WO2017028988A1 - Three-phase dc converter - Google Patents

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WO2017028988A1
WO2017028988A1 PCT/EP2016/063979 EP2016063979W WO2017028988A1 WO 2017028988 A1 WO2017028988 A1 WO 2017028988A1 EP 2016063979 W EP2016063979 W EP 2016063979W WO 2017028988 A1 WO2017028988 A1 WO 2017028988A1
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WO
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output
phase
input
switches
windings
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Application number
PCT/EP2016/063979
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German (de)
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Inventor
Emiliano GUDINO CARRIZALES
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/285Single converters with a plurality of output stages connected in parallel
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054Transistor switching losses
    • H02M1/0058Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a three-phase DC-DC converter with a three-phase transformer and electronic switches, which are switched by an electronic control device.
  • DC-DC converters serve to transfer current from a DC voltage source having a voltage at input terminals Ui to a level having another - higher, equal to or lower - voltage at output terminals U 2 and to operate loads at that voltage.
  • the design of such a converter depends on the requirements that are addressed to it. In addition to the height of the voltages at the terminals Ui and U 2 , these include, in particular, the type and magnitude of the load, in particular the maximum permissible load, the time profile of the load and the desired efficiency in partial and full load operation. There are more besides
  • Requirements e.g. the dissipation of heat loss, the electromagnetic radiation to the environment and the mechanical robustness.
  • a converter with a single-phase transformer is used, which ensures the galvanic isolation between high and low voltage network, which is important for the safety of the user.
  • the transformer is on the primary side with electronic Switches equipped in bridge circuits, ie each of the two terminals of the primary coil can be connected via a switch to the positive terminal or to the negative terminal of the input terminals Ui. With these switches, the primary coil of the transformer can be periodically applied with the voltage at the input terminals Ui with alternating polarity, ie with rectangular voltage pulses.
  • phase Shifted Phase Shifted
  • the two junctions of the transformer primary coil are not exactly in push-pull (180 ° phase shift) simultaneously connected to the other pole of the battery, but the polarity reversal of the second connection takes place only with a predetermined Phase shift with respect to the first terminal, thereby shorting the primary coil of the transformer for a portion of the period while simultaneously having one pole of the input voltage
  • the magnitude of the phase shift requires control by measuring the power dissipated in the secondary network and the
  • Phase shift is adjusted accordingly, so that exactly the required power is delivered to the output terminals U 2 . Because of the
  • FBPS Filt Bridge Phase Shifted
  • Primary circuit can be switched.
  • An alternative power control is that the time within each period during which the input terminals Ui are connected to the primary winding is less than the maximum possible duration (each half a period). Also in this case are the
  • PWM pulse width modulation
  • the operating frequency can be chosen so that the losses are minimized at full load.
  • the losses are the higher, the lower the clock frequency.
  • This switching is also called “hard switching.” To minimize these losses, low-loss "soft switching” is sought, that is, at a moment when the current or voltage is near zero.
  • the resulting optimum switching frequency can be from a few 10 kHz up to several 100 kHz and must be optimized for each individual case of the design of the converter.
  • the transformers that are used for DC-DC converters can be conventionally designed as a wound component or in planar technology.
  • the coils can be applied as printed conductors on a circuit board, which are around recesses in the board around run.
  • the transformer cores with the yokes are then attached to the
  • DC-DC converters If the requirements for DC-DC converters increase with regard to the power delivered, several of them can be connected in parallel. If these are phase shifted to each other ("interleaved"), then a higher efficiency can be achieved than with a single converter, which is designed for the higher power.However, with the number of converters and the number of components for the circuit.
  • EP 1 589 648 A2 proposes a
  • three-phase converter which uses a transformer that is constructed like a three-phase transformer with three primary and three secondary windings. This reduces the losses and also the emission of harmonics.
  • An article having a pair of input terminals for an input DC voltage and a pair of output terminals for an output DC voltage, and a three-phase transformer comprising at least three legs, each of the legs being surrounded by at least one primary winding and one secondary winding.
  • These windings can be designed in planar technology as conductor tracks on a substrate.
  • the one winding may be guided on the upper side and the other on the underside of the substrate about the associated leg. Common yokes can close the magnetic circles over the other thighs.
  • the advantage of using a three-phase transformer is that, with the same output power, fewer components are required in comparison with several parallel-operated single-phase converters, and the magnetic load on the transformer legs is lower. It will be advantageous way, in particular less switch, transformer windings and -schenke! and output inductors, as well as MOSFET and IGBT drivers and their components needed.
  • the three-phase DC-DC converter has three pairs of electronic input switches, which are connected to the input terminals and - possibly via an inductance - to the primary windings, that in each case a connection of each of the three primary windings of the transformer, depending on
  • Switch position can be connected to the positive pole or to the negative pole of the input voltage.
  • the three-phase DC-DC converter can use three pairs of
  • Output switches having, in such a way with the secondary windings and - possibly via a screen member - are connected to the output terminals, that in each case one terminal of each of the three secondary windings can be connected to the positive pole or to the negative terminal of the output voltage.
  • the three-phase DC-DC converter may comprise an electronic control device, which is designed to periodically control a plurality of electronic switches in dependence on the electrical power to be output at the output terminals.
  • the screen member is designed to smooth ripples of the power delivered to the output terminal due to the fact that the converter outputs power to the output only part of each period depending on the load.
  • it consists of a coil and a
  • the wiring of the respective other ends of the three primary windings and the three secondary windings is possible in different embodiments of the invention and is referred to as the architecture of the circuit.
  • the three connections of the three primary windings can be connected together to form a neutral point.
  • each of these terminals may be connected to the terminal connected to a pair of the input switches of one of the other two primary windings, such that the
  • Primary windings are interconnected to form a triangular arrangement.
  • the three terminals of the secondary windings can become one
  • Star point can be interconnected.
  • each of these terminals may be connected to the one connected to a pair of the output switches
  • connection of one of the other two secondary windings be connected, such that the secondary windings are interconnected to form a triangular arrangement.
  • the star-shaped circuit is denoted by Y, the triangular by D. Accordingly, embodiments of the invention may have a YD, a DY, a YY or a DD architecture.
  • Transformer windings lies. Both reduce the magnetic load of the legs compared to a combination of three single-phase transducers of the same transmittable power and thus leads to a higher efficiency.
  • the control device can also be realized in different embodiments of the invention.
  • it may e.g. be designed to be periodically operated at a frequency such that the steady state resonant circuits formed by the inductances in the primary circuit and the parasitic capacitances of the electronic input switches have current and voltage resonant circuits and then connecting and disconnecting the primary windings
  • Input terminals resonantly takes place at these zeros. This advantageously reduces the switching losses of the electronic switches. That's it Furthermore, it is advantageous if the design of the transformer is such that no additional resonant inductances are required as additional components, but if these are integrated in the transformer windings. In this embodiment of the invention, the control device may be designed such that the connection of the secondary windings with the
  • Output terminals are made at the same times as connecting the primary windings to the input terminals, and that the separation of the secondary windings from the output terminals is determined by a signal for the level of the load. As a result, the switching losses are limited in an advantageous manner to the turn-off of the switches in the secondary circuit.
  • Input voltage to be determined by the height of the load, wherein connecting and disconnecting the connection of the secondary windings with the
  • the electronic control device has a microprocessor and is designed such that the actuation of the electronic switch is predetermined by the software controlling the microprocessor. This advantageously allows a simple adaptation of the converter as the requirements change.
  • control device can be designed in such a way that the transformer frequency is threefold
  • Output terminals forming ripples have six times the frequency. This advantageously reduces the maximum current in the transformer and the size of the ripple.
  • Another advantage of the invention is that the converter because of its symmetrical structure when needed and appropriate control of Switch can also transmit electrical power in the reverse direction, ie from the output terminals to the input terminals Ui.
  • FIG. 1 The invention will be explained in more detail with reference to the drawings.
  • FIG. 1 shows the basic circuit of a three-phase DC-DC converter according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows the wiring of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention with DY architecture.
  • FIG. 1 shows the wiring of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention with YD architecture.
  • FIG. 1 shows the wiring of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention with DD architecture.
  • FIG. 1 shows the wiring of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention with YY architecture.
  • Figure 1 shows the basic structure of a three-phase
  • DC-DC converter which receives at the input terminals Ui electrical power from an input DC voltage source, such as a battery, and this electrical power to output terminals U 2 as Output DC voltage to an output network.
  • an input DC voltage source such as a battery
  • the voltage at the output is smaller than that at the input, but it can also be greater than or equal to the voltage at the input.
  • a three-phase transformer 1 In the center of the circuit is a three-phase transformer 1, for the figure 2 shows an embodiment. It comprises at least three legs 2, 2 'and 2 ", each of the legs being surrounded by at least one primary winding U, V and W and a secondary winding u, v and W. These windings are in the figure in planar technology as printed conductors on a substrate 3, which are guided around the associated limb, wherein the figure shows only a single turn for the sake of clarity, the ratio of the number of turns from primary turns to secondary turns determines the ratio of the output voltage to the input voltage
  • the DC-DC converter can have twelve electronic switches, which are actuated by an electronic control device 5. Of these switches, two are each connected to one end of the six windings of the transformer. Via the switches 11, 11 ', 12, 12', 13 and 13 ', these winding ends of the primary windings - in each case via a resonance inductance 17, 17' and 17 "- can be connected to the positive pole or to the negative pole of the input terminals Ui, and Via the switches 14, 14 ', 15, 15', 16 and 16 ', the winding ends of the secondary windings can be connected via a common filter element - eg with an inductor 6 and a capacitor 6' to the positive pole or to the negative pole of the output terminals U 2 become.
  • the control device 5 is designed to periodically switch these switches on and off as a function of the electrical power output at the output terminals U 2 such that each of the three primary windings U, V and W has its one end temporarily connected to the positive pole or to the negative pole the input terminals Ui is connected, without that in the meantime the
  • Input voltage is shorted, and also that each of the three secondary windings u, v and w with its one end temporarily with the positive pole or is connected to the negative pole of the output terminals U 2 , without in the meantime the output terminals are short-circuited.
  • the three terminals of the three primary windings U, V and W can be interconnected to form a neutral point 17 (compare FIGS. 4 and 6).
  • each of these terminals may be connected to the terminal connected to a pair of the input switches of one of the other two primary windings, such that the three primary windings are connected together in a triangular arrangement (see Figures 3 and 5).
  • the three terminals of the three secondary windings u, v and w can be connected together to form a neutral point 18 (compare FIGS. 3 and 6).
  • Output switch connected - be connected connection of one of the other two secondary windings, such that the three secondary windings are interconnected to form a triangular arrangement (see Figures 4 and 5).
  • the star-shaped circuit is denoted by Y, the triangular by D. Accordingly, embodiments of the invention may have a YD, a DY, a YY or a DD architecture.
  • the primary circuit in one embodiment, includes inductors, which may include particular resonant inductances 17, 17 'and 17 "that are supplemented for matching purposes, and parasitic capacitances such as the input switches 11, 11', 12, 12 ', 13 and 13
  • the control means 5 may then be designed and periodically operated at a frequency such that these steady state resonant circuits have zero current and voltage, and connecting and disconnecting Primary windings U, V, W with the input terminals Ui are resonant at these zeroes, namely the zero voltage connection and the zero current isolation.
  • the primary circuit is thus "soft" switched on and off in this type of control.
  • control device 5 is designed such that the time of disconnecting the connection of the primary windings U, V, W from the input terminals Ui is determined by the height of the load corresponding to the signal 7 and therefore "hard” occurs, and wherein the connection and disconnection of the connection of the secondary windings u, v and w with the output terminals U 2 can take place simultaneously with the connection and disconnection of the primary windings U, V and W with the input terminals Ui and thus "soft”.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the control device 5 may have a microprocessor and be designed such that the actuation of the electronic switches is predetermined by the software controlling the microprocessor.
  • the control device 5 can be designed so that the
  • Transformer frequency of the transformer 1 the triple switching frequency of the input switches 11, 11 '; 12, 12 '; 13, 13 'amounts to and to the
  • Output terminals U 2 forming ripples have six times the frequency. With the level of this frequency, the length of the time duration during which, given a given load, the transformer does not give off any current and the output must be supplied from the energy stored in the sieve member 6 and 6 ', the output voltage drops slightly. This also reduces the amplitude of the ripples.

Landscapes

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

Abstract

The invention relates to a three-phase D,C converter comprising a pair of input terminals (U1) for an input DC voltage, a pair of output terminals (U2 for an output DC voltage, a three-phase transformer (1) comprising at least three limbs, each of the limbs being surrounded by at least one primary winding (U, V, W) and a secondary winding (u, v, w), which are led in planar technology as conductor tracks on the substrate around the associated limb, and wherein common yokes complete the magnetic circuits via the respective other limbs, an electronic control device (5), which is designed to activate a multiplicity of electronic switches periodically, depending on the electric power output on the output terminals (U2), three pairs of electronic input switches (11, 11'; 12, 12'; 13, 13'), which connect the input terminals (U1) to the primary windings (U, V, W) in such a way that, controlled by the control device (5), respectively one connection of each of the three primary windings (U, V, W) can be connected to the positive pole or to the negative pole of the input connections (U1), three pairs of output switches (14, 14'; 15, 15'; 16, 16'), which connect the output terminals (U2) via a filter (6, 6') to the secondary windings (U, V, W), in such a way that, controlled by the control device (5), respectively one terminal of each of the three secondary windings (u, v, w) can be connected to the positive pole or to the negative pole of the output terminals (U2), wherein the filter (6,6') is designed to smooth ripple of the power output on the output terminal (U2).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Dreiphasiger Gleichspannungswandler  Three-phase DC-DC converter
Die Erfindung betrifft einen dreiphasigen Gleichspannungswandler mit einem dreiphasigen Transformator und elektronischen Schaltern, die durch eine elektronische Steuereinrichtung geschaltet werden. The invention relates to a three-phase DC-DC converter with a three-phase transformer and electronic switches, which are switched by an electronic control device.
Stand der Technik State of the art
Gleichspannungswandler dienen dazu, Strom aus einer Gleichspannungsquelle mit einer Spannung an Eingangsanschlüssen Ui auf ein Niveau mit einer anderen - höheren, gleich hohen oder niedrigeren - Spannung an Ausgangsanschlüssen U2 zu übertragen und Verbraucher bei dieser Spannung zu betreiben. Die Ausgestaltung eines solchen Wandlers hängt von den Anforderungen ab, die an ihn gerichtet werden. Hierzu gehören neben der Höhe der Spannungen an den Anschlüssen Ui und U2 vor allem die Art und Höhe der Belastung, insbesondere die maximal zulässige Last, der zeitliche Verlauf der Last und der angestrebte Wirkungsgrad im Teil- und Volllastbetrieb. Daneben gibt es weitere DC-DC converters serve to transfer current from a DC voltage source having a voltage at input terminals Ui to a level having another - higher, equal to or lower - voltage at output terminals U 2 and to operate loads at that voltage. The design of such a converter depends on the requirements that are addressed to it. In addition to the height of the voltages at the terminals Ui and U 2 , these include, in particular, the type and magnitude of the load, in particular the maximum permissible load, the time profile of the load and the desired efficiency in partial and full load operation. There are more besides
Anforderungen, z.B. die Abführung der Verlustwärme, die elektromagnetische Abstrahlung an die Umgebung und die mechanische Robustheit. Requirements, e.g. the dissipation of heat loss, the electromagnetic radiation to the environment and the mechanical robustness.
Speziell für die Nutzung in Elektro- und Hybridfahrzeugen gibt es Bedarf an Wandlern, die eine Transformation von einem Hochvoltnetz (typisch: 400 V) auf eine Niedervoltnetz (typisch: 12 V) vornehmen. Oft findet dafür ein Wandler mit einem einphasigen Transformator Verwendung, der für die galvanische Trennung zwischen Hoch- und Niedervoltnetz sorgt, was für die Sicherheit des Nutzers wichtig ist. Der Transformator wird dabei primärseitig mit elektronischen Schaltern ausgerüstet, die in Brückenschaltungen arbeiten, d.h. jeder der beiden Anschlüsse der Primärspule kann über einen Schalter mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Eingangsanschlüsse Ui verbunden werden. Mit diesen Schaltern kann die Primärspule des Transformators periodisch mit der Spannung an den Eingangsanschlüssen Ui mit abwechselnder Polarität beaufschlagt werden, d.h. mit rechteckförmigen Spannungsimpulsen. Dadurch erfolgt für die Dauer eines solchen Impulses ein konstanter Stromanstieg im Transformator, der je nach Polung seine Richtung ändert. Nach dem Induktionsgesetz wird dadurch eine während des Impulses konstante Spannung im Sekundärkreis erzeugt, d.h. es entstehen dort ebenfalls rechteckförmige Spannungsimpulse. Der Betrag der Spannung wird durch das Verhältnis der Windungszahlen von Primär- und Sekundärwicklung bestimmt. Werden sekundärseitig Schalter verwendet, so wird die Sekundärwicklung mit Hilfe dieser Schalter mit derselben Taktung wie der Primärstrom umgepolt, wodurch ausgangsseitig immer dieselbe konstante Spannung abgegeben wird. Especially for use in electric and hybrid vehicles, there is a need for converters that transform from a high-voltage network (typically: 400 V) to a low-voltage network (typically: 12 V). Often, a converter with a single-phase transformer is used, which ensures the galvanic isolation between high and low voltage network, which is important for the safety of the user. The transformer is on the primary side with electronic Switches equipped in bridge circuits, ie each of the two terminals of the primary coil can be connected via a switch to the positive terminal or to the negative terminal of the input terminals Ui. With these switches, the primary coil of the transformer can be periodically applied with the voltage at the input terminals Ui with alternating polarity, ie with rectangular voltage pulses. This results in the duration of such a pulse, a constant increase in current in the transformer, which changes its direction depending on the polarity. According to the law of induction thereby a constant during the pulse voltage is generated in the secondary circuit, ie there are also there rectangular voltage pulses. The amount of voltage is determined by the ratio of the turns of the primary and secondary windings. If switches are used on the secondary side, the secondary winding is reversed by means of these switches with the same timing as the primary current, whereby the same constant voltage is always output on the output side.
Im Teillastbereich kann ein solcher Wandler für einen Teil der Periode In the partial load range, such a converter for a part of the period
abgeschaltet werden, so dass bei den Eingangsanschlüssen Ui keine Leistung entnommen wird. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten des Schaltens der Schalter. Bei einem phasenversetzten Schalten („Phase Shifted") werden dafür die beiden Anschüsse der Transformator- Primärspule nicht genau im Gegentakt (mit 180° Phasenverschiebung) gleichzeitig mit dem jeweils anderen Pol der Batterie verbunden, sondern das Umpolen des zweiten Anschlusses erfolgt erst mit einer vorgegebenen Phasenverschiebung gegenüber dem ersten Anschluss. Dadurch ist die Primärspule des Transformators für einen Teil der Periode kurzgeschlossen, während gleichzeitig ein Pol der Eingangsspannung are switched off, so that at the input terminals Ui no power is removed. There are various ways of switching the switches. In a phase-shifted switching ("Phase Shifted") for the two junctions of the transformer primary coil are not exactly in push-pull (180 ° phase shift) simultaneously connected to the other pole of the battery, but the polarity reversal of the second connection takes place only with a predetermined Phase shift with respect to the first terminal, thereby shorting the primary coil of the transformer for a portion of the period while simultaneously having one pole of the input voltage
abgeklemmt ist, so dass in dieser Zeit dem Primärnetz keine Leistung is disconnected, so that at this time the primary network no performance
entnommen wird. Die Größe der Phasenverschiebung bedarf einer Steuerung, indem die in das Sekundärnetz abgegebene Leistung gemessen und die is removed. The magnitude of the phase shift requires control by measuring the power dissipated in the secondary network and the
Phasenverschiebung entsprechend angepasst wird, so dass genau die benötigte Leistung an die Ausgangsanschlüsse U2 abgegeben wird. Wegen der Phase shift is adjusted accordingly, so that exactly the required power is delivered to the output terminals U 2 . Because of the
Brückenschaltung der Schalter wird diese Ansteuerungsart als„Füll Bridge Phase Shifted" (FBPS) bezeichnet. Sekundärseitig können Dioden als Gleichrichter verwendet werden, oder ebenfalls elektronische Schalter, die dann synchron mit den Schaltern im Bridge switching of the switch, this type of control is referred to as "Fill Bridge Phase Shifted" (FBPS). On the secondary side, diodes can be used as rectifiers, or electronic switches, which can then be synchronized with the switches in the
Primärkreis geschaltet werden. Eine alternative Steuerung der Leistung besteht darin, dass die Zeit innerhalb jeder Periode, während der die Eingangsanschlüsse Ui mit der Primärwicklung verbunden werden, eine geringere als die maximal mögliche Dauer (von jeweils einer halben Periodendauer) beträgt. Auch in diesem Fall sind die Primary circuit can be switched. An alternative power control is that the time within each period during which the input terminals Ui are connected to the primary winding is less than the maximum possible duration (each half a period). Also in this case are the
Primärwicklungen für den Rest der Periode von der Gleichspannungsquelle getrennt, so dass keine Leistung abgegeben wird. Diese Art der Ansteuerung wird als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet wird. Primary windings for the remainder of the period separated from the DC voltage source, so that no power is delivered. This type of control is referred to as pulse width modulation (PWM).
Bei einem solchen Wandler kann die Arbeitsfrequenz so gewählt werden, dass die Verluste bei Volllast minimiert werden. Ein Teil der Verluste, insbesondere im Transformator, sind um so höher, je niedriger die Taktfrequenz ist. Denn um so länger steigt der Strom bis zum nächsten Polaritätswechsel an, und um so höher wird der Strom und damit der magnetische Fluss im Transformator, da beide Größen verlustbehaftet sind. Andere Beiträge zu den Verlusten, insbesondere die Schaltverluste an den elektronischen Schaltern, steigen mit wachsender Schaltfrequenz. Denn die Schalter haben sowohl im geöffneten Zustand wegen des Stroms Null durch den Schalter, als auch im geschlossenen Zustand wegen des Spannungsabfalls Null am Schalter, nur geringe Verluste. Im Moment des Schaltens jedoch, das eine endliche Zeit dauert, können die Verluste ungleich Null werden, wenn zu diesem Zeitpunkt der Strom beim Ausschalten bzw. die Spannung beim Einschalten ungleich Null ist. Dieses Schalten nennt man auch „hartes Schalten". Um diese Verluste zu minimieren, wird verlustarmes„weiches Schalten" angestrebt, das also in einem Augenblick erfolgt, zu dem der Strom bzw. die Spannung nahe Null sind. Die sich ergebende optimale Schaltfrequenz kann von einigen 10 kHz bis zu mehreren 100 kHz betragen und ist für jeden Einzelfall der Auslegung des Wandlers zu optimieren. In such a converter, the operating frequency can be chosen so that the losses are minimized at full load. Part of the losses, especially in the transformer, are the higher, the lower the clock frequency. For the longer the current increases until the next polarity change, and the higher the current and thus the magnetic flux in the transformer, since both sizes are lossy. Other contributions to the losses, especially the switching losses at the electronic switches, increase with increasing switching frequency. Because the switches have both in the open state because of the current zero through the switch, as well as in the closed state because of the voltage drop zero at the switch, only small losses. However, at the moment of switching, which takes a finite time, the losses may become non-zero, if at this time the power at turn-off or the voltage at power up is not equal to zero. This switching is also called "hard switching." To minimize these losses, low-loss "soft switching" is sought, that is, at a moment when the current or voltage is near zero. The resulting optimum switching frequency can be from a few 10 kHz up to several 100 kHz and must be optimized for each individual case of the design of the converter.
Die Transformatoren, die für Gleichspannungswandler verwendet werden, können konventionell als gewickeltes Bauelement oder aber in Planartechnik ausgebildet sein. Bei letzterer können die Spulen als Leiterbahnen auf eine Platine aufgebracht werden, die um Ausfräsungen in der Platine herum verlaufen. Die Transformatorkerne mit den Jochen werden dann an den The transformers that are used for DC-DC converters can be conventionally designed as a wound component or in planar technology. In the latter case, the coils can be applied as printed conductors on a circuit board, which are around recesses in the board around run. The transformer cores with the yokes are then attached to the
Ausfräsungen - von beiden Seiten je ein Teil - auf der Platine angebracht. Diese Planartechnik hat nicht nur Kosten vorteile bei der Serienfertigung, sondern bei hohen Frequenzen auch Vorteile bezüglich des Skin- Effekts. Cutouts - one part each from both sides - mounted on the board. This planar technology has not only cost advantages in mass production, but at high frequencies also benefits in terms of skin effect.
Steigen die Anforderungen an Gleichspannungswandler hinsichtlich der abgegebenen Leistung, so können mehrere davon parallel geschaltet werden. Werden diese phasenverschoben zueinander betrieben („interleaved"), so kann ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden als mit einem einzelnen Wandler, der für die höhere Leistung ausgelegt ist. Allerdings steigt mit der Zahl der Wandler auch die Zahl der Bauelemente für die Schaltung. If the requirements for DC-DC converters increase with regard to the power delivered, several of them can be connected in parallel. If these are phase shifted to each other ("interleaved"), then a higher efficiency can be achieved than with a single converter, which is designed for the higher power.However, with the number of converters and the number of components for the circuit.
In diesem Zusammenhang schlägt die EP 1 589 648 A2 vor, einen In this context, EP 1 589 648 A2 proposes a
Dreiphasenwandler einzusetzen, der einen Transformator verwendet, der wie ein Drehstromtransformator mit drei Primär- und drei Sekundärwicklungen aufgebaut ist. Hierdurch vermindern sich die Verluste und auch die Abstrahlung von Oberwellen. To use three-phase converter, which uses a transformer that is constructed like a three-phase transformer with three primary and three secondary windings. This reduces the losses and also the emission of harmonics.
Die WO 2006/027744 A2 schlägt ergänzend hierzu vor, zwei solcher WO 2006/027744 A2 proposes in addition to this, two such
Transformatoren parallel zu schalten und phasenverschoben zueinanderTransformers in parallel and out of phase with each other
(„interleaved") zu betreiben. To operate ("interleaved").
Offenbarung der Erfindung Die Erfindung hat einen dreiphasigen Gleichspannungswandler zum DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention has a three-phase DC-DC converter for
Gegenstand, der ein Paar Eingangsanschlüsse für eine Eingangs- Gleichspannung und ein Paar Ausgangsanschlüsse für eine Ausgangs- Gleichspannung aufweist, sowie einen dreiphasigen Transformator, der zumindest drei Schenkel umfasst, wobei jeder der Schenkel von zumindest einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung umgeben ist. Diese Wicklungen können in Planartechnik als Leiterbahnen auf einem Substrat ausgeführt sein. Z.B. kann die eine Wicklung auf der Oberseite und die andere auf der Unterseite des Substrats um den zugehörigen Schenkel geführt sein. Gemeinsame Joche können die magnetischen Kreise über die jeweils anderen Schenkel schließen. Der Vorteil der Verwendung eines dreiphasigen Transformators besteht darin, dass bei gleicher Ausgangsleistung weniger Bauelemente im Vergleich zu mehreren parallel betriebenen Einphasenwandlern benötigt werden, und auch die magnetische Belastung der Transformatorschenkel geringer ist. Es werden vorteilhafte Weise insbesondere weniger Schalter, Transformatorwicklungen und -schenke! und Ausgangsinduktivitäten, sowie MOSFET- bzw. IGBT-Treiber und deren Komponenten benötigt. An article having a pair of input terminals for an input DC voltage and a pair of output terminals for an output DC voltage, and a three-phase transformer comprising at least three legs, each of the legs being surrounded by at least one primary winding and one secondary winding. These windings can be designed in planar technology as conductor tracks on a substrate. For example, the one winding may be guided on the upper side and the other on the underside of the substrate about the associated leg. Common yokes can close the magnetic circles over the other thighs. The advantage of using a three-phase transformer is that, with the same output power, fewer components are required in comparison with several parallel-operated single-phase converters, and the magnetic load on the transformer legs is lower. It will be advantageous way, in particular less switch, transformer windings and -schenke! and output inductors, as well as MOSFET and IGBT drivers and their components needed.
Der dreiphasige Gleichspannungswandler weist drei Paare von elektronischen Eingangsschaltern auf, die derart mit den Eingangsanschlüssen und - ggf. über eine Induktivität - mit den Primärwicklungen verbunden sind, dass jeweils ein Anschluss jeder der drei Primärwicklungen des Transformators, je nach The three-phase DC-DC converter has three pairs of electronic input switches, which are connected to the input terminals and - possibly via an inductance - to the primary windings, that in each case a connection of each of the three primary windings of the transformer, depending on
Schalterstellung, mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Eingangsspannung verbunden werden kann. Switch position, can be connected to the positive pole or to the negative pole of the input voltage.
Zudem kann der dreiphasige Gleichspannungswandler drei Paare von In addition, the three-phase DC-DC converter can use three pairs of
Ausgangsschaltern aufweisen, die derart mit den Sekundärwicklungen und - ggf. über ein Siebglied - mit den Ausgangsanschlüssen verbunden sind, dass jeweils ein Anschluss jeder der drei Sekundärwicklungen mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Ausangsspannung verbunden werden kann. Output switches having, in such a way with the secondary windings and - possibly via a screen member - are connected to the output terminals, that in each case one terminal of each of the three secondary windings can be connected to the positive pole or to the negative terminal of the output voltage.
Zudem kann der dreiphasige Gleichspannungswandler eine elektronische Steuereinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von elektronischen Schaltern in Abhängigkeit von der an den Ausgangsanschlüssen abzugebenen elektrischen Leistung periodisch anzusteuern. In addition, the three-phase DC-DC converter may comprise an electronic control device, which is designed to periodically control a plurality of electronic switches in dependence on the electrical power to be output at the output terminals.
Das Siebglied ist dafür ausgelegt, Rippel der an den Ausgangsanschluss abgegebenen Leistung zu glätten, die dadurch entstehen, dass der Wandler in Abhängigkeit von der Last nur für einen Teil jeder Periode Leistung an den Ausgang abgibt. Beispielsweise besteht es aus einer Spule und einem The screen member is designed to smooth ripples of the power delivered to the output terminal due to the fact that the converter outputs power to the output only part of each period depending on the load. For example, it consists of a coil and a
Kondensator. Capacitor.
Die Beschaltung der jeweils anderen Enden der drei Primärwicklungen und der drei Sekundärwicklungen ist in unterschiedlichen Ausführungsvarianten der Erfindung möglich und wird als Architektur der Schaltung bezeichnet. Die drei Anschlüsse der drei Primärwicklungen können zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet werden. Alternativ hierzu kann jeder dieser Anschlüsse mit dem mit einem Paar der Eingangsschalter verbundenen Anschluss von einer der beiden anderen Primärwicklungen verbunden sein, derart, dass die The wiring of the respective other ends of the three primary windings and the three secondary windings is possible in different embodiments of the invention and is referred to as the architecture of the circuit. The three connections of the three primary windings can be connected together to form a neutral point. Alternatively, each of these terminals may be connected to the terminal connected to a pair of the input switches of one of the other two primary windings, such that the
Primärwicklungen zu einer dreieckförmigen Anordnung zusammengeschaltet sind. Primary windings are interconnected to form a triangular arrangement.
Genauso können die drei Anschlüsse der Sekundärwicklungen zu einem Likewise, the three terminals of the secondary windings can become one
Sternpunkt zusammengeschaltet werden. Alternativ hierzu kann jeder dieser Anschlüsse mit dem mit einem Paar der Ausgangsschalter verbundenen Star point can be interconnected. Alternatively, each of these terminals may be connected to the one connected to a pair of the output switches
Anschluss von einer der beiden anderen Sekundärwicklungen verbunden sein, derart, dass die Sekundärwicklungen zu einer dreieckförmigen Anordnung zusammengeschaltet sind. Connection of one of the other two secondary windings be connected, such that the secondary windings are interconnected to form a triangular arrangement.
Die sternförmige Schaltung bezeichnet man mit Y, die dreieckförmige mit D. Demgemäß können Ausführungsvarianten der Erfindung eine YD-, eine DY-, eine YY- oder eine DD-Architektur aufweisen. The star-shaped circuit is denoted by Y, the triangular by D. Accordingly, embodiments of the invention may have a YD, a DY, a YY or a DD architecture.
Bei der Sternschaltung (Y-Schaltung) ist von Vorteil, dass sich jeweils die Wicklungsspannung des Transformators reduziert, während der Vorteil der Dreiecksschaltung (D-Schaltung) im Reduzieren des Stroms durch die In the star connection (Y-circuit) is advantageous that each reduces the winding voltage of the transformer, while the advantage of the delta connection (D circuit) in reducing the current through the
Transformatorwicklungen liegt. Beides reduziert die magnetische Belastung der Schenkel im Vergleich zu einer Kombination von drei einphasigen Wandlern gleicher übertragbarer Leistung und führt damit zu einem höhern Wirkungsgrad. Transformer windings lies. Both reduce the magnetic load of the legs compared to a combination of three single-phase transducers of the same transmittable power and thus leads to a higher efficiency.
Die Steuereinrichtung kann ebenfalls in unterschiedlichen Ausführungsvarianten der Erfindung realisiert werden. In einer ersten Ausführungsvariante kann sie z.B. dafür ausgelegt sein um periodisch mit einer solchen Frequenz betrieben zu werden, dass die aus den Induktivitäten im Primärkreis und den parasitären Kapazitäten der elektronischen Eingangsschalter gebildeten Resonanzkreise im stationären Betrieb Nullstellen für Strom und Spannung aufweisen und dann das Verbinden und Trennen der Verbindung der Primärwicklungen mit den The control device can also be realized in different embodiments of the invention. In a first embodiment, it may e.g. be designed to be periodically operated at a frequency such that the steady state resonant circuits formed by the inductances in the primary circuit and the parasitic capacitances of the electronic input switches have current and voltage resonant circuits and then connecting and disconnecting the primary windings
Eingangsanschlüssen resonant an diesen Nullstellen erfolgt. Dies reduziert auf vorteilhafte Weise die Schaltverluste der elektronischen Schalter. Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Auslegung des Transformators so erfolgt, dass keine ergänzenden Resonanzinduktivitäten als zusätzliche Bauelemente benötigt werden, sondern wenn diese in die Transformatorwicklungen integriert sind. In dieser Ausführungsvariante der Erfindung kann die Steuereinrichtung derart ausgebildet sein, dass das Verbinden der Sekundärwicklungen mit den Input terminals resonantly takes place at these zeros. This advantageously reduces the switching losses of the electronic switches. That's it Furthermore, it is advantageous if the design of the transformer is such that no additional resonant inductances are required as additional components, but if these are integrated in the transformer windings. In this embodiment of the invention, the control device may be designed such that the connection of the secondary windings with the
Ausgangsanschlüssen zu denselben Zeitpunkten erfolgt, wie das Verbinden der Primärwindungen mit den Eingangsanschlüssen, und dass das Trennen der Sekundärwicklungen von den Ausgangsanschlüsse durch ein Signal für Höhe der Last bestimmt ist. Hierdurch sind die Schaltverluste in vorteilhafter Weise auf die Ausschaltverluste der Schalter im Sekundärkreis beschränkt.  Output terminals are made at the same times as connecting the primary windings to the input terminals, and that the separation of the secondary windings from the output terminals is determined by a signal for the level of the load. As a result, the switching losses are limited in an advantageous manner to the turn-off of the switches in the secondary circuit.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann aber auch der Zeitpunkt des Trennens der Verbindung der Primärwicklungen von der In a further embodiment of the invention but also the time of disconnecting the connection of the primary windings of the
Eingangsspannung durch die Höhe der Last bestimmt sein, wobei das Verbinden und Trennen der Verbindung der Sekundärwicklungen mit den Input voltage to be determined by the height of the load, wherein connecting and disconnecting the connection of the secondary windings with the
Ausgangsanschlüsse gleichzeitig mit dem Verbinden und Trennen der Output terminals simultaneously with connecting and disconnecting the
Verbindung der Primärwicklungen mit der Eingangsspannung erfolgt. Hierdurch sind die Schaltverluste in vorteilhafter Weise auf die Ausschaltverluste der Schalter im Primärkreis beschränkt. Connection of the primary windings with the input voltage takes place. As a result, the switching losses are limited in an advantageous manner to the turn-off of the switches in the primary circuit.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung weist die elektronische Steuereinrichtung einen Mikroprozessor auf und ist derart ausgebildet, dass das Betätigen der elektronischen Schalter durch die den Mikroprozessor steuernde Software vorgegeben ist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache Anpassung des Wandlers, wenn sich die Anforderungen ändern. In a further embodiment of the invention, the electronic control device has a microprocessor and is designed such that the actuation of the electronic switch is predetermined by the software controlling the microprocessor. This advantageously allows a simple adaptation of the converter as the requirements change.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann die Steuereinrichtung derart ausgebildet sein, dass die Transformatorfrequenz die dreifache In a further embodiment variant of the invention, the control device can be designed in such a way that the transformer frequency is threefold
Schaltfrequenz der Eingangsschalter beträgt und die sich an den Switching frequency of the input switch is and which is connected to the
Ausgangsanschlüssen bildenden Rippel die sechsfache Frequenz aufweisen. Dies vermindert in vorteilhafter Weise den maximalen Strom im Transformator und die Größe der Rippel. Output terminals forming ripples have six times the frequency. This advantageously reduces the maximum current in the transformer and the size of the ripple.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Wandler wegen seines symmetrischen Aufbaus bei Bedarf und entsprechender Ansteuerung der Schalter auch elektrische Leistung in umgekehrter Richtung, also von den Ausgangsanschlüssen zu den Eingangsanschlüssen Ui übertragen kann. Another advantage of the invention is that the converter because of its symmetrical structure when needed and appropriate control of Switch can also transmit electrical power in the reverse direction, ie from the output terminals to the input terminals Ui.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Figur 1 The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. FIG. 1
zeigt die grundsätzliche Schaltung eines dreiphasigen Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsart der Erfindung. shows the basic circuit of a three-phase DC-DC converter according to an embodiment of the invention.
Figur 2 FIG. 2
zeigt den prinzipiellen Aufbau eines dreiphasigen Transformators, wie er in einer Ausführungsart der Erfindung Verwendung finden kann. shows the basic structure of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention.
Figur 3 FIG. 3
zeigt die Beschaltung eines dreiphasigen Transformators, wie sie in einer Ausführungsart der Erfindung mit DY-Architektur Verwendung finden kann. shows the wiring of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention with DY architecture.
Figur 4 FIG. 4
zeigt die Beschaltung eines dreiphasigen Transformators, wie sie in einer Ausführungsart der Erfindung mit YD-Architektur Verwendung finden kann. shows the wiring of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention with YD architecture.
Figur 5 FIG. 5
zeigt die Beschaltung eines dreiphasigen Transformators, wie sie in einer Ausführungsart der Erfindung mit DD-Architektur Verwendung finden kann. shows the wiring of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention with DD architecture.
Figur 6 FIG. 6
zeigt die Beschaltung eines dreiphasigen Transformators, wie sie in einer Ausführungsart der Erfindung mit YY-Architektur Verwendung finden kann. shows the wiring of a three-phase transformer, as it can be used in an embodiment of the invention with YY architecture.
Figur 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines dreiphasigen Figure 1 shows the basic structure of a three-phase
Gleichspannungswandlers, der an den Eingangsanschlüssen Ui elektrische Leistung aus einer Eingangs-Gleichspannungsquelle, z.B. einer Batterie, aufnimmt und diese elektrische Leistung an Ausgangsanschlüssen U2 als Ausgangs-Gleichspannung an ein Ausgangsnetz abgibt. Oft ist die Spannung am Ausgangs kleiner als die am Eingang, sie kann aber auch größer oder gleich der Spannung am Eingang sein. DC-DC converter, which receives at the input terminals Ui electrical power from an input DC voltage source, such as a battery, and this electrical power to output terminals U 2 as Output DC voltage to an output network. Often, the voltage at the output is smaller than that at the input, but it can also be greater than or equal to the voltage at the input.
Im Zentrum der Schaltung steht ein dreiphasiger Transformator 1, für den Figur 2 eine Ausführungsform zeigt. Dieser umfasst zumindest drei Schenkel 2, 2' und 2", wobei jeder der Schenkel von zumindest einer Primärwicklung U, V und W und einer Sekundärwicklung u, v und w umgeben ist. Diese Wicklungen sind in der Figur in Planartechnik als Leiterbahnen auf einem Substrat 3 dargestellt, die um den zugehörigen Schenkel geführt werden, wobei der Übersicht halber die Figur jeweils nur eine einzige Windung zeigt. Das Verhältnis der Windungszahlen von Primärwindungen zu Sekundärwindungen bestimmt das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung. Die magnetischen Flusskreise der drei Schenkel 2, 2' und 2" werden über die jeweils anderen Schenkel durch gemeinsame Joche 4 und 4' geschlossen. In the center of the circuit is a three-phase transformer 1, for the figure 2 shows an embodiment. It comprises at least three legs 2, 2 'and 2 ", each of the legs being surrounded by at least one primary winding U, V and W and a secondary winding u, v and W. These windings are in the figure in planar technology as printed conductors on a substrate 3, which are guided around the associated limb, wherein the figure shows only a single turn for the sake of clarity, the ratio of the number of turns from primary turns to secondary turns determines the ratio of the output voltage to the input voltage The magnetic flux circuits of the three limbs 2, 2 ' and 2 "are closed via the respective other legs by common yokes 4 and 4 '.
Wie Figur 1 zeigt, kann der Gleichspannungswandler zwölf elektronische Schalter aufweisen, die von einer elektronische Steuereinrichtung 5 betätigt werden. Von diesen Schaltern sind jeweils zwei mit einem Ende der sechs Wicklungen des Transformators verbunden. Über die Schalter 11, 11', 12, 12', 13 und 13' können diese Wicklungsenden der Primärwicklungen - hier jeweils über eine Resonanzinduktivität 17, 17' und 17" - mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Eingangsanschlüsse Ui verbunden werden, und über die Schalter 14, 14', 15, 15', 16 und 16' können die Wicklungsenden der Sekundärwicklungen über ein gemeinsames Siebglied - z.B. mit einer Induktivität 6 und einer Kapazität 6' - mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Ausgangsanschlüsse U2 verbunden werden. As FIG. 1 shows, the DC-DC converter can have twelve electronic switches, which are actuated by an electronic control device 5. Of these switches, two are each connected to one end of the six windings of the transformer. Via the switches 11, 11 ', 12, 12', 13 and 13 ', these winding ends of the primary windings - in each case via a resonance inductance 17, 17' and 17 "- can be connected to the positive pole or to the negative pole of the input terminals Ui, and Via the switches 14, 14 ', 15, 15', 16 and 16 ', the winding ends of the secondary windings can be connected via a common filter element - eg with an inductor 6 and a capacitor 6' to the positive pole or to the negative pole of the output terminals U 2 become.
Die Steuereinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, diese Schalter in Abhängigkeit von der an den Ausgangsanschlüssen U2 abgegebenen elektrischen Leistung derart periodisch ein- und auszuschalten, dass jede der drei Primärwicklungen U, V und W mit ihrem einen Ende zeitweise mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Eingangsanschlüsse Ui verbunden ist, ohne dass zwischenzeitlich die The control device 5 is designed to periodically switch these switches on and off as a function of the electrical power output at the output terminals U 2 such that each of the three primary windings U, V and W has its one end temporarily connected to the positive pole or to the negative pole the input terminals Ui is connected, without that in the meantime the
Eingangsspannung kurzgeschlossen ist, und dass außerdem jede der drei Sekundärwicklungen u, v und w mit ihrem einen Ende zeitweise mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Ausgangsanschlüsse U2 verbunden ist, ohne dass zwischenzeitlich die Ausgangsanschlüsse kurzgeschlossen sind. Input voltage is shorted, and also that each of the three secondary windings u, v and w with its one end temporarily with the positive pole or is connected to the negative pole of the output terminals U 2 , without in the meantime the output terminals are short-circuited.
Die Beschaltung der jeweils anderen Enden der drei Primärwicklungen U, V und W und der drei Sekundärwicklungen u, v und w ist in unterschiedlichen The wiring of the respective other ends of the three primary windings U, V and W and the three secondary windings u, v and w is in different
Ausführungsvarianten der Erfindung in den Figuren 3 bis 6 erläutert und wird als Architektur der Schaltung bezeichnet.  Embodiments of the invention illustrated in Figures 3 to 6 and is referred to as the architecture of the circuit.
Die drei Anschlüsse der drei Primärwicklungen U, V und W können zu einem Sternpunkt 17 zusammengeschaltet werden (vgl. Figur 4 und 6). Alternativ hierzu kann jeder dieser Anschlüsse mit dem - mit einem Paar der Eingangsschalter verbundenen - Anschluss von einer der beiden anderen Primärwicklungen verbunden sein, derart, dass die drei Primärwicklungen zu einer dreieckförmigen Anordnung zusammengeschaltet sind (vgl. Figur 3 und 5). The three terminals of the three primary windings U, V and W can be interconnected to form a neutral point 17 (compare FIGS. 4 and 6). Alternatively, each of these terminals may be connected to the terminal connected to a pair of the input switches of one of the other two primary windings, such that the three primary windings are connected together in a triangular arrangement (see Figures 3 and 5).
Genauso können die drei Anschlüsse der drei Sekundärwicklungen u, v und w zu einem Sternpunkt 18 zusammengeschaltet werden (vgl. Figur 3 und 6). Alternativ hierzu kann jeder dieser Anschlüsse mit dem - mit einem Paar der Likewise, the three terminals of the three secondary windings u, v and w can be connected together to form a neutral point 18 (compare FIGS. 3 and 6). Alternatively, each of these connections with the - with a pair of
Ausgangsschalter verbundenen - Anschluss von einer der beiden anderen Sekundärwicklungen verbunden sein, derart, dass die drei Sekundärwicklungen zu einer dreieckförmigen Anordnung zusammengeschaltet sind (vgl. Figur 4 und 5). Output switch connected - be connected connection of one of the other two secondary windings, such that the three secondary windings are interconnected to form a triangular arrangement (see Figures 4 and 5).
Die sternförmige Schaltung bezeichnet man mit Y, die dreieckförmige mit D. Demgemäß können Ausführungsvarianten der Erfindung eine YD-, eine DY-, eine YY- oder eine DD-Architektur aufweisen. The star-shaped circuit is denoted by Y, the triangular by D. Accordingly, embodiments of the invention may have a YD, a DY, a YY or a DD architecture.
Der Primärkreis weist in einer Ausführungsart Induktivitäten auf, zu denen besondere Resonanzinduktivitäten 17, 17' und 17" gehören können, die zu Anpassungszwecken ergänzt werden. Zudem existieren parasitäre Kapazitäten wie die der Eingangsschalter 11, 11'; 12, 12'; 13 und 13'. Diese Kapazitäten und Induktivitäten bilden Resonanzkreise. Die Steuereinrichtung 5 kann dann so ausgelegt sein und periodisch mit einer solchen Frequenz betrieben werden, dass diese Resonanzkreise im stationären Betrieb Nullstellen für Strom und Spannung aufweisen, und das Verbinden und Trennen der Verbindung der Primärwicklungen U, V, W mit den Eingangsanschlüssen Ui erfolgt resonant an diesen Nullstellen, und zwar das Verbinden bei der Spannung Null und das Trennen beim Strom Null. Der Primärkreis wird bei dieser Art der Steuerung also „weich" ein- und ausgeschaltet. The primary circuit, in one embodiment, includes inductors, which may include particular resonant inductances 17, 17 'and 17 "that are supplemented for matching purposes, and parasitic capacitances such as the input switches 11, 11', 12, 12 ', 13 and 13 The control means 5 may then be designed and periodically operated at a frequency such that these steady state resonant circuits have zero current and voltage, and connecting and disconnecting Primary windings U, V, W with the input terminals Ui are resonant at these zeroes, namely the zero voltage connection and the zero current isolation. The primary circuit is thus "soft" switched on and off in this type of control.
In dieser Ausführungsart kann das Verbinden der Sekundärwicklungen u, v und w mit den Ausgangsanschlüssen U2 zu denselben Zeitpunkten wie das In this embodiment, connecting the secondary windings u, v and w to the output terminals U 2 at the same times as that
Verbinden mit den Eingangsanschlüssen und damit ebenfalls„weich" erfolgen. Nur das Trennen der Sekundärwicklungen u, v, w von den Ausgangsanschlüssen U2 erfolgt in Abhängigkeit von einem Signal 7 für Höhe der Last und ist daher „hart". Dabei kann dieses Signal 7 durch das gemittelte Produkt der Only the secondary windings u, v, w are disconnected from the output terminals U 2 as a function of a signal 7 for the height of the load and is therefore "hard". In this case, this signal 7 by the averaged product of
Ausgangsspannung mit dem Spannungsabfall an einem Messwiderstand (als Maß für den abgegebeenen Strom) gebildet werden. Output voltage with the voltage drop across a measuring resistor (as a measure of the given current) are formed.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung 5 derart ausgebildet, dass der Zeitpunkt des Trennens der Verbindung der Primärwicklungen U, V, W von den Eingangsanschlüssen Ui durch die Höhe der Last entsprechend dem Signal 7 bestimmt ist und daher„hart" erfolgt, und wobei das Verbinden und Trennen der Verbindung der Sekundärwicklungen u, v und w mit den Ausgangsanschlüssen U2 gleichzeitig mit dem Verbinden und Tennen der Verbindung der Primärwicklungen U, V und W mit den Eingangsanschlüssen Ui und damit„weich" erfolgen kann. Diese Betriebsart wird als PWM (Puls- Weiten-Modulation) bezeichnet. In another embodiment of the invention, the control device 5 is designed such that the time of disconnecting the connection of the primary windings U, V, W from the input terminals Ui is determined by the height of the load corresponding to the signal 7 and therefore "hard" occurs, and wherein the connection and disconnection of the connection of the secondary windings u, v and w with the output terminals U 2 can take place simultaneously with the connection and disconnection of the primary windings U, V and W with the input terminals Ui and thus "soft". This mode is referred to as PWM (Pulse Width Modulation).
Die Steuereinrichtung 5 kann einen Mikroprozessor aufweisen und derart ausgebildet sein, dass das Betätigen der elektronischen Schalter durch die den Mikroprozessor steuernde Software vorgegeben wird. The control device 5 may have a microprocessor and be designed such that the actuation of the electronic switches is predetermined by the software controlling the microprocessor.
Die Steuereinrichtung 5 kann dabei so ausgebildet sein, dass die The control device 5 can be designed so that the
Transformatorfrequenz des Transformators 1 die dreifache Schaltfrequenz der Eingangsschalter 11, 11'; 12, 12'; 13, 13' beträgt und die sich an den Transformer frequency of the transformer 1, the triple switching frequency of the input switches 11, 11 '; 12, 12 '; 13, 13 'amounts to and to the
Ausgangsanschlüssen U2 bildenden Rippel die sechsfache Frequenz aufweisen. Mit der Höhe dieser Frequenz verringert sich die Länge der Zeitdauer, während der bei gegebener Last der Transformator keinen Strom abgibt und der Ausgang aus der im Siebglied 6 und 6' gespeicherten Energie versorgt werden muss, wobei die Ausgangsspannung etwas absinkt. Damit verringert sich auch die Amplitude der Rippel. Output terminals U 2 forming ripples have six times the frequency. With the level of this frequency, the length of the time duration during which, given a given load, the transformer does not give off any current and the output must be supplied from the energy stored in the sieve member 6 and 6 ', the output voltage drops slightly. This also reduces the amplitude of the ripples.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Dreiphasiger Gleichspannungswandler, umfassend: 1. Three-phase DC-DC converter, comprising:
• ein Paar Eingangsanschlüsse (Ui) für eine Eingangs-Gleichspannung, • a pair of input terminals (Ui) for an input DC voltage,
• ein Paar Ausgangsanschlüsse (U2) für eine Ausgangs-Gleichspannung, • a pair of output connections (U 2 ) for an output direct voltage,
• einen dreiphasigen Transformator (1), umfassend zumindest drei Schenkel (2, 2', • a three-phase transformer (1), comprising at least three legs (2, 2',
2"), wobei jeder der Schenkel von zumindest einer Primärwicklung (U, V, W) und einer Sekundärwicklung (u, v, w) umgeben ist, die in Planartechnik als Leiterbahnen auf einem Substrat 2"), each of the legs being surrounded by at least one primary winding (U, V, W) and one secondary winding (u, v, w), which are used in planar technology as conductor tracks on a substrate
(3) um den zugehörigen Schenkel geführt werden, und wobei gemeinsame Joche (4, (3) are guided around the associated leg, and with common yokes (4,
4') die magnetischen Kreise über die jeweils anderen Schenkel schließen, 4') close the magnetic circuits over the other legs,
• eine elektronische Steuereinrichtung (5), die dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von elektronischen Schaltern (11, 11'; 12, 12'; 13, 13'; 14, 14'; 15, 15'; 16, 16') in Abhängigkeit von der an den • an electronic control device (5) which is designed to control a plurality of electronic switches (11, 11'; 12, 12'; 13, 13'; 14, 14'; 15, 15'; 16, 16'). Dependence on the
Ausgangsanschlüssen (U2) abgegebenen elektrischen Leistung periodisch anzusteuern, to periodically control the electrical power delivered from the output connections (U 2 ),
• drei Paare von elektronischen Eingangsschaltern (11, 11'; 12, 12'; 13, 13'), die derart die Eingangsanschlüsse (Ui) mit den • three pairs of electronic input switches (11, 11'; 12, 12'; 13, 13'), which connect the input connections (Ui) with the
Primärwicklungen (U, V, W) verbinden, dass, gesteuert durch die Steuereinrichtung (5), jeweils ein Anschluss jeder der drei Primärwicklungen (U, V, W) mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Eingangsanschlüsse (Ui) verbunden werden kann, Connect primary windings (U, V, W) so that, controlled by the control device (5), one connection of each of the three primary windings (U, V, W) can be connected to the positive pole or to the negative pole of the input connections (Ui),
• drei Paare von Ausgangsschaltern (14, 14'; 15, 15'; 16, 16'), die derart die Ausgangsanschlüsse (U2) über ein Siebglied (6, 6') mit den Sekundärwicklungen (u, v, w) verbinden, dass, gesteuert durch die Steuereinrichtung • three pairs of output switches (14, 14'; 15, 15'; 16, 16'), which thus connect the output connections (U 2 ) to the secondary windings (u, v, w) via a filter element (6, 6'). that, controlled by the control device
(5), jeweils ein Anschluss jeder der drei Sekundärwicklungen (u, v, w) mit dem Pluspol oder mit dem Minuspol der Ausgangsanschlüsse (U2) verbunden werden kann, (5), one connection of each of the three secondary windings (u, v, w) can be connected to the positive pole or to the negative pole of the output connections (U 2 ),
• wobei das Siebglied (6, • where the sieve element (6,
6') dafür ausgelegt ist, Rippel der an den 6') is designed to have ripples on the
Ausgangsanschluss (U2) abgegebenen Leistung zu glätten. Dreiphasiger Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, wobei die jeweils anderen Enden der drei Primärwicklungen (U, V, W) zu einen Sternpunkt (17) zusammengeschaltet sind. Output connection (U 2 ) to smooth output power. Three-phase DC-DC converter according to claim 1, wherein the other ends of the three primary windings (U, V, W) are connected together to form a star point (17).
Dreiphasiger Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, wobei die jeweils anderen Enden der drei Primärwicklungen (U, V, W) mit dem mit einem Paar der Eingangsschalter (11, 11'; 12, 12'; 13, 13') verbundenen Anschluss einer anderen Wicklung verbunden ist, derart, dass die Primärwicklungen (U, V, W) zu einer dreieckförmigen Anordnung zusammengeschaltet sind. A three-phase DC-DC converter according to claim 1, wherein the other ends of the three primary windings (U, V, W) are connected to the terminal of another winding connected to a pair of the input switches (11, 11'; 12, 12'; 13, 13'). is, such that the primary windings (U, V, W) are connected together to form a triangular arrangement.
Dreiphasiger Gleichspannungswandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei die jeweils anderen Enden der drei Sekundärwicklungen (u, v, w) zu einen Sternpunkt (18) zusammengeschaltet sind (YY- bzw. DY-Schaltung). Three-phase DC-DC converter according to claim 2 or 3, wherein the other ends of the three secondary windings (u, v, w) are connected together to form a star point (18) (YY or DY circuit).
Dreiphasiger Gleichspannungswandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei die jeweils anderen Enden der drei Sekundärwicklungen (u, v, w) jeweils mit dem mit einem Paar der Ausgangsschalter (14, 14'; 15, 15'; 16, 16'), verbundenen Anschluss einer anderen Wicklung verbunden ist, derart, dass die A three-phase DC-DC converter according to claim 2 or 3, wherein the other ends of the three secondary windings (u, v, w) are each connected to the terminal connected to a pair of the output switches (14, 14'; 15, 15'; 16, 16'). is connected to another winding, such that the
Sekundärwicklungen (u, v, w) zu einer dreieckförmigen Anordnung zusammengeschaltet sind (YD- bzw. DD-Schaltung). Secondary windings (u, v, w) are connected together to form a triangular arrangement (YD or DD circuit).
Dreiphasiger Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (5) dafür ausgelegt ist und periodisch mit einer solchen Frequenz betrieben wird, Three-phase DC-DC converter according to one of claims 2 to 5, wherein the control device (5) is designed and is periodically operated at such a frequency,
• dass die aus den Induktivitäten (U, V, W, 17,17', 17") im Primärkreis und aus den parasitären Kapazitäten der Eingangsschalter (11, 11'; 12, 12'; 13, 13') gebildeten Resonanzkreise im stationären Betrieb Nullstellen für Strom und Spannung aufweisen und das Verbinden und Trennen der Verbindung der Primärwicklungen (U, V, W) mit den Eingangsanschlüssen (Ui) resonant an diesen Nullstellen erfolgt, • that the resonance circuits formed from the inductances (U, V, W, 17, 17', 17") in the primary circuit and from the parasitic capacitances of the input switches (11, 11'; 12, 12'; 13, 13') in the stationary circuit Operation have zero points for current and voltage and the connection and disconnection of the primary windings (U, V, W) with the input connections (Ui) takes place resonantly at these zero points,
• dass das Verbinden der Sekundärwicklungen (u, v, w) mit den • that connecting the secondary windings (u, v, w) to the
Ausgangsanschlüsse (U2) zu denselben Zeiten erfolgt, • und dass das Trennen der Sekundärwicklungen (u, v, w) von den Ausgangsanschlüsse (U2) durch ein Signal (7) für Höhe der Last bestimmt ist. Output connections (U 2 ) occur at the same times, • and that the separation of the secondary windings (u, v, w) from the output connections (U 2 ) is determined by a signal (7) for the height of the load.
7. Dreiphasiger Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (5) derart ausgebildet ist, dass der Zeitpunkt des Trennens der Verbindung der Primärwicklungen (U, V, W) mit den 7. Three-phase DC-DC converter according to one of claims 1 to 5, wherein the control device (5) is designed such that the time of disconnection of the primary windings (U, V, W) with the
Eingangsanschlüssen (Ui) durch die Höhe der Last bestimmt ist, und wobei das Verbinden und Trennen der Verbindung der Sekundärwicklungen (u, v, w) mit den Ausgangsanschlüssen (U2) gleichzeitig mit dem Verbinden und Trennen der Verbindung der Primärwicklungen (U, V, W) mit den Input connections (Ui) is determined by the level of the load, and the connection and disconnection of the secondary windings (u, v, w) with the output connections (U 2 ) simultaneously with the connection and disconnection of the primary windings (U, V , W) with the
Eingangsanschlüssen (Ui) erfolgt. input connections (Ui).
8. Dreiphasiger Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinrichtung (5) einen Mikroprozessor aufweist und derart ausgebildet ist, dass das Betätigen der elektronischen Schalter (11, 11'; 12, 12'; 13, 13'; 14, 14'; 15, 15'; 16, 16') durch die den Mikroprozessor steuernde Software vorgegeben ist. 8. Three-phase DC-DC converter according to one of claims 1 to 7, wherein the control device (5) has a microprocessor and is designed such that the actuation of the electronic switches (11, 11 '; 12, 12'; 13, 13'; 14, 14'; 15, 15'; 16, 16') is specified by the software controlling the microprocessor.
9. Dreiphasiger Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuereinrichtung (5) so ausgebildet ist, dass die 9. Three-phase DC-DC converter according to one of claims 1 to 8, wherein the control device (5) is designed so that the
Transformatorfrequenz die dreifache Schaltfrequenz der Eingangsschalter (11, 11'; 12, 12'; 13, 13') beträgt und die sich an den Ausgangsanschlüssen (U2) bildenden Rippel die sechsfache Frequenz aufweisen. Transformer frequency is three times the switching frequency of the input switches (11, 11'; 12, 12'; 13, 13') and the ripples forming at the output connections (U 2 ) have six times the frequency.
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