  • the wall cell 5 has a transistor T 21 connected to the input of the parallel circuit and connected to the output of a PWM generator 14 b, a transistor T 22 and a coil L.
  • the one terminal of the coil L is connected to the connection point between the two transistors T 21 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 , which is connected to the input of the parallel circuit and which is connected to the output of a PWM generator 14 c, a transistor T 32 and a coil L.
  • the one terminal of the coil L is connected to the connection point between the two transistors T 31 and T 32 .
  • the other terminal of the coil L is connected to the output of the parallel circuit.
  • the converter cell 7 has a transistor T 41 connected to the input of the parallel circuit and connected to the output of a PWM generator 14d, a transistor T 42 and a coil L.
  • the one terminal of the coil L is connected to the connection point between the two transistors T 41 and T 42 .
  • 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 o ⁇ connected to ground, to the output terminal V OUT of the multi-phase DC-DC converter.
  • the converter cells 4, 5, 6, 7 of the multiphase DC-DC converter Due to the time-delayed timing of the transistors T 11 , T 21 , T 31 and T 41 by the clock signals provided by the PWM generators 14 a, 14 b, 14 c, 14 d, the converter cells 4, 5, 6, 7 of the multiphase DC-DC converter to activated at different times. As a result, the current ripples partly cancel each other out in the superimposed output signal or reduce by a substantial amount.
  • the frequency of the output signal of the DC-DC converter is increased compared to the basic clock frequency of the converter cells by the number of offset-clocked converter cells.
  • magnetic measuring bridges between the outputs of each two converter cells are used to align the currents flowing in the converter cells to each other. This will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2-5.
  • FIG. 2 shows a sketch to illustrate a magnetic measuring bridge, as can be used in the invention.
  • the illustrated measuring bridge 19 has a core 20, on which two windings 21, 22 of the same number of turns wound in opposite directions are applied.
  • the winding 21 is traversed by a current Il, which is, for example, the output current of the converter cell 4.
  • the winding 22 is traversed by a current 12, which is, for example, the Motherstroro the converter cell 5.
  • the respectively associated magnetic flux density is denoted by ⁇ l or ⁇ 2.
  • a ball sensor 24 is provided, which measures the magnetic flux density.
  • a magnetic DC flux is generated in the core whose direction depends on the sign of the current difference.
  • the Hailsensor maps the resulting flux density to a voltage which is supplied to a control arrangement for the purpose of their evaluation via an analog-to-digital converter.
  • n - 1 measuring bridges are required to balance the overall system, ie. H. to match the output currents of all n converter cells. However, if one adds another measuring bridge between the output of the nth converter cell and the output of the first converter cell, then the system is overdetermined. However, the resulting cyclic structure ensures that the symmetry can still be maintained if a converter cell or a measuring bridge fails. Since the windings of the measuring bridges are each wound in opposite directions from converter cell to converter cell, a cyclical structure is given only if the number of converter cells is even.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a four-phase
  • the measuring bridges are realized in the form of a multi-strand measuring bridge 25.
  • the multi-strand measuring bridge is shown only schematically. It can be seen that the inputs of these multistage measuring bridge 25 are supplied with the output signals of the total of four converter cells. Furthermore, it can be seen that the multi-stranded measuring bridge 25 is positioned between the outputs of the converter cells and the output filter C OUT of the four-phase DC-DC converter.
  • the further construction of the DC-DC converter shown in FIG. 3 is identical to the construction of the DC-DC converter shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a sketch to illustrate the construction of such a multi-strand measuring bridge, which has a compact design.
  • This measuring bridge has a single core 20, over which the output strands of all four converter cells are routed.
  • the tolerances of the four air gaps 23 influence the amplification in the individual measuring circuits, in particular the zero point of the compensation of the output currents of the converter cells.
  • the measuring system must therefore be calibrated with equally distributed rated current.
  • FIG. 5 shows a sketch to illustrate the structure of a four-pole DC-DC converter with a multi-stranded magnetic measuring bridge and associated control circuit.
  • the illustrated DC-DC converter 1 has an input terminal 2 / on which the input voltage V IN of the converter is applied. This is for example 42V.
  • the task of the converter is to convert this input voltage into an output voltage which is, for example, 14V.
  • This output voltage V OUT of the converter is provided at an output terminal 10.
  • the DC-DC converter shown in FIG. 5 has an input filter 3 connected to the input terminal 2, which is a low-pass filter by means of which interference from the input voltage is filtered.
  • the output of the input filter 3 is connected to a parallel connection of a plurality of converter cells 4, 5, 6, 7, the number of converter cells being 4 in the exemplary embodiment shown.
  • the outputs of the Wandierzellen 4, 5, 6, 7 are connected to a multi-strand measuring bridge 25, which is constructed as well as the multi-stranded shown in FIG Measuring bridge.
  • the output signals of the converter cells led out from the measuring bridge 25 are brought together again and forwarded to the output terminal 10 via a current sensor 8 and an output filter 9.
  • the output filter 9 is also a low-pass filter, for example.
  • the sensor signal derived from the current sensor 8 is forwarded to a controller 16 via an analog-to-digital converter 17.
  • the signals derived from the Hall sensors 24 of the multistage measuring bridge 25 pass via an analog-to-digital converter 11 to a PWM correction unit 12. Its task is to assign the digital signals obtained from the analog-to-digital converter 11 to the converter cells ,
  • the output signals of the PWM correction unit 12 are differential current regulators 13a, 13b, 13c and 13d of a
  • Control arrangement 13 supplied. This control arrangement provides control signals at its outputs, by means of which the clock signals CK1, CK2, CK3 and CX4 of the converter cells 4, 5, 6 and 7 are influenced.
  • the differential current controller 13 a is assigned to the converter cell 4. Consequently, the differential current controller 13a provides a control signal associated with the converter cell 4. This control signal is superimposed in an adder 15a with the control signal of the further controller 16, which is, for example, a current regulator.
  • This current regulator 16 is supplied on the input side with a current setpoint I soll provided by a current setpoint generator 18 and with the current value signal derived from the current sensor 8 and conducted via the analog-to-digital converter 17.
  • the output signal of the adder 15a is converted in a PWM generator 14a into a PWM signal, in which Ehern it is the clock signal CKl the Wandierzelle 4 acts.
  • the differential current controller 13b is assigned to the converter cell 5. Consequently, the differential current controller 13b provides a control signal associated with the converter cell 5. This control signal is superimposed in an adder 15b with the control signal of the further controller 16. The output signal of the adder 15b is converted into a PWM signal in a PWM generator 14b, which is the clock signal CK2 of the converter cell 5.
  • the differential current controller 13c is assigned to the converter cell 6. Consequently, the differential current controller 13c provides a control signal associated with the converter cell 6. This control signal is superimposed in an adder 15c with the control signal of the further controller 16. The output signal 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.
  • the differential reference current regulator 13d is assigned to the converter cell 7. Consequently, the differential current controller 13d provides a control signal associated with the converter cell 7. This control signal is superimposed in an adder 15d with the control signal of the further regulator 16. The output of the adder 15d is converted into a PWM signal in a PWM generator 14d, which is the clock signal CK4 of the wall cell 7.
  • a multi-phase DC-DC converter in 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, one is also between the outputs of the converter cells and The magnetic measuring bridge arrangement positioned at the output filter is provided, which is realized either in the form of a plurality of individual measuring bridges or in the form of a multi-strand measuring bridge. By means of this measuring bridge arrangement, current differences between adjacent lines can be detected. The detected current differences are compensated using a control arrangement.
  • the use of a measuring bridge arrangement according to the invention has the advantage of lower accuracy requirements and the advantage of cost reduction compared to using a single-phase current measurement in which a single current sensor is provided in each phase string.
  • the components 11, 12, 13, 14a, 14b, 14c, 14d, 15a, 15b, 15c, 15d, 16 and 17 shown in FIG. 5 can be realized in the form of a discrete circuit or in the form of a processor.
  • an input voltage of 42V is converted by means of the DC voltage converter into an output voltage of 14V.
  • the input voltage and the output voltage may also have other values.
  • the input voltage can also be smaller than the output voltage.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Multiphasen-Gleichspannungswandler, welcher mehrere parallel zueinander angeordnete, zeitversetzt getaktete Wandlerzellen aufweist. Weiterhin enthält, er zwischen den Ausgängen jeweils zweier Wandlerzellen jeweils eine magnetische Messbrücke.

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

Claims

Patentansprüche
1. Multiphasen-Gleichspannungswandler, welcher mehrere parallel zueinander angeordnete, zeitversetzt getaktete Wandlerzellen (4,5,6,7) aufweist, dadurch gekenn- zeichnet, dass er zwischen den Ausgängen jeweils zweier Wandlerzellen jeweils eine magnetische Messbrücke (19,25) aufweist.
2. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Messbrücke
(19) einen Kern (20) aufweist, auf welchen zwei gegensin- nig gewickelte Wicklungen (21,22) übereinstimmender Win- dungszahl aufgebracht sind.
3. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (20) ei- nen Luftspalt (23) aufweist, in welchem ein Hailsensor (24) positioniert ist.
4. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücken in Form einer mehrsträngigen Messbrücke (25) realisiert sind.
5. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Wandlerzellen (4,5,6,7) jeweils ein PWM- Signalgenerator (14a, 14b, 14c, 14d) zugeordnet ist.
6. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsensoren (24} über einen Analog-Digital-Wandler (1.1.) mit einer Regelanordnung (13) verbunden sind, welche ausgangsseitig die Taktsignale der Wandlerzellen (4,5,6,7) beeinflussen- de Regelsignale bereitstellt.
7. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung (13) mehrere parallel zueinander angeordnete Regler (13a, 13b, 13c, 13d) aufweist, von denen jeder einer der Wandlerzellen (4,5,6,7) zugeordnet ist und der Ausgang der Regler jeweils über einen Addierer (15a, 15b, 15c, 15d) mit dem zugehörigen PWM-Generator (14a, 14b, 14c, 14d) ver- bunden ist.
8. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Addierer (15a, 15b, 15c, 15d) jeweils mit demselben Ausgang eines weiteren Reglers (16) verbunden sind.
9. Multiphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Regler (16) ein Stromregler oder ein Spannungsregler ist und ein erster Eingang dieses weiteren Reglers mit einem Soll- wertgeber (18) verbunden ist.
10. Multiphasen-Gleichspanmmgswandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass 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 Stro∑nsensor oder Spannungssensor zwischen dem Ausgang der Wandlerzel- len (4,5,6,7) und einem Ausgangsanschluss (10) des Multi- phasengleichspannυngswandlers angeordnet ist.
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