WO2020070167A1 - Multi-phase, electrically isolated dc-to-dc converter - Google Patents

Multi-phase, electrically isolated dc-to-dc converter

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WO2020070167A1
WO2020070167A1 PCT/EP2019/076657 EP2019076657W WO2020070167A1 WO 2020070167 A1 WO2020070167 A1 WO 2020070167A1 EP 2019076657 W EP2019076657 W EP 2019076657W WO 2020070167 A1 WO2020070167 A1 WO 2020070167A1
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voltage
converter
bridge
rectifier
primary
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PCT/EP2019/076657
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German (de)
French (fr)
Inventor
Florian KRISMER
Johann Walter Kolar
Julian Marius BÖHLER
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Egston Power Electronics Gmbh
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    • 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
    • H02M3/33561Conversion 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 more than one ouput with independent control
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    • 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
    • H02M3/33584Bidirectional converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • 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 the field of electronic converters, in particular a floating DC voltage converter for generating a plurality of floating DC voltages.
  • m The number of internal DC voltage connections to be supplied is referred to below as m, m> 1.
  • m DC converters each with a potential-isolated DC voltage connection, supply the m system-internal DC voltage connections, i.e. for 1 ⁇ k ⁇ m: the plus connection of the c-th electrically isolated DC voltage connection is connected to the plus connection of the / c-th system-internal DC voltage connection and the minus connection of the / c-th electrically isolated DC voltage connection is connected to the minus connection of the kth internal DC voltage connection.
  • the DC voltage converters, each with a potential-isolated DC voltage connection perform three functions: o the stabilization of the voltages present between the plus and minus connections of the isolated DC voltage connections,
  • the multi-phase DC voltage converter (10) has a non-electrically isolated DC voltage connection on the primary side and m electrically isolated DC voltage connections on the secondary side. Between the non-isolated DC voltage connection and the isolated DC voltage connections, the multi-phase DC voltage converter has a bidirectional high-frequency inverter circuit (RF inverter) 1, m high-frequency transformers (RF transformers) 3, m primary-side high-frequency networks (primary-side RF networks), secondary RF (secondary networks) Networks)
  • RF inverter RF inverter
  • RF transformers m high-frequency transformers
  • secondary RF secondary networks
  • the HF inverter consists of m half bridges 11, each with two circuit breakers, each with the parallel connection of an actual switching element and an anti-parallel diode (if, for example, a MOSFET as a circuit breaker is used, the anti-parallel diode is already present due to the internal semiconductor structure of the MOSFET).
  • the two circuit breakers of each half-bridge are connected in series so that the anode of the anti-parallel diode in the first circuit breaker is connected to the cathode of the anti-parallel diode in the second circuit breaker.
  • This series connection thus provides three connections: a switching voltage connection of the half bridge, a plus connection of the half bridge and a minus connection of the half bridge.
  • the switching voltage connection of the half bridge is between the series circuit breakers, the plus connection of the half bridge is at the cathode of the anti-parallel diode of the first circuit breaker and the minus connection of the half bridge is at the anode of the anti-parallel diode of the second circuit breaker.
  • the plus connections of all m half bridges of the HF inverter are connected to the plus connection of the non-isolated DC voltage connection.
  • the minus connections of all m half bridges of the HF inverter are connected to the minus connection of the non-isolated DC voltage connection.
  • the HF inverter has at least one DC link capacitor on the input side, having a plus and a minus connection.
  • the positive connection of the DC link capacitor on the input side is connected to the positive connection of the non-isolated DC voltage connection and the negative connection of the DC link capacitor on the input side is connected to the negative connection of the non-isolated DC voltage connection.
  • the voltage Up is present between the plus and minus connections of the non-electrically isolated direct voltage connection.
  • Each of the m HF rectifiers consists of two half bridges 51, 52, which are interconnected as full bridges as follows: the plus connections of the two half bridges of the / c-th HF rectifier, 1 ⁇ k ⁇ m, are connected to the plus connection of the k th isolated DC connection. The minus connections of the two half bridges 51, 52 of the k-th HF rectifier, 1 ⁇ k ⁇ m, are connected to the minus connection of the k-th isolated DC voltage connection.
  • Each HF rectifier has at least one intermediate circuit capacitor on the output side, having a plus and a minus connection.
  • the plus connection of the output-side DC link capacitor of the k-th HF rectifier is connected to the plus connection of the k-th electrically isolated DC voltage connection, and the minus connection of the output-side DC link capacitor of the k-th HF rectifier is connected to the minus connection of the k-th isolated DC voltage connection.
  • An output current of the k-th secondary-side RF rectifier is defined as the mean value of the current rectified by the k-th secondary-side RF rectifier, which is used at its electrically isolated DC voltage connection, e.g. to supply a system-internal DC voltage connection or to charge the output side connected there Gen DC link capacitor is available.
  • the voltage Uk, s is present between the plus and minus connections of the th-isolated DC voltage connection.
  • Each of the m HF transformers has a primary-side winding, having two primary-side transformer connections, and a secondary-side winding, having two secondary-side transformer connections.
  • each HF transformer can have a magnetic core
  • the primary and secondary RF networks are networks with passive components, e.g. Inductors and / or capacitors. Each of the primary and secondary RF networks has a first and a second input terminal and a first and a second output terminal. Examples of practically frequently used RF networks are:
  • Each primary RF network a capacitor connects the first input terminal to the first output terminal; the second input terminal is connected directly to the second output terminal.
  • the capacitor serves to keep DC voltage components possibly generated by the circuit breakers away from the connected HF transformers.
  • This RF network is referred to as an RF capacitor network.
  • Each secondary-side RF network a series resonant circuit consisting of coil and capacitor connects the first input terminal to the first output terminal; the second input terminal is connected directly to the second output terminal.
  • the series resonant circuit is used to adapt the portable power.
  • the capacitor also serves to keep any DC voltage components generated by the circuit breakers away from the connected HF transformer.
  • This RF network is referred to as an RF series resonant circuit network.
  • the capacitance of the capacitor of the series resonant circuit is chosen so large that this capacitor only keeps the DC voltage components away from the connected HF transformer, but is not effective for adapting the transmissible power.
  • the voltage and current profiles shown in the exemplary embodiments are based on this case.
  • the HF networks can be fully or partially integrated into the HF transformers (for example, the leakage inductance of the k-th HF transformer can be part or all of the inductance of the coil of the series resonant circuit of the k-th secondary-side HF network realize).
  • RF inverters, primary-side RF networks, RF transformers, secondary-side RF networks and RF rectifiers are connected as follows.
  • the first primary-side transformer connection of the first H FT transformer is connected to the first output terminal of the first primary-side HF network
  • the first input terminal of the first primary-side HF network is connected to the switching voltage connection of the first half bridge of the HF inverter
  • the second primary-side Transformer connection of the first RF transformer is connected to the second output terminal of the first primary-side RF network
  • the second input terminal of the first primary-side RF network is connected to the first input terminal of the second primary-side RF network.
  • the first transformer connection of the kth RF transformer on the primary side is the one with the first output terminal of the k-th primary-side RF network
  • the first input terminal of the k-th primary-side RF network is connected to the switching voltage connection of the k-th half-bridge of the RF inverter
  • the second primary-side transformer connection of the k-th HF-T transformer is connected to the second output terminal of the k-th primary-side RF network.
  • the second input terminal of the k-th primary-side RF network is connected to the first input terminal of the (k + 1) -th primary-side RF network.
  • the second input terminal of the m th primary-side RF network is connected to the first input terminal of the first primary-side RF network.
  • the first secondary-side transformer connection of the kth HF transformer is connected to the first input terminal of the k-th secondary-side RF network connected
  • the second secondary-side transformer connection of the Zi-th RF transformer is connected to the second input terminal of the Zc-th secondary-side RF network
  • the first output terminal of the Zc-th secondary-side RF network is connected to the switching voltage connection of the first half-bridge of the Zc-th HF rectifier
  • the second output terminal of the Zc-th secondary-side HF network is connected to the switching voltage connection of the second half-bridge of the Zc-th HF rectifier.
  • the regulation of the electrical power delivered or consumed at the isolated DC voltage connections takes place via the suitable control of all half bridges.
  • Each half-bridge is controlled on the one hand via a control signal of the half-bridge and on the other hand via an activation signal of the half-bridge.
  • the control signal of the half bridge denotes a signal for switching the voltage at the switching voltage connection of the half bridge.
  • the control signal of the half-bridge is rectangular and can have the values 0 or 1: 0 means that the switches of the half-bridge are switched so that the switching voltage connection of the half-bridge is connected to the minus connection of the half-bridge and 1 means that the switches of the half-bridge are switched in this way are that the switching voltage connection of the half bridge is connected to the positive connection of the half bridge.
  • the activation signal of the half-bridge designates a signal for activating the circuit-breakers of the half-bridge and can take the values 0 or 1: 0 means that, regardless of the value of the control signal of the half-bridge, all circuit breakers of the assigned half-bridge are switched off and only the anti-parallel diodes of the circuit breakers are effective and 1 means that the control signal of the half-bridge determines the voltage at the switching voltage connection of the half-bridge.
  • a possible object of the present invention is to create a multiphase DC voltage converter which allows a comprehensive use of the possibilities inherent in it.
  • Another possible object is to create a multi-phase DC converter that improves the operation of the considered multi-phase DC converter.
  • Another possible task is to create a multi-phase DC voltage converter which, with a constant number of DC voltage connections to be supplied, m achieves a reduction in the required circuit breakers and thus a reduction in circuit complexity.
  • the considered multi-phase DC voltage converter has m half bridges of the HF inverter and 2 m half bridges of the HF rectifiers and therefore 3 m control signals, whereby one switching period denotes the period of the control signal of the half bridge and has the same value for the control signals of all half bridges.
  • 9 m degrees of freedom of control for the regulation of the electrical powers present at the electrically isolated DC voltage connections see FIGS. 2 and 3:
  • a duty cycle of the control signal denoting the relative duration of the value 1 of the control signal in relation to the duration of the switching period, and the duty cycle can therefore assume values between 0 and 1.
  • the control signal of the k-th half-bridge of the HF inverter 1 is designated S k .p
  • the control signal of the first half-bridge 51 of the k-th HF rectifier 5 is Sak
  • the duty cycle of the control signal of the k-th half-bridge of the HF inverter 1 is denoted by d k .p, the duty cycle of the control signal of the first half-bridge 51 of the k-th HF Rectifier 5 with dak.s and the duty cycle of the control signal of the second half bridge 52 of the / c-th HF rectifier 5 with d «c, s
  • each phase relationship is characterized by the phase angle Ok, which is present between the rising edge of the control signal of the first half bridge of the HF inverter 1 and the / c-th half bridge of the HF inverter.
  • ßak denotes the phase angle between the rising edge of the control signal of the first half-bridge of the HF inverter (si, P ) and the rising edge of the control signal of the first half-bridge 51 of / c-th HF rectifier (Sa k .s);
  • ⁇ b k denotes the phase angle between the rising edge of the control signal si, P and the rising edge of the control signal of the second half bridge 52 of the / c-th HF rectifier (Sbk, s).
  • the voltage u m, 1, P u m, p - ui, P is present between the first and the second input terminal of the m-th HF network.
  • the voltage Uk, s Uak.s - Ubk, s is present between the first and second secondary-side output terminals of the k-th RF network.
  • the implementations of the primary and secondary RF networks and the selected transmission ratios of the RF transformers determine the temporal courses of the primary and secondary windings of the RF transformers Currents and, subsequently, the electrical power output or consumed at the isolated DC voltage connections.
  • an improvement goal can be defined, e.g. a mathematical optimization criterion (e.g. being the sum of all master losses or the sum of all losses occurring in the multi-phase DC voltage converter) or a practical goal (starting up the converter with limited output current).
  • a mathematical optimization criterion e.g. being the sum of all master losses or the sum of all losses occurring in the multi-phase DC voltage converter
  • a practical goal starting up the converter with limited output current.
  • an optimization algorithm suitable for the search for a global optimum which varies the degrees of freedom of the control in such a way that, assuming stationary operation at a given operating point, as a result optimization results in the values of the degrees of freedom of the control required to meet the optimization criterion.
  • the operating point is defined by:
  • the stationary operation of the multiphase DC converter under consideration is characterized by constant values of all voltages and powers of the operating point.
  • the multi-phase, isolated DC voltage converter is used to exchange electrical energy between a primary-side DC voltage connection and m secondary-side isolated DC voltage connections. It has the following subunits:
  • control of the subunits which is designed to determine control parameters, corresponding to degrees of freedom of the control, and to adapt them to an operating state of the DC voltage converter during operation of the DC voltage converter, wherein the control parameters that can be adjusted during operation include at least one for 1 ⁇ k ⁇ m: d k .p Duty cycle of the control signal of the kth half-bridge of the HF inverter; since k .s duty cycle of the control signal of the first half bridge of the k-th HF rectifier; dbk.s duty cycle of the control signal of the second half bridge of the k-th HF rectifier; ctk phase angle between the rising edge of the control signal of the first half-bridge of the HF inverter and the k-th half-bridge of the HF inverter; ßak phase angle between the rising edge of the control signal of the first half bridge of the HF inverter (si, P ) and the rising edge of the control signal of the
  • the subunits are each designed for a bidirectional power flow.
  • control parameters that can be adjusted during operation additionally include at least one of the following two control parameters: Ts (switching period) and activation signals of the half-bridges.
  • the controller is designed to minimize conduction losses
  • phase angles and phase angle differences run according to Table 1.
  • the controller is designed to set the activation signals in an operating mode for starting up the DC voltage converter as follows, where 1 ⁇ k ⁇ m:
  • o the activation signals of all half bridges of the HF inverter are 1 and o the activation signals of all half bridges of the HF rectifiers are 0, i.e. all HF rectifiers are operated as diode rectifiers and accordingly, ßak and ßbk are naturally set depending on the operating point.
  • the control method for starting up the multi-phase DC voltage converter with limited output current is based on the fact that the simplified control method and the control method described above for minimal conduction losses during the startup of the multi-phase DC voltage converter due to the charging of the connected to the electrically isolated DC voltage connections.
  • a simultaneous reduction of the rms values of the currents in all power semiconductors and in all HF transformers can be achieved if, through suitable measures, a substantial reduction in the rms values of the voltages present between the first and second input terminals of all primary-side HF networks down to values is reached close to zero, which can be achieved due to the concatenation of the voltages present between the first and second input terminals of the primary-side RF networks, if the duty cycle of the control signals of the half-bridges of the RF inverter deviate from 50%, ie d k .p F 50% for 1 ⁇ k ⁇ m.
  • a simplification in the control, with simultaneous partial decoupling of the individual phases of the multiphase DC converter is also achieved with the following condition:
  • d k, P di P , ie the duty cycles of the separate DC voltage connections are the same. This is useful for symmetrical loads.
  • the pulse duty factor d k, p is adapted to control an output current of a k-th secondary-side HF rectifier.
  • the controller is designed to set the control parameters as follows in the case of operation with low powers, where 1 ⁇ k ⁇ m:
  • the controller is designed to set one or more of the further control parameters when operating at low powers, as follows, where at 1 ⁇ k ⁇ m:
  • the controller has chosen to set the control parameters according to one of the following three variants in the case of operation with low powers, where 1 ⁇ k ⁇ m: first variant:
  • the controller is designed to determine the control parameters that can be adjusted during operation in a mode of operation of the multiphase DC voltage converter, referred to as half-cycle dis-continuous conduction mode, hereinafter referred to as HC-DCM, so that at least one control parameter can be determined
  • Element of the primary-side RF networks and / or the secondary-side RF networks forms a current characteristic characteristic of HC-DCM. In particular, this can be the current profile of an input or output current of the relevant RF network.
  • An operating mode of the multi-phase DC voltage converter known as half-cycle discontinuous conduction mode (HC-DCM) is used, for example, to ensure that, during operation with a given voltage at the DC voltage connection of the HF converter, largely load-independent voltages at the electrically isolated DC voltage connections of the HF rectifiers to adjust.
  • HC-DCM half-cycle discontinuous conduction mode
  • Such characteristic curves for operation with HC-DCM can be set at the outputs of one or more of the secondary-side HF networks.
  • a vanishing current means a current value that is essentially zero. In particular, it is significantly smaller than an extremum of the same current profile over a half period. For example, the amount is less than a twentieth or less than a fiftieth or less than a hundredth of the maximum current value (a positive half-wave) or the amount of the minimum current value (a negative half-wave) of the half-period.
  • the time intervals with vanishing current have a duration of, for example, at least one twentieth, in particular at least one tenth, of the duration of a half period of the corresponding current profile.
  • the controller is designed to set the control parameters that can be adjusted during operation in the HC-DCM, where 1 ⁇ k ⁇ m:
  • the input current of an HF rectifier is defined as a current flowing through the switching voltage connections of the HF rectifier on the AC voltage side;
  • the half-bridges of the HF rectifiers are thus with a duty cycle of 50%; operated, switching operations taking place only when half-bridges are activated.
  • the input current of an RF rectifier is equal to the output current of the connected secondary RF network. It flows into the switching voltage connection or midpoint connection of one of the half bridges and out of the switching voltage connection of the other half bridge of the HF rectifier.
  • HF inverter in order to form a current profile characteristic of HC-DCM at the output of at least one of the secondary-side HF networks, some or all of them Switch of at least one HF rectifier connected to it deactivated.
  • diodes present in parallel with the deactivated switches allow a natural commutation process.
  • HF inverter when transmitting energy from the HF rectifiers to the HF inverter, to form a current characteristic characteristic of HC-DCM at the input of at least one of the primary-side FIF networks, individual or all switches of the HF inverter connected to it are deactivated.
  • diodes present in parallel with the deactivated switches allow a natural commutation process.
  • a loss reduction by synchronous rectification can thus be realized during this deactivation time.
  • m 3 electrically isolated DC voltage connections on the secondary side, and the control is designed so that, in HC-DCM operation of the resonance DC voltage converter with a given voltage at the DC voltage connection of the HF inverter, essentially load-independent voltages are established at the electrically isolated DC voltage connections of the HF rectifiers.
  • the HF rectifiers each have a first half bridge with circuit breakers and a second half bridge with capacitors.
  • the HF transformer arrangement has m individual HF transformers and, in particular, windings of these HF transformers on the primary side form a delta connection or a star connection or can be switched between a star and delta connection. This means that a phase-modular converter can be implemented.
  • the RF transformers each have two secondary windings, and the secondary windings of all RF transformers form a zigzag circuit.
  • the RF transformer arrangement has a multi-phase RF transformer with m phases. This means that a phase-integrated converter can be implemented.
  • Fig. 1 Circuit diagram of a DC voltage supply with several electrically isolated outputs.
  • Fig. 5 embodiment of a three-phase DC voltage supply.
  • Up 700 V
  • the improvement achieved is typically in the range between 5% and 20%.
  • Fig. 13 (a) Simulated voltage and current profiles with the simplified control method and (b) the control method for minimum conduction losses of the multi-phase DC converter.
  • Fig. 15 Simulated voltage and current profiles using the control method for starting up the multi-phase DC-DC converter with limited output current during the start-up process.
  • Fig. 17 Simulated voltage and current curves for operation with low powers at all electrically isolated DC voltage connections of the multi-phase DC voltage converter.
  • Fig. 18 Multi-phase DC half-bridge converter.
  • Fig. 19 Version as a multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary star connection.
  • Fig. 20 Execution as a multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag connection.
  • Fig. 21 Execution as a multi-phase switchable DC voltage half-bridge converter.
  • Fig. 22 Circuit variant with a multi-phase RF transformer.
  • the first embodiment of the control method realizes minimal Leitver losses of the multi-phase DC converter
  • the second embodiment of the control method enables starting up the multi-phase DC converter with limited output current
  • the third embodiment operation with low power at the isolated DC voltage connections of the multi-phase DC converter.
  • the principle of operation of the converter is that it can be controlled and regulated by connecting voltages from external or internal sources, typically capacitors, to the inductors. There are voltage differences that drive the currents in the inductors. The currents in turn can change the voltages of capacitances or flow into an input or an output.
  • a control system can determine currents for correcting these voltages on the basis of desired output voltages and actually existing voltages on output capacitances, and in turn voltages that must be connected to the inductors in order to generate these currents.
  • a voltage or power occurring at an output or input during operation of the converter can be related to a corresponding maximum voltage or power.
  • the control method is typically implemented using a control unit, the control method being permanently implemented or being carried out by a program-controlled microprocessor.
  • Input variables for the control process originate in particular from voltage measurements and current measurements, output variables are switching signals for the switches.
  • the control unit can be set up to implement two or more of the subsequently presented operating modes of the direct voltage converter and to switch between them.
  • control method for minimal conduction losses of the multiphase DC converter uses, for technical reasons, duty cycles of 50%, constant switching periods and permanently activated half bridges:
  • the activation signals of all half bridges are 1, to ensure bidirectional power operation, i.e. Feeding and regenerating electrical energy, at all m isolated DC connections.
  • k the effective value of the current in the primary-side winding of the k-th HF transformer and R k represents an equivalent resistance, for calculating the conductance losses in the part of the multiphase DC converter that is to be assigned to the k-th HF transformer.
  • a simulation of the behavior of the converter can be carried out in a manner known per se. Certain control parameters can be specified and others can be varied as part of the optimization. For example, voltages, currents and powers are calculated in the simulation, and from this a target function that serves as an optimization criterion.
  • the resulting control characteristics of the control method for minimal Leitver losses of the multi-phase DC converter include the values of the degrees of freedom available for its optimization, ie the values of ak, ßak and ß k for 1 ⁇ k ⁇ m, depending on the operating point.
  • the optimal values for%, ßak and ßbk, 1 ⁇ k ⁇ m no closed solutions or equations can be found, therefore numerical solution methods are used.
  • lookup tables are preferably used for technical reasons, i.e.
  • the optimized values for Of f c, ßak and ßbk, 1 ⁇ k ⁇ m are determined in advance calculated, stored in the lookup tables and approved and applied by the controlling or regulating system of the multi-phase DC voltage converter by means of interpolation for the current operating point.
  • the primary-side RF networks are realized by HF capacitor networks and the secondary-side RF networks by RF series resonant circuit networks, the inductance of the kth RF series resonant circuit network being designated Lk (1 ⁇ k ⁇ m) and the capacitances of the capacitors of all HF networks are chosen so large that these capacitors only keep the DC components away from the HF transformers, but have no notable effects on the current profiles in the windings of the HF transformers,
  • the embodiment of the control method for starting up the multiphase DC voltage converter with limited output current is based on the fact that the simplified control method and the above-described control method for minimal conduction losses during startup of the multiphase DC voltage converter, due to the charging of the intermediate circuit capacitors connected to the isolated DC voltage connections , cause very high currents in all power semiconductors and in all HF transformers of the multiphase DC converter under consideration.
  • control method for starting up the multiphase DC converter with limited output current is characterized by the following definitions, where 1 ⁇ k ⁇ m:
  • o the activation signals of all half-bridges of the HF inverter are 1 and o the activation signals of all half-bridges of the HF rectifiers are 0, i.e. all HF rectifiers are operated as diode rectifiers and accordingly ßa k and ßb k are naturally set depending on the operating point.
  • the primary-side duty cycles can be set the same:
  • the duty cycle d k, P and the switching period Ts remain as degrees of freedom. Given the value for Ts, d k, p is selected such that this secondary RF rectifier makes sense or is based on provide the currents required to charge the output capacitors.
  • the switching period can be set so that a desired goal, for example minimal losses, is achieved in the present operating point.
  • the following applies for 1 ⁇ k ⁇ m: the curves of di, P are shown as a function of the output current of the / c-th secondary rectifier and for different values of 14, s ⁇ 0, 200 V, 400 V, 600 V ⁇ .
  • the embodiment of the control method for the operation with low powers at all electrically isolated DC voltage connections of the multi-phase DC voltage converter is based on the fact that with low output powers it is advantageous for the precise and stable regulation of all output currents if, in the present multi-phase DC voltage converter, the between the first and second input terminals of all primary-side RF networks and between the first and second output terminals of all secondary-side RF networks, voltages present have low effective values, ie Have voltage curves that are positive or negative for a relatively long period of time in relation to the switching period, and only for a relatively short period of time.
  • control procedure for low-power operation at the isolated DC voltage connections of the multiphase DC converter is characterized by the following definitions, where 1 ⁇ k ⁇ m:
  • o dak, s dbk.s, ie the duty cycles in the two half bridges of the HF rectifier 5 are the same, as a result of which a DC component can be eliminated.
  • the curves of the voltages present between the first and second input terminals of the remaining, kth primary-side FIF networks are equal to the curves of m, 2, p (t— (k— 1) Ts / m).
  • the presented tax procedure can be used instead of
  • degrees of freedom i, P , dak, s, ßak and T s remain. These can be determined, for example, as part of an optimization calculation, for example to minimize the total losses of the multiphase DC converter, under the secondary conditions of the required output currents of the m secondary RF rectifiers. In a practical implementation, however, a simple method for determining the remaining degrees of freedom is often desired.
  • This method can also be used to regenerate electrical energy, namely for ßak ⁇ ctak.
  • FIG. 18 shows a multi-phase DC voltage half-bridge converter, which provides that the circuit breakers of all second half-bridges of the m HF rectifiers of the multi-phase DC voltage converter are replaced by capacitors.
  • An advantage of the multi-phase DC voltage half-bridge converter is that there is no additional effort (costs, additional circuitry for the control) caused by the replaced circuit breakers in the multi-phase DC voltage converter.
  • the intermediate circuit capacitors on the output side of the multiphase DC converter can be omitted.
  • a reduction in the degree of freedom of the control from 9 m to 6 m can be disadvantageous, since the activation signals, the pulse duty factors and the phase relationships ⁇ b k are omitted for the second half bridges of the m HF rectifiers.
  • the sum of the time profiles of all magnetic fluxes in the m HF transformers disappears at all times.
  • This property can also be realized with the implementation variants of the multi-phase DC-voltage half-bridge converter described below (implementation of a multi-phase DC-voltage half-bridge converter with primary-side star connection, a multi-phase DC-voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zig-zag switching and a multi-phase switching with the same function) RF transformers through a multi-phase RF transformer with m phases, as also described below.
  • FIG. 19 shows an embodiment of the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection. In comparison with the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18, this provides for modified connections of the primary-side HF networks.
  • the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary star connection for 1 ⁇ k ⁇ m:
  • the first input terminal of the k-th primary-side RF network is connected to the switching voltage connection of the k-th half-bridge of the RF inverter.
  • the second input terminal of the first primary-side RF network is connected to all second input terminals of the / c-th primary-side RF network.
  • connection changes result in lower voltages between the first and second input terminals of the RF networks, which, depending on the requirements, can mean a practical advantage in comparison with the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18.
  • the primary-side connection of the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection can be combined with the various implementations shown here of the secondary side of the multi-phase DC voltage converter.
  • FIG. 20 shows an embodiment of the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag connection.
  • RF transformers with two secondary windings each secondary winding having two transformer connections, and modified connections between the secondary windings of the RF transformers with two secondary windings and the input terminals of the secondary RF Networks.
  • the winding sense of the windings of the HF transformers with two secondary windings are defined as follows: If there is a positive voltage from the first to the second transformer connection of the primary winding of the H FT transformer with two secondary windings, then the first to the second transformer connection are present the first secondary winding of the HF transformer with two secondary windings and also from the first to the second transformer connection of the second secondary winding of the HF transformer with two secondary windings positive voltages.
  • the first transformer connection of the first secondary winding of the / c-th HF transformer with two secondary windings is connected to the first input terminal of the / c-th connected on the secondary side RF network
  • the second transformer connection of the first secondary winding of the -th HF transformer with two secondary windings is connected to the second transformer connection of the second secondary winding of the (k + 1) -th HF transformer with two secondary windings
  • the first transformer connection of the second secondary winding of the (+1) -th H FT transformer with two secondary windings is connected to the second input terminal of the -th secondary RF network.
  • the first transformer connection of the first secondary winding of the mth RF transformer with two secondary windings is connected to the first input terminal of the mth secondary-side RF network
  • the second transformer connection of the first secondary winding of the mth RF transformer with two secondary windings is connected to the second transformer connection of the second secondary winding of the first RF transformer with two secondary windings
  • the first transformer connection of the second secondary winding of the first RF transformer with two secondary windings is connected to the second input terminal of the mth secondary RF network connected.
  • the number of turns of the second secondary winding of the / c-th HF transformer with two secondary windings (A // c, b, s) can be selected appropriately,
  • the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag circuit from FIG. 20 has the advantage that this circuit can be used in a technically sensible manner even with asymmetrical loading, is present when the electrical power output or received at the isolated DC voltage connections is very different.
  • the m RF rectifiers of the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag connection can also be replaced by the m RF rectifiers of the multi-phase DC voltage converter from FIG. 1.
  • FIG. 21 shows an embodiment of the multi-phase switchable DC voltage half-bridge converter which, in comparison to the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18, has a relay between the RF inverter and the primary-side RF networks.
  • the relay has: a control coil and m Changeover switch having three contacts (main contact, first changeover contact, second changeover contact). The following applies for 1 ⁇ k ⁇ m: in the case of a non-magnetized control coil, the main contact of the / c-th changeover switch is connected to the first changeover contact of the kth changeover switch, and in the case of a magnetized control coil the main contact of the kth changeover switch is connected to the second changeover contact of the k- ten changeover switch connected.
  • the multi-phase switchable DC voltage half-bridge converter is largely identical to the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18, only the connections between the RF inverter and the primary-side RF networks change, as described below and shown in FIG. 21.
  • the switching voltage connection of the m-th half bridge of the HF inverter is connected to the first input terminal of the m-th primary-side HF network
  • the main contact of the m-th change-over switch is connected to the second input terminal of the m-th primary-side HF network
  • the first changeover contact of the m-th changeover switch is connected to the switching voltage connection of the first half bridge of the HF inverter.
  • the second changeover contacts of all m changeover switches are connected to each other.
  • the multi-phase switchable DC half-bridge converter therefore implements two different circuits, depending on whether the control coil is magnetized or not:
  • Non-magnetized control coil multiphase DC half-bridge converter according to Fig. 18
  • the m HF rectifiers of the multiphase switchable DC voltage half-bridge converter can also be replaced by the m HF rectifiers of the multiphase DC converter from FIG. 1.
  • the multi-phase switchable DC voltage half-bridge converter can also be designed with secondary-side zig-zag circuitry as shown in FIG. 20 using HF transformers with two secondary windings.
  • the multiphase DC half-bridge converter with multiphase RF transformer instead of the m HF-transformers of the multiphase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18, this provides a multiphase HF transformer with m phases.
  • the multi-phase RF transformer with m phases can be realized using a magnetic core having k legs which are magnetically connected to one another via yokes. The following applies for 1 ⁇ k ⁇ m: the kth leg is wound with a winding package having a primary-side winding with the number of turns Np and a secondary-side winding with the number of turns N s , k.
  • the multi-phase RF transformer has no magnetic yoke and the technical advantage of the multi-phase RF transformer is accordingly that the total core volume of a multi-phase RF transformer with m phases is less than the sum of all core volumes of m HF -T transformers (smaller size and cost).
  • the sensible technical use presupposes, however, that the sum of the time profiles of all magnetic fluxes in the m legs disappears at any time.
  • An example of a suitable choice of primary and secondary RF networks is the choice of RF capacitor networks as primary RF networks, the selection of RF series resonant networks as secondary RF networks and the selection of sufficiently high capacitance values in all RF networks , so that the voltages present across the capacitors of the HF networks have no appreciable influence on the voltages present on the primary and secondary windings.
  • each phase of the multi-phase DC resonance converter enables the same modes of operation as a resonance converter, e.g. as a “half-cycle discontinuous conduction mode” (HC-DCM) series resonant converter, with the 9 m degrees of freedom described for the multi-phase DC voltage converter.
  • HC-DCM half-cycle discontinuous conduction mode

Abstract

A multi-phase, electrically isolated DC-to-DC converter (10) comprises an HF inverter (1), an HF transformer assembly (3), and m HF rectifiers (5). A controller uses at least the following control parameters, which are adaptable during operation, wherein 1 ≤ kb≤ m: d k ,p duty factor of the control signal of the kth half-bridge of the HF inverter; da k ,s duty factor of the control signal of the first half-bridge of the kth HF rectifier; db k ,s duty factor of the control signal of the second half-bridge of the kth HF rectifier; α k phase angle between the rising flank of the control signal of the first half-bridge of the HF inverter and the kth half-bridge of the HF inverter; β a k phase angle between the rising flank of the control signal of the first half-bridge of the HF inverter (s 1,p) and the rising flank of the control signal of the first half-bridge of the kth HF rectifier (s a k, s); β b k phase angle between the rising flank of the control signal s 1,p and the rising flank of the control signal of the second half-bridge of the kth HF rectifier (s b k ,s).

Description

Mehrphasiger, potentialgetrennter Gleichspannungskonverter  Multi-phase, isolated DC converter
Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektronischen Umrichter, insbesondere einen potentialgetrennten Gleichspannungskonverter zum Erzeugen mehrerer potentialgetrennter Gleichspannungen. The invention relates to the field of electronic converters, in particular a floating DC voltage converter for generating a plurality of floating DC voltages.
Hintergrund background
Für eine interne Stromversorgung einer Power-Hardware-ln-the-Loop (P-HIL) Testan lage sind eine bestimmte Anzahl anlageninterner Gleichspannungsanschlüsse mit Energie zu versorgen, wobei jeder anlageninterne Gleichspannungsanschluss über einen Plus- und einen Minusanschluss verfügt, welche beide gegenüber einem Bezugspotential (= Erdpotential) und gegenüber den Plus- und Minusanschlüssen aller anderen anlageninternen Gleichspannungsanschlüsse galvanisch getrennt sein müssen. Hinzu kommt, dass an jedem anlageninternen Gleichspannungsanschluss nicht nur Energieverbrauch, sondern auch Energieeinspeisung eintreten kann. Die Anzahl der zu versor genden, anlageninternen Gleichspannungsanschlüsse wird im Folgenden mit m, m > 1 , bezeichnet.  For an internal power supply of a power hardware ln-the-loop (P-HIL) test system, a certain number of internal DC voltage connections have to be supplied with energy, whereby each internal DC voltage connection has a plus and a minus connection, both of which have a reference potential (= Earth potential) and must be galvanically isolated from the plus and minus connections of all other internal DC voltage connections. In addition, not only energy consumption, but also energy feed-in can occur at every internal DC connection. The number of internal DC voltage connections to be supplied is referred to below as m, m> 1.
Im einfachsten Fall realisieren m Gleichspannungskonverter mit jeweils einem potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss die Versorgung der m anlageninternen Gleichspannungsanschlüsse, d.h. für 1 < k < m gilt: der Plusanschluss des c-ten potentialge trennten Gleichspannungsanschlusses wird mit dem Plusanschluss des /c-ten anlagen internen Gleichspannungsanschlusses verbunden und der Minusanschluss des /c-ten potentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses wird mit dem Minusanschluss des k- ten anlageninternen Gleichspannungsanschlusses verbunden. Die Gleichspannungs konverter mit jeweils einem potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss realisieren drei Funktionen: o die Stabilisierung der zwischen den Plus- und Minusanschlüssen der potentialge trennten Gleichspannungsanschlüsse anliegenden Spannungen, In the simplest case, m DC converters, each with a potential-isolated DC voltage connection, supply the m system-internal DC voltage connections, i.e. for 1 <k <m: the plus connection of the c-th electrically isolated DC voltage connection is connected to the plus connection of the / c-th system-internal DC voltage connection and the minus connection of the / c-th electrically isolated DC voltage connection is connected to the minus connection of the kth internal DC voltage connection. The DC voltage converters, each with a potential-isolated DC voltage connection, perform three functions: o the stabilization of the voltages present between the plus and minus connections of the isolated DC voltage connections,
o die galvanische Trennung zwischen einem die Testanlage versorgenden Stromversorgungsnetz und den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen sowie die galvanische Trennung zwischen den m potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen und  o the electrical isolation between a power supply network supplying the test system and the electrically isolated DC voltage connections and the electrical isolation between the m electrically isolated DC voltage connections and
o den bidirektionalen Leistungsbetrieb, d.h. Speisen und Rückspeisen elektrischer Energie, an allen m potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen.  o bidirectional power operation, i.e. Feeding and regenerating electrical energy, at all m isolated DC connections.
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, der Effizienz und/oder des benötigten Bauvolumens kann es sinnvoll sein, die m Gleichspannungskonverter mit jeweils einem potentialgetrennten Gleichspannungsausgang durch einen mehrphasigen Gleichspannungskonver- ter zu ersetzen, wie in Fig. 1 dargestellt. Solche Gleichspannungskonverter sind für drei Phasen bekannt. Der mehrphasige Gleichspannungskonverter (10) weist primärseitig einen nichtpotentialgetrennten Gleichspannungsanschluss und sekundärseitig m potentialgetrennte Gleichspannungsanschlüsse auf. Zwischen dem nichtpotentialgetrennten Gleichspannungsanschluss und den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen weist der mehrphasige Gleichspannungskonverter eine bidirektionale Hochfrequenzwechselrichterschaltung (HF-Wechselrichter) 1 , m Hochfrequenztransformatoren (HF- Transformatoren) 3, m primärseitige Hochfrequenznetzwerke (primärseitige HF-Netz- werke) 2, m sekundärseitige Hochfrequenznetzwerke (sekundärseitige HF-Netzwerke) For reasons of economy, efficiency and / or the required construction volume, it may be sensible to replace the m DC voltage converters, each with a potential-isolated DC voltage output, by a multi-phase DC voltage converter, as shown in FIG. 1. Such DC converters are known for three phases. The multi-phase DC voltage converter (10) has a non-electrically isolated DC voltage connection on the primary side and m electrically isolated DC voltage connections on the secondary side. Between the non-isolated DC voltage connection and the isolated DC voltage connections, the multi-phase DC voltage converter has a bidirectional high-frequency inverter circuit (RF inverter) 1, m high-frequency transformers (RF transformers) 3, m primary-side high-frequency networks (primary-side RF networks), secondary RF (secondary networks) Networks)
4 und m bidirektionale Hochfrequenzgleichrichterschaltungen (HF-Gleichrichter) 5 auf: o Der HF-Wechselrichter besteht aus m Halbbrücken 11 , jeweils aufweisend zwei Leistungsschalter, ihrerseits jeweils aufweisend die Parallelschaltung eines eigent- lichen Schaltelements und einer antiparallelen Diode (falls z.B. ein MOSFET als Leistungsschalter verwendet wird, ist die antiparallele Diode aufgrund der internen Halbleiterstruktur des MOSFETs bereits vorhanden). Die zwei Leistungsschalter jeder Halbbrücke werden in Serie geschaltet und zwar so, dass die Anode der antiparallelen Diode im ersten Leistungsschalter mit der Kathode der antiparallelen Diode im zweiten Leistungsschalter verbunden ist. Diese Serienschaltung stellt so- mit drei Anschlüsse zur Verfügung: einen Schaltspannungsanschluss der Halbbrü cke, einen Plusanschluss der Halbbrücke und einen Minusanschluss der Halbbrü cke. Der Schaltspannungsanschluss der Halbbrücke befindet sich zwischen den in Serie geschalteten Leistungsschaltern, der Plusanschluss der Halbbrücke befindet sich bei der Kathode der antiparallelen Diode des ersten Leistungsschalters und der Minusanschluss der Halbbrücke befindet sich bei der Anode der antiparallelen Diode des zweiten Leistungsschalters. Die Plusanschlüsse aller m Halbbrücken des HF-Wechselrichters sind mit dem Plusanschluss des nichtpotentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses verbunden. Die Minusanschlüsse aller m Halbbrücken des HF-Wechselrichters sind mit dem Minusanschluss des nichtpotentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses verbunden. Der HF-Wechselrichter weist mindestens einen eingangsseitigen Zwischenkreiskondensator, aufweisend einen Plus- und einen Minusanschluss, auf. Der Plusanschluss des eingangsseitigen Zwischenkreiskondensators ist mit dem Plusanschluss des nichtpotentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses verbunden und der Minusanschluss des eingangsseitigen Zwischenkreiskondensators ist mit dem Minusanschluss des nichtpotentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses verbunden. Zwischen den Plus- und Minusanschlüssen des nichtpotentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses liegt die Spannung Up an. 4 and m bidirectional high-frequency rectifier circuits (HF rectifiers) 5 on: o The HF inverter consists of m half bridges 11, each with two circuit breakers, each with the parallel connection of an actual switching element and an anti-parallel diode (if, for example, a MOSFET as a circuit breaker is used, the anti-parallel diode is already present due to the internal semiconductor structure of the MOSFET). The two circuit breakers of each half-bridge are connected in series so that the anode of the anti-parallel diode in the first circuit breaker is connected to the cathode of the anti-parallel diode in the second circuit breaker. This series connection thus provides three connections: a switching voltage connection of the half bridge, a plus connection of the half bridge and a minus connection of the half bridge. The switching voltage connection of the half bridge is between the series circuit breakers, the plus connection of the half bridge is at the cathode of the anti-parallel diode of the first circuit breaker and the minus connection of the half bridge is at the anode of the anti-parallel diode of the second circuit breaker. The plus connections of all m half bridges of the HF inverter are connected to the plus connection of the non-isolated DC voltage connection. The minus connections of all m half bridges of the HF inverter are connected to the minus connection of the non-isolated DC voltage connection. The HF inverter has at least one DC link capacitor on the input side, having a plus and a minus connection. The positive connection of the DC link capacitor on the input side is connected to the positive connection of the non-isolated DC voltage connection and the negative connection of the DC link capacitor on the input side is connected to the negative connection of the non-isolated DC voltage connection. The voltage Up is present between the plus and minus connections of the non-electrically isolated direct voltage connection.
Jeder der m HF-Gleichrichter besteht aus zwei Halbbrücken 51 , 52, die folgender- massen zu Vollbrücken verschaltet sind: die Plusanschlüsse der beiden Halbbrücken des /c-ten HF-Gleichrichters, 1 < k < m, sind mit dem Plusanschluss des k-ten potentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses verbunden. Die Minusanschlüsse der beiden Halbbrücken 51 , 52 des k-ten HF-Gleichrichters, 1 < k < m, sind mit dem Minusanschluss des k-ten potentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses verbunden. Jeder HF-Gleichrichter weist mindestens einen ausgangsseitigen Zwischenkreiskondensator, aufweisend einen Plus- und einen Minusanschluss, auf. Der Plusanschluss des ausgangsseitigen Zwischenkreiskondensators des k-ten HF-Gleichrichters ist mit dem Plusanschluss des k-ten potentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses verbunden und der Minusanschluss des ausgangsseitigen Zwischenkreiskondensators des k-ten HF-Gleichrichters ist mit dem Minusanschluss des k-ten potentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses verbunden. Für 1 < k < m gilt: ein Ausgangsstrom des k-ten sekundärseitigen HF- Gleichrichters ist definiert als der Mittelwert des vom k-ten sekundärseitigen HF- Gleichrichter gleichgerichteten Stromes, welcher an seinem potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss z.B. zur Versorgung eines anlageninternen Gleichspannungsanschlusses oder zum Laden des dort angeschlossenen ausgangsseiti- gen Zwischenkreiskondensators zur Verfügung steht. Zwischen den Plus- und Minusanschlüssen des -ten potentialgetrennten Gleichspannungsanschlusses liegt die Spannung Uk,s an. Each of the m HF rectifiers consists of two half bridges 51, 52, which are interconnected as full bridges as follows: the plus connections of the two half bridges of the / c-th HF rectifier, 1 <k <m, are connected to the plus connection of the k th isolated DC connection. The minus connections of the two half bridges 51, 52 of the k-th HF rectifier, 1 <k <m, are connected to the minus connection of the k-th isolated DC voltage connection. Each HF rectifier has at least one intermediate circuit capacitor on the output side, having a plus and a minus connection. The plus connection of the output-side DC link capacitor of the k-th HF rectifier is connected to the plus connection of the k-th electrically isolated DC voltage connection, and the minus connection of the output-side DC link capacitor of the k-th HF rectifier is connected to the minus connection of the k-th isolated DC voltage connection. For 1 <k <m the following applies: An output current of the k-th secondary-side RF rectifier is defined as the mean value of the current rectified by the k-th secondary-side RF rectifier, which is used at its electrically isolated DC voltage connection, e.g. to supply a system-internal DC voltage connection or to charge the output side connected there Gen DC link capacitor is available. The voltage Uk, s is present between the plus and minus connections of the th-isolated DC voltage connection.
Jeder der m HF-T ransformatoren weist eine primärseitige Wicklung, aufweisend zwei primärseitige T ransformatoranschlüsse, und eine sekundärseitige Wicklung, aufweisend zwei sekundärseitige T ransformatoranschlüsse, auf. Die Wicklungssinne der primär- und sekundärseitigen Wicklungen sind folgendermassen definiert: wird vom ersten zum zweiten primärseitigen T ransformatoranschluss eine positive Spannung angelegt, dann resultiert auch vom ersten zum zweiten sekundärseitigen Transformatoranschluss eine positive Spannung. Für 1 < k < m gilt: je der HF-T ransformator realisiert ein Übersetzungsverhältnis rik, welches als das Verhältnis der Anzahl Windungen der primärseitigen Wicklung zur Anzahl Windungen der sekundärseitigen Wicklung definiert ist: m f = Nk,p / Mc,s. Zur Erhöhung der magnetischen Kopplung zwischen primär- und sekundärseitiger Wicklung kann jeder HF-T ransformator einen Magnetkern aufweisen Each of the m HF transformers has a primary-side winding, having two primary-side transformer connections, and a secondary-side winding, having two secondary-side transformer connections. The winding senses of the primary and secondary windings are defined as follows: If a positive voltage is applied from the first to the second primary transformer connection, then a positive voltage also results from the first to the second secondary transformer connection. For 1 <k <m the following applies: each HF transformer realizes a transformation ratio rik, which is defined as the ratio of the number of turns of the primary-side winding to the number of turns of the secondary-side winding: m f = Nk, p / Mc, s. To increase the magnetic coupling between the primary and secondary windings, each HF transformer can have a magnetic core
Die primär- und sekundärseitigen HF-Netzwerke sind Netzwerke aufweisend passive Komponenten, z.B. Induktivitäten und/oder Kondensatoren. Jedes der primär- und sekundärseitigen HF-Netzwerke weist eine erste und eine zweite Eingangsklemme und eine erste und eine zweite Ausgangsklemme auf. Beispiele für prak tisch häufig verwendete HF-Netzwerke sind: The primary and secondary RF networks are networks with passive components, e.g. Inductors and / or capacitors. Each of the primary and secondary RF networks has a first and a second input terminal and a first and a second output terminal. Examples of practically frequently used RF networks are:
Jedes primärseitige HF-Netzwerk: ein Kondensator verbindet die erste Eingangsklemme mit der ersten Ausgangsklemme; die zweite Eingangsklemme ist direkt mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden. Der Kondensator dient in einer praktischen Realisierung dazu, eventuell von den Leistungsschaltern erzeugte Gleichspannungsanteile von den angeschlossenen HF-T ransforma toren fernzuhalten. Dieses HF-Netzwerk wird als HF-Kondensatornetzwerk bezeichnet.  Each primary RF network: a capacitor connects the first input terminal to the first output terminal; the second input terminal is connected directly to the second output terminal. In a practical implementation, the capacitor serves to keep DC voltage components possibly generated by the circuit breakers away from the connected HF transformers. This RF network is referred to as an RF capacitor network.
Jedes sekundärseitige HF-Netzwerk: ein Serienschwingkreis aus Spule und Kondensator verbindet die erste Eingangsklemme mit der ersten Ausgangsklemme; die zweite Eingangsklemme ist direkt mit der zweiten Ausgangs klemme verbunden. Der Serienschwingkreis dient der Anpassung der über tragbaren Leistung. Der Kondensator dient in der praktischen Realisierung zusätzlich dazu, eventuell von den Leistungsschaltern erzeugte Gleichspannungsanteile vom angeschlossenen HF-T ransformator fernzuhalten. Dieses HF-Netzwerk wird als HF-Serienschwingkreisnetzwerk bezeichnet. Im einfachsten Fall wird die Kapazität des Kondensators des Serienschwingkreises so gross gewählt, dass dieser Kondensator nur die Gleichspannungsanteile vom angeschlossenen HF-T ransformator fernhält, für die Anpassung der übertragbaren Leistung aber nicht wirksam ist. Die im Rahmen der Ausführungs- beispiele dargestellten Spannungs- und Stromverläufe gehen von diesem Fall aus. Each secondary-side RF network: a series resonant circuit consisting of coil and capacitor connects the first input terminal to the first output terminal; the second input terminal is connected directly to the second output terminal. The series resonant circuit is used to adapt the portable power. In practical implementation, the capacitor also serves to keep any DC voltage components generated by the circuit breakers away from the connected HF transformer. This RF network is referred to as an RF series resonant circuit network. In the simplest case, the capacitance of the capacitor of the series resonant circuit is chosen so large that this capacitor only keeps the DC voltage components away from the connected HF transformer, but is not effective for adapting the transmissible power. The voltage and current profiles shown in the exemplary embodiments are based on this case.
* Die HF-Netzwerke können vollständig oder teilweise in die HF-T ransformato- ren integriert sein (z.B. kann die Streuinduktivität des k-ten HF-T ransformators einen Teil oder die gesamte Induktivität der Spule des Serienschwingkreises des k-te sekundärseitigen HF-Netzwerks realisieren).  * The HF networks can be fully or partially integrated into the HF transformers (for example, the leakage inductance of the k-th HF transformer can be part or all of the inductance of the coil of the series resonant circuit of the k-th secondary-side HF network realize).
HF-Wechselrichter, primärseitige HF-Netzwerke, HF-T ransformatoren, sekundärseitige HF-Netzwerke und HF-Gleichrichter sind folgendermassen miteinander verbunden. Der erste primärseitige T ransformatoranschluss des ersten H F-T ransformators ist mit der ersten Ausgangsklemme des ersten primärseitigen HF-Netzwerks verbunden, die erste Eingangsklemme des ersten primärseitigen HF-Netzwerks ist mit dem Schaltspan- nungsanschluss der ersten Halbbrücke des HF-Wechselrichters verbunden, der zweite primärseitige T ransformatoranschluss des ersten HF-T ransformators ist mit der zweiten Ausgangsklemme des ersten primärseitigen HF-Netzwerks verbunden und die zweite Eingangsklemme des ersten primärseitigen HF-Netzwerks ist mit der ersten Eingangsklemme des zweiten primärseitigen HF-Netzwerks verbunden. Diese Art der Verbindung wird für die restlichen HF-T ransformatoren und HF-Netzwerke in diesem Sinne fortgesetzt, d.h. für 1 < k < m gilt: der erste primärseitige T ransformatoranschluss des k- ten HF-T ransformators ist mit der mit der ersten Ausgangsklemme des k-ten primärseiti- gen HF-Netzwerks verbunden, die erste Eingangsklemme des k-ten primärseitigen HF- Netzwerks ist mit dem Schaltspannungsanschluss der k-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters verbunden und der zweite primärseitige T ransformatoranschluss des k-ten HF-T ransformators ist mit der zweiten Ausgangsklemme des k-ten primärseitigen HF- Netzwerks verbunden. Für 1 < k < m gilt: die zweite Eingangsklemme des k-ten primärseitigen HF-Netzwerks mit der ersten Eingangsklemme des (k+1)-ten primärseitigen HF-Netzwerks verbunden. Die zweite Eingangsklemme des m-ten primärseitigen HF- Netzwerks ist mit der ersten Eingangsklemme des ersten primärseitigen HF-Netzwerks verbunden. Für 1 < k < m gilt: der erste sekundärseitige T ransformatoranschluss des k- ten HF-T ransformators ist mit der ersten Eingangsklemme des k-ten sekundärseitigen HF-Netzwerks verbunden, der zweite sekundärseitige T ransformatoranschluss des Zi ten HF-T ransformators ist mit der zweiten Eingangsklemme des Zc-ten sekundärseitigen HF-Netzwerks verbunden, die erste Ausgangsklemme des Zc-ten sekundärseitigen HF- Netzwerks ist mit dem Schaltspannungsanschluss der ersten Halbbrücke des Zc-ten HF- Gleichrichters verbunden und die zweite Ausgangsklemme des Zc-ten sekundärseitigen HF-Netzwerks ist mit dem Schaltspannungsanschluss der zweiten Halbbrücke des Zc-ten HF-Gleichrichters verbunden. RF inverters, primary-side RF networks, RF transformers, secondary-side RF networks and RF rectifiers are connected as follows. The first primary-side transformer connection of the first H FT transformer is connected to the first output terminal of the first primary-side HF network, the first input terminal of the first primary-side HF network is connected to the switching voltage connection of the first half bridge of the HF inverter, the second primary-side Transformer connection of the first RF transformer is connected to the second output terminal of the first primary-side RF network and the second input terminal of the first primary-side RF network is connected to the first input terminal of the second primary-side RF network. This type of connection is continued for the remaining RF transformers and RF networks in this sense, ie for 1 <k <m the following applies: the first transformer connection of the kth RF transformer on the primary side is the one with the first output terminal of the k-th primary-side RF network, the first input terminal of the k-th primary-side RF network is connected to the switching voltage connection of the k-th half-bridge of the RF inverter and the second primary-side transformer connection of the k-th HF-T transformer is connected to the second output terminal of the k-th primary-side RF network. For 1 <k <m, the following applies: the second input terminal of the k-th primary-side RF network is connected to the first input terminal of the (k + 1) -th primary-side RF network. The second input terminal of the m th primary-side RF network is connected to the first input terminal of the first primary-side RF network. The following applies for 1 <k <m: the first secondary-side transformer connection of the kth HF transformer is connected to the first input terminal of the k-th secondary-side RF network connected, the second secondary-side transformer connection of the Zi-th RF transformer is connected to the second input terminal of the Zc-th secondary-side RF network, the first output terminal of the Zc-th secondary-side RF network is connected to the switching voltage connection of the first half-bridge of the Zc-th HF rectifier and the second output terminal of the Zc-th secondary-side HF network is connected to the switching voltage connection of the second half-bridge of the Zc-th HF rectifier.
Die Regelung der an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen abgegebe nen oder aufgenommenen elektrischen Leistungen erfolgt über die geeignete Ansteue- rung aller Halbbrücken. Die Ansteuerung jeder Halbbrücke erfolgt zum einen über ein Steuersignal der Halbbrücke und zum anderen über ein Aktivierungssignal der Halbbrü- cke. Das Steuersignal der Halbbrücke bezeichnet ein Signal zum Schalten der Spannung am Schaltspannungsanschluss der Halbbrücke. Das Steuersignal der Halbbrücke ist rechteckförmig und kann die Werte 0 oder 1 annehmen: 0 bedeutet, dass die Schalter der Halbbrücke so geschaltet sind, dass der Schaltspannungsanschluss der Halbbrücke mit dem Minusanschluss der Halbbrücke verbunden ist und 1 bedeutet, dass die Schalter der Halbbrücke so geschaltet sind, dass der Schaltspannungsanschluss der Halbbrücke mit dem Plusanschluss der Halbbrücke verbunden ist. Das Aktivierungssignal der Halbbrücke bezeichnet ein Signal zum Aktivieren der Leistungsschalter der Halbbrücke und kann die Werte 0 oder 1 annehmen: 0 bedeutet, dass, unabhängig vom Wert des Steuersignals der Halbbrücke, alle Leistungsschalter der zugeordneten Halbbrücke ausgeschaltet sind und nur die antiparallelen Dioden der Leistungsschalter wirksam sind und 1 bedeutet, dass das Steuersignal der Halbbrücke die Spannung am Schaltspannungsanschluss der Halbbrücke bestimmt. The regulation of the electrical power delivered or consumed at the isolated DC voltage connections takes place via the suitable control of all half bridges. Each half-bridge is controlled on the one hand via a control signal of the half-bridge and on the other hand via an activation signal of the half-bridge. The control signal of the half bridge denotes a signal for switching the voltage at the switching voltage connection of the half bridge. The control signal of the half-bridge is rectangular and can have the values 0 or 1: 0 means that the switches of the half-bridge are switched so that the switching voltage connection of the half-bridge is connected to the minus connection of the half-bridge and 1 means that the switches of the half-bridge are switched in this way are that the switching voltage connection of the half bridge is connected to the positive connection of the half bridge. The activation signal of the half-bridge designates a signal for activating the circuit-breakers of the half-bridge and can take the values 0 or 1: 0 means that, regardless of the value of the control signal of the half-bridge, all circuit breakers of the assigned half-bridge are switched off and only the anti-parallel diodes of the circuit breakers are effective and 1 means that the control signal of the half-bridge determines the voltage at the switching voltage connection of the half-bridge.
Auf die beim Übergang des Steuersignals von 0 auf 1 und von 1 auf 0 in einer prakti schen Realisierung zu berücksichtigenden Totzeiten, zur Vermeidung von Kurzschlüs sen innerhalb der Halbbrücke, wird aus Gründen der Nachvollziehbarkeit der Erläute- rungen nicht näher eingegangen, da davon auszugehen ist, dass die Totzeiten im Verhältnis zur Periodendauer des Steuersignals sehr kurz sind und deren Auswirkungen auf die resultierenden Spannungs- und Stromverläufe des betrachteten mehrphasigen Gleichspannungskonverters vernachlässigbar gering ausfallen. In einer aktuellen Veröffentlichung [4] wird das Konzept des mehrphasige Gleichspan- nungskonverters im Rahmen der Analyse von Resonanzkonvertern mit leiterplatteninte- grierten HF-T ransformatoren wieder aufgegriffen. In dieser Veröffentlichung werden drei verschiedene Ausführungsformen eines dreiphasigen Resonanzkonverters dargestellt, wobei sich eine dieser Darstellungen mit dem mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit primärseitiger Sternschaltung und m = 3 deckt. Da der Fokus dieser Veröffentlichung jedoch auf den leiterplattenintegrierten FIF-T ransformatoren liegt, ist deren Be schreibung auf m = 3 eingeschränkt. Auf das für die Ansteuerung der Halbbrücken verwendete Steuerverfahren wird nicht eingegangen. The dead times to be taken into account in a practical implementation when the control signal changes from 0 to 1 and from 1 to 0, in order to avoid short-circuits within the half-bridge, are not dealt with in detail for reasons of comprehensibility of the explanations, since this is to be assumed that the dead times are very short in relation to the period of the control signal and their effects on the resulting voltage and current profiles of the multiphase DC converter under consideration are negligible. In a current publication [4], the concept of the multi-phase DC voltage converter is taken up again in the context of the analysis of resonance converters with HF integrated transformers. In this publication, three different embodiments of a three-phase resonance converter are presented, one of these representations coinciding with the multiphase DC converter with star connection on the primary side and m = 3. However, since the focus of this publication is on FIF-transformers integrated in the printed circuit board, their description is limited to m = 3. The control method used to control the half bridges is not discussed.
Literatur zum Stand der Technik State of the art literature
[1] H. Wrede, V. Staudt, A. Steimel, «Design of an Electronic Power T ransformer», 28th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2002), Sevilla, Spain, p. 1380-1385. [1] H. Wrede, V. Staudt, A. Steimel, “Design of an Electronic Power Transformer”, 28th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2002), Sevilla, Spain, p. 1380-1385.
[2] H. Wrede, V. Staudt, A. Steimel, «A Soft-Switched Dual Active Bridge 3DC-to- 1 DC Converter employed in a High-Voltage Electronic Power Transformer», 10th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2003), Toulouse,[2] H. Wrede, V. Staudt, A. Steimel, “A Soft-Switched Dual Active Bridge 3DC-to- 1 DC Converter employed in a High-Voltage Electronic Power Transformer”, 10th European Conference on Power Electronics and Applications ( EPE 2003), Toulouse,
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[3] H. Wrede, «Beiträge zur Erhöhung von Versorgungssicherheit und Spannungsqualität in der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie durch leistungselektronische Betriebsmittel», Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 2004. [3] H. Wrede, “Contributions to increasing security of supply and power quality in the transmission and distribution of electrical energy through power electronic equipment”, dissertation, Ruhr University Bochum, 2004.
[4] B. Li, Q. Li, F. C. Lee, «A WBG Based Three Phase 12.5 kW 500 kHz CLLC Res- onant Converter with Integrated PCB Winding Transformer», Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (AP EC), San Antonio, TX, USA, 4-8 March 2018, p. 469-475. [4] B. Li, Q. Li, F. C. Lee, “A WBG Based Three Phase 12.5 kW 500 kHz CLLC Resonant Converter with Integrated PCB Winding Transformer”, Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (AP EC), San Antonio, TX, USA, March 4-8, 2018, p. 469-475.
Schäfer Jannik et al: «Multi-port multi-cell DC/DC Converter topology for electric vehic- les power distribution networks», 2017 IEEE 18TH WORKSHOP ON CONTROL AND MODELING FOR POWER ELECTRONICS (COMPEL), IEEE, 9. Juli 2017, beschreibt einen Konverter mit einer Vielzahl von identischen Konvertermodulen, auf welche ein Gesamt-Leistungsfluss aufgeteilt wird. Darstellung der Erfindung Schäfer Jannik et al: “Multi-port multi-cell DC / DC Converter topology for electric vehicles power distribution networks”, 2017 IEEE 18TH WORKSHOP ON CONTROL AND MODELING FOR POWER ELECTRONICS (COMPEL), IEEE, July 9, 2017 a converter with a large number of identical converter modules, on which an overall power flow is divided. Presentation of the invention
Eine mögliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mehrphasigen Gleichspannungskonverter zu schaffen, welcher eine umfassende Nutzung der ihm inhärenten Möglichkeiten erlaubt.  A possible object of the present invention is to create a multiphase DC voltage converter which allows a comprehensive use of the possibilities inherent in it.
Eine weitere mögliche Aufgabe ist es, einen mehrphasigen Gleichspannungskonverter zu schaffen, der eine Verbesserung des Betriebs des betrachteten mehrphasigen Gleichspannungskonverters erreicht. Another possible object is to create a multi-phase DC converter that improves the operation of the considered multi-phase DC converter.
Eine weitere mögliche Aufgabe ist es, einen mehrphasigen Gleichspannungskonverter zu schaffen, der bei gleichbleibender Anzahl der zu versorgenden Gleichspannungsan- schlüsse, m, eine Reduktion der benötigten Leistungsschalter und damit eine Reduktion des Schaltungsaufwands erreicht. Another possible task is to create a multi-phase DC voltage converter which, with a constant number of DC voltage connections to be supplied, m achieves a reduction in the required circuit breakers and thus a reduction in circuit complexity.
Mindestens eine dieser Aufgaben wird mindestens teilweise gelöst durch die Gegenstände gemäss den entsprechenden Patentansprüchen. At least one of these tasks is at least partially solved by the subject matter according to the corresponding patent claims.
Der betrachtete mehrphasige Gleichspannungskonverter verfügt über m Halbbrücken des HF-Wechselrichters und 2 m Halbbrücken der HF-Gleichrichter und daher über 3 m Steuersignale, wobei eine Schaltperiode die Periodendauer des Steuersignals der Halb brücke bezeichnet und für die Steuersignale aller Halbbrücken denselben Wert hat. Insgesamt liegen für die Regelung der an den potentialgetrennten Gleichspannungsan schlüssen vorliegenden elektrischen Leistungen 9 m Freiheitsgrade der Ansteuerung vor, siehe Fig. 2 und Fig. 3: The considered multi-phase DC voltage converter has m half bridges of the HF inverter and 2 m half bridges of the HF rectifiers and therefore 3 m control signals, whereby one switching period denotes the period of the control signal of the half bridge and has the same value for the control signals of all half bridges. Overall, there are 9 m degrees of freedom of control for the regulation of the electrical powers present at the electrically isolated DC voltage connections, see FIGS. 2 and 3:
o Die Schaltperiode Ts,  o the switching period Ts,
o 3 m Aktivierungssignale der Halbbrücken.  o 3 m activation signals of the half bridges.
o 3 m Tastverhältnisse der Steuersignale der Halbbrücken, wobei ein Tastverhältnis des Steuersignals die relative Dauer des Wertes 1 des Steuersignals im Verhältnis zur Dauer der Schaltperiode bezeichnet und das Tastverhältnis daher Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Das Steuersignal der k-ten Halbbrücke des HF- Wechselrichters 1 wird mit Sk.p bezeichnet, das Steuersignal der ersten Halbbrücke 51 des k-ten HF-Gleichrichters 5 mit Sak,s und das Steuersignal der zweiten Halbbrücke 52 des k-ten HF-Gleichrichters 5 mit Sbk.s. Das Tastverhältnis des Steuer signals der k-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters 1 wird mit dk.p bezeichnet, das Tastverhältnis des Steuersignals der ersten Halbbrücke 51 des k-ten HF- Gleichrichters 5 mit dak.s und das Tastverhältnis des Steuersignals der zweiten Halbbrücke 52 des /c-ten HF-Gleichrichters 5 mit d«c,s o 3 m duty cycles of the control signals of the half bridges, a duty cycle of the control signal denoting the relative duration of the value 1 of the control signal in relation to the duration of the switching period, and the duty cycle can therefore assume values between 0 and 1. The control signal of the k-th half-bridge of the HF inverter 1 is designated S k .p, the control signal of the first half-bridge 51 of the k-th HF rectifier 5 is Sak, s and the control signal of the second half-bridge 52 of the k-th HF Rectifier 5 with Sbk.s. The duty cycle of the control signal of the k-th half-bridge of the HF inverter 1 is denoted by d k .p, the duty cycle of the control signal of the first half-bridge 51 of the k-th HF Rectifier 5 with dak.s and the duty cycle of the control signal of the second half bridge 52 of the / c-th HF rectifier 5 with d «c, s
o m - 1 Phasenbeziehungen zwischen den steigenden Flanken der Steuersignale der Halbbrücken des HF-Wechselrichters. Für 1 < k < m gilt: jede Phasenbeziehung wird durch den Phasenwinkel Ok, der zwischen der steigenden Flanke des Steuersignales der ersten Halbbrücke des H F-Wechselrichters 1 und der /c-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters vorliegt, charakterisiert. Die /c-te Halbbrücke des HF-Wechselrichters 1 wandelt das ihr zugeordnete Steuersignal s/c,P in eine zwischen dem Schaltspannungsanschluss der /c-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters 1 und dem Minusanschluss der /c-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters vorliegende Schaltspannung der /c-ten Halbbrücke des H F-Wechselrichters 1 gemäss Uk,p = Up Sk,p um. om - 1 phase relationships between the rising edges of the control signals of the half-bridges of the HF inverter. For 1 <k <m the following applies: each phase relationship is characterized by the phase angle Ok, which is present between the rising edge of the control signal of the first half bridge of the HF inverter 1 and the / c-th half bridge of the HF inverter. The / c-th half-bridge of the HF inverter 1 converts the control signal s / c, P assigned to it into one between the switching voltage connection of the / c-th half-bridge of the HF inverter 1 and the minus connection of the / c-th half-bridge of the HF inverter present switching voltage of the / c-th half bridge of the HF inverter 1 according to Uk, p = Up Sk, p um.
o 2 m Phasenbeziehungen ßak und ßbk für 1 < k < m: ßak bezeichnet den Phasenwin- kel zwischen der steigenden Flanke des Steuersignals der ersten Halbbrücke des H F-Wechselrichters (si,P) und der steigenden Flanke des Steuersignals der ersten Halbbrücke 51 des /c-ten HF-Gleichrichters ( Sak.s ); ßbk bezeichnet den Phasenwinkel zwischen der steigenden Flanke des Steuersignals si,P und der steigenden Flanke des Steuersignals der zweiten Halbbrücke 52 des /c-ten HF-Gleichrichters (Sbk,s). Für 1 < k < m gilt: die erste Halbbrücke 51 des /c-ten HF-Gleichrichters 5 wandelt das ihr zugeordnete Steuersignal Sak,s in eine zwischen den Schaltspan- nungs- und Minusanschlüssen der ersten Halbbrücke 51 des /c-ten HF-Gleichrichters 5 vorliegende Schaltspannung der ersten Halbbrücke 51 des /c-ten HF-Gleichrichters gemäss Uak,s = iA,s Sak.s um und die zweite Halbbrücke 52 des /c-ten HF- Gleichrichters 5 wandelt das ihr zugeordnete Steuersignal Sak.s in eine zwischen den Schaltspannungs- und Minusanschlüssen der zweiten Halbbrücke 52 des k- ten HF-Gleichrichters 5 vorliegende Schaltspannung der zweiten Halbbrücke 52 des /c-ten HF-Gleichrichters gemäss Ubk.s = Uk.s Sbk.s um. o 2 m phase relationships ßak and ßbk for 1 <k <m: ßak denotes the phase angle between the rising edge of the control signal of the first half-bridge of the HF inverter (si, P ) and the rising edge of the control signal of the first half-bridge 51 of / c-th HF rectifier (Sa k .s); βb k denotes the phase angle between the rising edge of the control signal si, P and the rising edge of the control signal of the second half bridge 52 of the / c-th HF rectifier (Sbk, s). The following applies for 1 <k <m: the first half bridge 51 of the / c-th HF rectifier 5 converts the control signal Sak, s assigned to it into one between the switching voltage and negative connections of the first half bridge 51 of the / c-th HF Rectifier 5 present switching voltage of the first half bridge 51 of the / c-th HF rectifier according to Uak, s = iA, s Sak.s and the second half bridge 52 of the / c-th HF rectifier 5 converts the control signal Sak.s assigned to it into a switching voltage of the second half bridge 52 of the / c-th HF rectifier according to Ub k .s = U k .s Sb k .s between the switching voltage and minus connections of the second half bridge 52 of the kth HF rectifier 5.
Für 1 < k < m gilt: Phasenwinkel ak > 0, ßak > 0, ßbk > 0 kennzeichnen ein Nacheilen des Steuersignals der betreffenden Halbbrücke in Bezug auf das Steuersignal der ersten Halbbrücke des HF-Wechselrichters. Phasenwinkel werden in Radiant angegeben. Aufgrund der erläuterten Struktur des betrachteten mehrphasigen Gleichspannungskon- verters (Fig. 1), liegt, für 1 < k < m, zwischen den ersten und zweiten Eingangsklem- men des k-ten primärseitigen HF-Netzwerks die Spannung t//c,/c+i,P = Uk, P - u/ +i ,P an. Zwischen der ersten und der zweiten Eingangsklemme des m-ten HF-Netzwerks liegt die Spannung um, 1,P = um,p - u i,P an. Zwischen den ersten und zweiten sekundärseitigen Ausgangsklemmen des k-ten HF-Netzwerks liegt die Spannung Uk, s = Uak.s - Ubk,s an. Mit der Wahl der 9 m Freiheitsgrade sind die zeitlichen Verläufe der Spannungen uyf+i,Pl Um, I .P und Uk.s eingeprägt. Die zeitliche Verläufe der Spannungen Uk,k+ i . , um, i,P und Uk, s, die Realisierungen der primär- und sekundärseitigen HF-Netzwerke und die gewählten Übersetzungsverhältnisse der HF-T ransformatoren bestimmen die zeitlichen Verläufe der sich in den primär- und sekundärseitigen Wicklungen der HF-T ransformatoren ausbildenden Ströme und, in weiterer Folge, die an den potentialgetrennten Gleichspan nungsanschlüssen abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Leistungen. The following applies for 1 <k <m: phase angles ak> 0, βak> 0, βbk> 0 characterize a lag in the control signal of the relevant half-bridge in relation to the control signal of the first half-bridge of the HF inverter. Phase angles are given in radians. Due to the structure of the multiphase DC converter under consideration (FIG. 1), for 1 <k <m, the voltage t // c, / c lies between the first and second input terminals of the k-th primary-side RF network + i, P = U k, P - u / + i, P an. The voltage u m, 1, P = u m, p - ui, P is present between the first and the second input terminal of the m-th HF network. The voltage Uk, s = Uak.s - Ubk, s is present between the first and second secondary-side output terminals of the k-th RF network. With the choice of the 9 m degrees of freedom, the time profiles of the voltages uy f + i, Pl Um, I .P and Uk.s are stamped. The time courses of the voltages Uk, k + i. , u m, i, P and Uk, s, the implementations of the primary and secondary RF networks and the selected transmission ratios of the RF transformers determine the temporal courses of the primary and secondary windings of the RF transformers Currents and, subsequently, the electrical power output or consumed at the isolated DC voltage connections.
Bisher wurde der dieser Erfindung zugrundeliegende mehrphasige Gleichspannungskonverter in eingeschränkter Form in [1 ,2,3] beschrieben: So far, the multiphase DC voltage converter on which this invention is based has been described in restricted form in [1, 2, 3]:
o Es wurde ausschliesslich ein dreiphasiger Gleichspannungskonverter betrachtet, wie in Fig. 5 dargestellt. Dies entspricht der Ausführungsform des mehrphasigen Gleichspannungskonverters für m = 3.  o Only a three-phase DC voltage converter was considered, as shown in FIG. 5. This corresponds to the embodiment of the multiphase DC converter for m = 3.
o Beschreibungen zum Betrieb des dreiphasigen Gleichspannungskonverters  o Descriptions for the operation of the three-phase DC converter
schränken sich auf den symmetrischen Betrieb ein, d.h. es wird davon ausgegan- gen, dass an allen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen dieselbe elektrische Leistung vorliegt.  restrict themselves to symmetrical operation, i.e. It is assumed that the same electrical power is present on all isolated DC voltage connections.
o In einer vertieften Untersuchung des dreiphasigen Gleichspannungskonverters in  o In an in-depth study of the three-phase DC converter in
[2,3] werden die von verschiedenen Steuerverfahren zu erwartenden Verluste miteinander verglichen, wobei sich die herangezogenen Steuerverfahren jedoch be- züglich der Nutzung der vorhandenen Freiheitsgrade stark einschränken. Hinsichtlich der erzielbaren Effizienz wird in [2,3] ein vereinfachtes Steuerverfahren als am besten geeignet identifiziert, welches wie folgt charakterisiert ist:  [2,3] the losses to be expected from various tax procedures are compared with each other, although the tax procedures used are severely restricted with regard to the use of the existing degrees of freedom. With regard to the achievable efficiency, a simplified control procedure is identified as best suited in [2,3], which is characterized as follows:
• die Aktivierungssignale aller Halbbrücken sind 1 ,  The activation signals of all half bridges are 1,
• dk,p = dak,s = dbk,s = 50%, • dk, p = dak, s = dbk, s = 50%,
• 0f/< = k 2TT/3, 0f / < = k 2TT / 3,
• ßak = CTfc + <p/( 2), • ßbk = ak + (2p/3) + [2 - L/2] f. Ssak = CT f c + <p / (2), Ssb k = a k + (2p / 3) + [2 - L / 2] f.
Dieses Steuerverfahren gilt für alle 1 < k < m = 3. Hiermit verbleibt ein einziger Freiheitsgrad, f, der zur Regelung der elektrischen Leistungen verwendet wird, die an allen drei potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen vorliegen.  This control method applies to all 1 <k <m = 3. This leaves a single degree of freedom, f, which is used to regulate the electrical powers that are present at all three electrically isolated DC voltage connections.
In einem ersten Schritt kann ein Verbesserungsziel definiert werden, dies kann z.B. ein mathematisches Optimierungskriterium (z.B. die Summe aller Leitverluste sein oder die Summe aller im mehrphasigen Gleichspannungskonverter auftretenden Verluste) oder ein praktisches Ziel (Hochfahren des Konverters mit begrenztem Ausgangsstrom) sein. In einem zweiten Schritt sind die zur Erfüllung des Verbesserungsziels erforderlichen Werte für die Freiheitsgrade der Ansteuerung zu ermitteln. Dies erfolgt typisch mittels geeigneter Analyse, z.B., im Falle des Vorliegens eines mathematischen Optimierungskriteriums, ein für die Suche nach einem globalen Optimum geeigneter Optimierungsalgorithmus, welcher die Freiheitsgrade der Ansteuerung derart variiert, dass, unter Voraussetzung des stationären Betriebs in einem gegebenen Betriebspunkt, als Ergebnis der Optimierung die zur Erfüllung des Optimierungskriteriums erforderlichen Werte der Freiheitsgrade der Ansteuerung resultieren. Der Betriebspunkt ist definiert durch: In a first step, an improvement goal can be defined, e.g. a mathematical optimization criterion (e.g. being the sum of all master losses or the sum of all losses occurring in the multi-phase DC voltage converter) or a practical goal (starting up the converter with limited output current). In a second step, the values for the degrees of freedom of the control required to meet the improvement goal are to be determined. This is typically done by means of a suitable analysis, for example, in the case of a mathematical optimization criterion, an optimization algorithm suitable for the search for a global optimum, which varies the degrees of freedom of the control in such a way that, assuming stationary operation at a given operating point, as a result optimization results in the values of the degrees of freedom of the control required to meet the optimization criterion. The operating point is defined by:
- die am nichtpotentialgetrennten Gleichspannungsanschluss anliegende Span nung, - the voltage applied to the non-isolated DC voltage connection,
- die an allen m potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen anliegenden Spannungen, - the voltages present at all m isolated DC connections,
- den an allen m potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen zur Verfügung gestellten elektrischen Leistungen. - The electrical power available at all m isolated DC connections.
Der stationäre Betrieb des betrachteten mehrphasigen Gleichspannungskonverters ist gekennzeichnet durch konstante Werte aller Spannungen und Leistungen des Betriebs punkts. The stationary operation of the multiphase DC converter under consideration is characterized by constant values of all voltages and powers of the operating point.
Der mehrphasige, potentialgetrennte Gleichspannungskonverter dient zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem primärseitigen Gleichspannungsanschluss und m sekundärseitigen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen. Er weist die fol genden Untereinheiten auf: The multi-phase, isolated DC voltage converter is used to exchange electrical energy between a primary-side DC voltage connection and m secondary-side isolated DC voltage connections. It has the following subunits:
• einen HF-Wechselrichter; daran angeschlossen m primärseitige HF-Netzwerke; • an RF inverter; connected to it m primary RF networks;
• daran angeschlossen m primärseitige Wicklungen einer HF-T ransformatoranord- nung; • connected to it m windings on the primary side of an HF transformer arrangement;
• sekundärseitige Wicklungen der HF-Transformatoranordnung; • secondary windings of the HF transformer arrangement;
• daran angeschlossen m sekundärseitige HF-Netzwerke; • connected to it m secondary RF networks;
• daran angeschlossen m HF-Gleichrichter; und eine Steuerung der Untereinheiten, welche dazu ausgelegt ist, Steuerparameter, entsprechend Freiheitsgraden der Steuerung, zu bestimmen und im Betrieb des Gleich- spannungskonverters an einen Betriebszustand des Gleichspannungskonverters anzu- passen, wobei die derart im Betrieb anpassbaren Steuerparameter mindestens umfas- sen, für 1 < k < m: dk.p Tastverhältnis des Steuersignals der k-ten Halbbrücke des HF-Wechselrich- ters; dak.s Tastverhältnis des Steuersignals der ersten Halbbrücke des k-ten HF- Gleichrichters; dbk.s Tastverhältnis des Steuersignals der zweiten Halbbrücke des k-ten HF- Gleichrichters; ctk Phasenwinkel zwischen der steigenden Flanke des Steuersignales der ers- ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters und der k-ten Halbbrücke des HF- Wechselrichters; ßak Phasenwinkel zwischen der steigenden Flanke des Steuersignals der ersten Halbbrücke des HF-Wechselrichters (si,P) und der steigenden Flanke des Steuersignals der ersten Halbbrücke des k-ten HF-Gleichrichters (Safes); ßbk Phasenwinkel zwischen der steigenden Flanke des Steuersignals si,P und der steigenden Flanke des Steuersignals der zweiten Halbbrücke des k-ten HF-Gleichrichters (Sbk,s). Zwei jeweils aneinander angeschlossene Untereinheiten erlauben einen Leistungsfluss in eine oder beide Richtungen zwischen den Untereinheiten.„Angeschlossen“ bedeutet also auch„zum Austausch von Energie ausgelegt sein“. • connected to it m HF rectifier; and a control of the subunits, which is designed to determine control parameters, corresponding to degrees of freedom of the control, and to adapt them to an operating state of the DC voltage converter during operation of the DC voltage converter, wherein the control parameters that can be adjusted during operation include at least one for 1 <k <m: d k .p Duty cycle of the control signal of the kth half-bridge of the HF inverter; since k .s duty cycle of the control signal of the first half bridge of the k-th HF rectifier; dbk.s duty cycle of the control signal of the second half bridge of the k-th HF rectifier; ctk phase angle between the rising edge of the control signal of the first half-bridge of the HF inverter and the k-th half-bridge of the HF inverter; ßak phase angle between the rising edge of the control signal of the first half bridge of the HF inverter (si, P ) and the rising edge of the control signal of the first half bridge of the kth HF rectifier (Sa f es); ßbk phase angle between the rising edge of the control signal si, P and the rising edge of the control signal of the second half-bridge of the k-th HF rectifier (Sbk, s). Two subunits connected to each other allow power to flow in one or both directions between the subunits, so “connected” also means “designed to exchange energy”.
In Ausführungsformen sind die Untereinheiten jeweils auf einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt. In embodiments, the subunits are each designed for a bidirectional power flow.
In Ausführungsformen umfassen die im Betrieb anpassbaren Steuerparameter zusätz- lich mindestens einen der folgenden beiden Steuerparameter: Ts (Schaltperiode) und Aktivierungssignale der Halbbrücken. In embodiments, the control parameters that can be adjusted during operation additionally include at least one of the following two control parameters: Ts (switching period) and activation signals of the half-bridges.
In Ausführungsformen ist die Steuerung dazu ausgelegt, zur Minimierung von Leitverlusten In embodiments, the controller is designed to minimize conduction losses
• in einem stationären Betrieb alle Halbbrücken mit einem Tastverhältnis von 50% zu betreiben; • to operate all half bridges with a duty cycle of 50% in a stationary operation;
• alle Halbbrücken zu aktivieren; • activate all half bridges;
• die Phasenwinkel ak, ßak, ßbk zur mindestens annähernden Minimierung des Optimierungskriteriums f = min(5 =1/?fc/fP) zu bestimmen, wobei ,p den Effektivwert des Stroms in der primärseitigen Wicklung des /c-ten HF-T ransformators und Rk einen entsprechenden Ersatzwiderstand repräsentiert. • to determine the phase angles a k, ßa k , ßb k to at least approximately minimize the optimization criterion f = min (5 = 1 /? Fc / f P ), where, p is the effective value of the current in the primary winding of the / c-th HF transformer and R k represents a corresponding equivalent resistor.
In Ausführungsformen weist der Gleichspannungskonverter m = 3 sekundärseitige potentialgetrennte Gleichspannungsanschlüsse auf, wobei die Steuerung, bei symmetrischer Belastung der sekundärseitigen Gleichspannungsanschlüsse mit einer Leistung P, dazu ausgelegt ist, die Phasenwinkel cn = 0, ai = 2p/3, az = 4p/3 zu setzen, und erste Phasenwinkeldifferenzen 8ai - a-i = ßai - ai = ßaz - az zu setzen, und zweite Phasenwinkeldifferenzen ßm - j8ai = ßbi - ß 2 = ßbz - ßaz zu setzen, und insbesondere, die Phasenwinkeldifferenzen in Abhängigkeit des Verhältnisses der Leistung P zu einer maximalen Leistung Pmax anzupassen, indem • für P zwischen Null und Pmax/2 die erste Phasenwinkeldifferenz von Null ansteigt und wieder zu Null abfällt, und die zweite Phasenwinkeldifferenz monoton von 2p/3 auf p ansteigt; und In embodiments, the DC voltage converter has m = 3 electrically isolated DC voltage connections on the secondary side, the controller being designed, with symmetrical loading of the DC voltage connections on the secondary side, to design the phase angles cn = 0, ai = 2p / 3, az = 4p / 3 set, and to set first phase angle differences 8 ai - ai = ßai - ai = ßaz - az, and to set second phase angle differences ßm - j8ai = ßbi - ß 2 = ßbz - ßaz, and in particular, the phase angle differences depending on the ratio of the power P. to a maximum power P m a x by • for P between zero and P max / 2 the first phase angle difference rises from zero and falls back to zero, and the second phase angle difference rises monotonically from 2p / 3 to p; and
• für P zwischen Pmax/2 und Pmax die erste Phasenwinkeldifferenz monoton von Null auf p/3 ansteigt, und die zweite Phasenwinkeldifferenz konstant bei p ver bleibt. • for P between Pmax / 2 and Pmax, the first phase angle difference increases monotonically from zero to p / 3, and the second phase angle difference remains constant at p ver.
In Ausführungsformen verlaufen die Phasenwinkel und Phasenwinkeldifferenzen ge- mäss Tabelle 1. In embodiments, the phase angles and phase angle differences run according to Table 1.
In Ausführungsformen weist der Gleichspannungskonverter m = 3 sekundärseitige potentialgetrennte Gleichspannungsanschlüsse auf, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, bei asymmetrischer Belastung der sekundärseitigen Gleichspannungsanschlüsse mit Leistungen Pi ,s, P2,s und Pz.s sowie für verschiedene Spannungen i/i ,s, Uz,s und l/s, s an den sekundärseitigen Gleichspannungsanschlüssen die Phasenwinkel und die Phasenwinkeldifferenzen gemäss Tabelle 2 anzupassen. In embodiments, the DC voltage converter has m = 3 secondary-side isolated DC voltage connections, the controller being designed to provide power Pi, s , P2, s and Pz.s when the secondary-side DC voltage connections are asymmetrically loaded, and for different voltages i / i, s , Uz , s and l / s, s adjust the phase angles and the phase angle differences according to Table 2 on the secondary-side DC voltage connections.
In Ausführungsformen ist die Steuerung dazu ausgelegt, in einem Betriebsmodus zum Hochfahren des Gleichspannungskonverters die Aktivierungssignale wie folgt zu set- zen, wobei 1 < k < m: In embodiments, the controller is designed to set the activation signals in an operating mode for starting up the DC voltage converter as follows, where 1 <k <m:
o Aktivierung aller Halbbrücken (11) des HF-Wechselrichters (1);  o activation of all half bridges (11) of the HF inverter (1);
o Deaktivierung aller Halbbrücken (51 , 52) der HF-Gleichrichter (5).  o Deactivation of all half bridges (51, 52) of the HF rectifiers (5).
Es gilt also So it applies
o die Aktivierungssignale aller Halbbrücken des HF-Wechselrichters sind 1 und o die Aktivierungssignale aller Halbbrücken der HF-Gleichrichter sind 0, d.h. alle HF- Gleichrichter werden als Diodengleichrichter betrieben und entsprechend stellen sich ßak und ßbk je nach Betriebspunkt natürlich ein.  o the activation signals of all half bridges of the HF inverter are 1 and o the activation signals of all half bridges of the HF rectifiers are 0, i.e. all HF rectifiers are operated as diode rectifiers and accordingly, ßak and ßbk are naturally set depending on the operating point.
Das Steuerverfahren für das Hochfahrens des mehrphasigen Gleichspannungskonver- ters mit begrenztem Ausgangsstrom begründet sich darin, dass das vereinfachte Steu- erverfahren und das oben beschriebene Steuerverfahren für minimale Leitverluste wäh- rend des Hochfahrens des mehrphasigen Gleichspannungskonverters, aufgrund des Aufladens der an die potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen angeschlosse- nen Zwischenkreiskondensatoren, sehr hohe Ströme in allen Leistungshalbleitern und in allen HF-T ransformatoren des betrachteten mehrphasigen Gleichspannungskonver- ters verursachen. The control method for starting up the multi-phase DC voltage converter with limited output current is based on the fact that the simplified control method and the control method described above for minimal conduction losses during the startup of the multi-phase DC voltage converter due to the charging of the connected to the electrically isolated DC voltage connections. DC link capacitors, very high currents in all power semiconductors and cause in all HF transformers of the multiphase DC converter under consideration.
In Ausführungsformen lässt sich eine gleichzeitige Reduktion der Effektivwerte der Ströme in allen Leistungshalbleitern und in allen HF-T ransformatoren erreichen, wenn durch geeignete Massnahmen eine wesentliche Reduktion der Effektivwerte der zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen aller primärseitigen HF-Netzwerke vorliegenden Spannungen bis hin zu Werten nahe Null erreicht wird, was sich, aufgrund der Verkettungen der zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen der primär seitigen HF-Netzwerke vorliegenden Spannungen, erreichen lässt, wenn die Tastverhältnisse der Steuersignale der Halbbrücken des HF-Wechselrichters von 50% abweichen, d.h. es gilt dk.p F 50% für 1 < k < m. In embodiments, a simultaneous reduction of the rms values of the currents in all power semiconductors and in all HF transformers can be achieved if, through suitable measures, a substantial reduction in the rms values of the voltages present between the first and second input terminals of all primary-side HF networks down to values is reached close to zero, which can be achieved due to the concatenation of the voltages present between the first and second input terminals of the primary-side RF networks, if the duty cycle of the control signals of the half-bridges of the RF inverter deviate from 50%, ie d k .p F 50% for 1 <k <m.
In Ausführungsformen wird zudem die folgende technisch sinnvolle Einschränkung realisiert: The following technically meaningful restriction is also implemented in embodiments:
o ST=i 4, p < 1 oder S =i 4,P > m - 1 , o ST = i 4, p <1 or S = i 4, P > m - 1,
da hiermit zusätzlich eine teilweise Entkopplung der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters erzielt werden kann. since a partial decoupling of the individual phases of the multiphase DC converter can also be achieved with this.
In Ausführungsformen wird zudem eine Vereinfachung in der Ansteuerung, bei gleichzeitiger teilweiser Entkopplung der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters, mit folgender Bedingung erreicht: In embodiments, a simplification in the control, with simultaneous partial decoupling of the individual phases of the multiphase DC converter, is also achieved with the following condition:
o entweder 0 < <4P < 1 I m oder (m - 1) / m < <4,P < 1. o either 0 <<4 P <1 I m or (m - 1) / m <<4, P <1.
In Ausführungsformen wird zudem auch gewählt: dk,P = di P, d.h. die Tastverhältnisse der getrennten Gleichspannungsanschlüsse sind gleich. Dies ist bei symmetrischer Last zweckmässig. In embodiments, the following is also selected: d k, P = di P , ie the duty cycles of the separate DC voltage connections are the same. This is useful for symmetrical loads.
In Ausführungsformen wird jeweils zur Steuerung eines Ausgangsstroms eines k-ten sekundärseitigen HF-Gleichrichters das Tastverhältnis dk,p angepasst. In embodiments, the pulse duty factor d k, p is adapted to control an output current of a k-th secondary-side HF rectifier.
In Ausführungsformen ist die Steuerung dazu ausgelegt, bei einem Betrieb mit kleinen Leistungen die Steuerparameter wie folgt zu setzen, wobei 1 < k < m: In embodiments, the controller is designed to set the control parameters as follows in the case of operation with low powers, where 1 <k <m:
o Aktivierung aller Halbbrücken des HF-Wechselrichters (1 ) und der HF-Gleichrich- ter (5), d.h. alle Aktivierungssignale sind 1 ; o dk, p F 50%. o activation of all half-bridges of the HF inverter (1) and the HF rectifier (5), ie all activation signals are 1; o dk, p F 50%.
In Ausführungsformen wird zudem die folgende technisch sinnvolle Einschränkung realisiert: The following technically meaningful restriction is also implemented in embodiments:
o Eif=l ,P < 1 oder E?=i P > m - 1 , o Eif = l, P <1 or E? = i P > m - 1,
da hiermit zusätzlich eine teilweise Entkopplung der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters erzielt werden kann. Eine Vereinfachung in der An- steuerung, bei gleichzeitiger teilweiser Entkopplung der einzelnen Phasen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters, wird mit folgender Bedingung erreicht: since a partial decoupling of the individual phases of the multiphase DC converter can also be achieved with this. A simplification in the control, with simultaneous partial decoupling of the individual phases of the multiphase DC converter, is achieved with the following condition:
o entweder 0 < dk,p < 1 I m oder (m - 1 ) / m < dk.p < 1. o either 0 <d k, p <1 I m or (m - 1) / m <d k .p <1.
Zudem können, in Kombination mit einem oder mehreren der bereits genannten Zusammenhänge, einer oder mehrere der folgenden Zusammenhänge durch die Steuerung realisiert werden: In addition, in combination with one or more of the relationships already mentioned, one or more of the following relationships can be implemented by the control:
o 0 < dk.p + dak,s < 1 I m, d.h. in jedem Modul liegt die Summe der Tastverhältnisse der Primär- und Sekundärseite zwischen Null und 1 I m. Diese Bedingung stellt eine Vereinfachung für die Ansteuerung dar, da hiermit verhindert wird, dass gleichzeitig eine positive Spannung zwischen der ersten und zweiten Eingangs klemme des k-ten primärseitigen HF-Netzwerks und eine negative Spannung zwischen der ersten und zweiten Ausgangsklemme des k-ten sekundärseitigen HF- Netzwerks vorliegt.  o 0 <dk.p + dak, s <1 I m, i.e. in each module the sum of the duty cycles on the primary and secondary side is between zero and 1 I m. This condition represents a simplification for the control, since it prevents a positive voltage between the first and second input terminals of the k-th primary-side RF network and a negative voltage between the first and second output terminals of the k-th secondary-side RF network is present.
o dk,p = di,P, d.h. die Tastverhältnisse der getrennten Gleichspannungsanschlüsse sind gleich. Dies ist bei symmetrischer Last zweckmässig. o dk, p = di, P , ie the duty cycles of the separate DC voltage connections are the same. This is useful for symmetrical loads.
In Ausführungsformen ist die Steuerung dazu ausgelegt, bei einem Betrieb mit kleinen Leistungen einen oder mehrere der weiteren Steuerparameter wie folgt zu setzen, wo bei 1 < k < m: In embodiments, the controller is designed to set one or more of the further control parameters when operating at low powers, as follows, where at 1 <k <m:
o dk, p = i,P; o dk, p = i, P ;
O dak,s = dbk,s O dak, s = dbk, s
o ck = (k - 1) 2tt/ irr, oc k = (k - 1) 2tt / irr,
O ßtok - ßak = 2 p / m.  O ßtok - ßak = 2 p / m.
In Ausführungsformen ist die Steuerung dazu ausgeiegt, bei einem Betrieb mit kleinen Leistungen die Steuerparameter wie folgt gemäss einer der drei folgenden Varianten zu setzen, wobei 1 < k < m: erste Variante: In embodiments, the controller has chosen to set the control parameters according to one of the following three variants in the case of operation with low powers, where 1 <k <m: first variant:
o 0 < i,p + dak.s < 1 I m, o 0 <i, p + da k .s <1 I m,
O dak,s = dbk,s, O dak, s = dbk, s,
o ßbk - ßak = 2 p / m, zweite Variante:  o ßbk - ßak = 2 p / m, second variant:
o 0 < c?i,P + (ßbk - ßak) / (2 tt) < 1 / m, o 0 <c? i, P + (ß bk - ßak) / (2 tt) <1 / m,
O dak.s = dbk,s = 1 / PΊ, dritte Variante: O dak.s = dbk, s = 1 / PΊ, third variant:
o 0 < di,P + (ßak - jSbk) / (2 p) < 1 / m, o 0 <di, P + (ßak - jSb k ) / (2 p) <1 / m,
o dak.s = db/<,s = (m - 1) / m. o dak.s = db / <, s = (m - 1) / m.
In Ausführungsformen ist die Steuerung dazu ausgelegt, in einem als Half-Cycle Dis- continuous-Conduction-Mode, im Folgenden als HC-DCM bezeichneten, Betriebsmodus des mehrphasigen Gleichspannungskonverters die im Betrieb anpassbaren Steuer- parameter so zu bestimmen, dass sich in mindestens einem Element der primärseitigen HF-Netzwerke und/oder der sekundärseitigen HF-Netzwerke ein für HC-DCM charakteristischer Stromverlauf ausbildet. Dies kann insbesondere der Stromverlauf eines Einoder Ausgangsstroms des betreffenden HF-Netzwerkes sein. In embodiments, the controller is designed to determine the control parameters that can be adjusted during operation in a mode of operation of the multiphase DC voltage converter, referred to as half-cycle dis-continuous conduction mode, hereinafter referred to as HC-DCM, so that at least one control parameter can be determined Element of the primary-side RF networks and / or the secondary-side RF networks forms a current characteristic characteristic of HC-DCM. In particular, this can be the current profile of an input or output current of the relevant RF network.
Ein als Half-Cycle Discontinuous-Conduction-Mode (HC-DCM) bezeichneter Betriebsmodus des mehrphasigen Gleichspannungskonverters dient beispielsweise dazu, dass sich im Betrieb mit gegebener Spannung am Gleichspannungsanschluss des HF-Weeh- selrichters weitgehend lastunabhängige Spannungen an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen der HF-Gleichrichter einstellen. An operating mode of the multi-phase DC voltage converter, known as half-cycle discontinuous conduction mode (HC-DCM), is used, for example, to ensure that, during operation with a given voltage at the DC voltage connection of the HF converter, largely load-independent voltages at the electrically isolated DC voltage connections of the HF rectifiers to adjust.
Beim Betrieb des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit HC-DCM und bei Energieübertragung vom HF-Wechselrichter zum HF-Gleichrichter können solche für den Betrieb mit HC-DCM charakteristische Stromverläufe an den Ausgängen von einem oder mehreren der sekundärseitigen HF-Netzwerke eingestellt werden. When operating the multi-phase DC voltage converter with HC-DCM and when transferring energy from the HF inverter to the HF rectifier, such characteristic curves for operation with HC-DCM can be set at the outputs of one or more of the secondary-side HF networks.
Erfolgt bei einem HF-Gleichrichter eine Umkehrung der Energieübertragungsrichtung, also vom HF-Gleichrichter zum HF-Wechselrichter, können solche für den Betrieb mit HC-DCM charakteristische Stromverläufe am Eingang des dem betreffenden HF- Gleichrichter zugeordneten primärseitigen HF-Netzwerks eingestellt werden. Von der Umkehrung der Energieübertragungsrichtung können ein einzelner HF-Gleichrichter, mehrere HF-Gleichrichter oder alle HF-Gleichrichter betroffen sein, und somit auch zugeordnete einzelne, mehrere oder alle primärseitigen HF-Netzwerke. If the direction of energy transmission is reversed in the case of an HF rectifier, that is to say from the HF rectifier to the HF inverter, such characteristic curves for operation with HC-DCM can occur at the input of the HF Rectifier-associated primary RF network can be set. The reversal of the energy transmission direction can affect a single HF rectifier, several HF rectifiers or all HF rectifiers, and thus also assigned individual, several or all primary-side HF networks.
Für den Betrieb mit HC-DCM charakteristische Stromverläufe sind durch abwechselnde positive und negative, im wesentlichen sinusförmige, Halbschwingungen charakterisiert, welche mit verschwindendem Strom beginnen und nach Ablauf jeder (Sinus)halb- schwingung wieder bei verschwindendem Strom enden. Zwischen diesen (Sinus)halb- schwingungen verbleiben die Ströme (an den Ausgängen der sekundärseitigen HF- Netzwerke respektive an den Eingängen der primärseitigen HF-Netzwerke) für eine be stimmte Zeit verschwindend klein, d.h. zwischen den der Energieübertragung dienenden abwechselnden positiven und negativen (Sinus)halbschwingung liegen Zeitintervalle mit verschwindendem Strom und daher auch verschwindender Energieübertra gung vor. Current curves characteristic for operation with HC-DCM are characterized by alternating positive and negative, essentially sinusoidal, half-oscillations, which begin with vanishing current and end again after the end of each (sine) half-oscillation with vanishing current. Between these (sine) semi-oscillations, the currents (at the outputs of the secondary RF networks or at the inputs of the primary RF networks) remain negligibly small for a certain time, i.e. Between the alternating positive and negative (sine) semi-oscillations used for energy transmission there are time intervals with vanishing current and therefore also vanishing energy transmission.
Unter verschwindendem Strom ist ein Stromwert zu verstehen, der im wesentlichen Null ist. Insbesondere ist er wesentlich kleiner als ein Extremum des gleichen Stromverlaufs über eine Halbperiode. Beispielsweise ist er betragsmässig kleiner als ein Zwanzigstel oder kleiner als ein Fünfzigstel oder kleiner als ein Hundertstel des Maximalstromwertes (einer positiven Halbschwingung) respektive des Betrages des Minimalstromwertes (einer negativen Halbschwingung) der Halbperiode. A vanishing current means a current value that is essentially zero. In particular, it is significantly smaller than an extremum of the same current profile over a half period. For example, the amount is less than a twentieth or less than a fiftieth or less than a hundredth of the maximum current value (a positive half-wave) or the amount of the minimum current value (a negative half-wave) of the half-period.
Die Zeitintervalle mit verschwindendem Strom weisen eine Dauer von beispielsweise mindestens einem Zwanzigstel, insbesondere mindestens einem Zehntel der Dauer ei ner Halbperiode des entsprechenden Stromverlaufs auf. The time intervals with vanishing current have a duration of, for example, at least one twentieth, in particular at least one tenth, of the duration of a half period of the corresponding current profile.
In Ausführungsformen ist die Steuerung dazu ausgelegt, in dem HC-DCM die im Betrieb anpassbaren Steuerparameter wie folgt zu setzen, wobei 1 < k < m: In embodiments, the controller is designed to set the control parameters that can be adjusted during operation in the HC-DCM, where 1 <k <m:
Aktivierung aller Halbbrücken des HF-Wechselrichters; • Aktivierung beider Halbbrücken in mindestens einem der HF-Gleichrichter während Zeitintervallen, in denen der HF-Gleichrichter einen halbschwingungsförmigen Verlauf seines Eingangsstroms aufweist, und Deaktivierung einer oder bei der Halbbrücken des HF-Gleichrichters während Zeitintervallen, in denen der HF- Gleichrichter einen verschwindenden Eingangsstrom aufweist, wobei der Eingangsstrom eines HF-Gleichrichters als ein durch wechselspannungsseitige Schaltspannungsanschlüsse des HF-Gleichrichters fliessender Strom definiert ist; Activation of all half-bridges of the HF inverter; • Activation of both half bridges in at least one of the HF rectifiers during time intervals in which the HF rectifier has a semi-oscillatory course of its input current, and deactivation of one or in the half bridges of the HF rectifier during time intervals in which the HF rectifier has a vanishing input current The input current of an HF rectifier is defined as a current flowing through the switching voltage connections of the HF rectifier on the AC voltage side;
• Betreiben, in einem stationären Betrieb, aller Halbbrücken mit einem Tastverhältnis von 50%; • Operation, in a stationary operation, of all half bridges with a duty cycle of 50%;
• Setzen der Phasenwinkel ctk = (k- 1) 2 tt/m; • Setting the phase angle ct k = (k- 1) 2 tt / m;
• Setzen von ersten Phasenwinkeldifferenzen ßak - Ok = 0;  • Setting the first phase angle differences ßak - Ok = 0;
• Setzen von zweiten Phasenwinkeldifferenzen ßbk - ctk= TT. • Setting second phase angle differences ßbk - ct k = TT.
Die Halbbrücken der HF-Gleichrichter werden also mit einem Tastverhältnis von 50%; betrieben, wobei nur bei aktivierten Halbbrücken Schaltvorgänge stattfinden. The half-bridges of the HF rectifiers are thus with a duty cycle of 50%; operated, switching operations taking place only when half-bridges are activated.
Damit ist es möglich, ohne aktive Regelung der HF-Gleichrichter eine im wesentlichen lastunabhängige Spannung an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen der HF-Gleichrichter (bei Energieübertragung vom HF-Wechselrichter zu den HF- Gleichrichtern) respektive an den Gleichspannungsanschlüssen des HF-Wechselrich- ters (bei Energieübertragung von den HF-Gleichrichtern zum HF-Wechselrichter) zu erreichen. It is thus possible, without active regulation of the HF rectifiers, to have an essentially load-independent voltage at the isolated DC voltage connections of the HF rectifiers (for energy transmission from the HF inverter to the HF rectifiers) or at the DC voltage connections of the HF inverter (at Energy transfer from the HF rectifiers to the HF inverter).
Der Eingangsstrom eines HF-Gleichrichters ist gleich dem Ausganggstrom des angeschlossenen sekundärseitige HF-Netzwerks. Er fliesst in den Schaltspannungsanschluss oder Mittelpunktsanschluss einer der Halbbrücken und aus dem Schaltspan- nungsanschlus der anderen Halbbrücke des HF-Gleichrichters. The input current of an RF rectifier is equal to the output current of the connected secondary RF network. It flows into the switching voltage connection or midpoint connection of one of the half bridges and out of the switching voltage connection of the other half bridge of the HF rectifier.
In Ausführungsformen sind bei Energieübertragung vom HF-Wechselrichter zu den HF- Gleichrichtern, zum Ausbilden eines für HC-DCM charakteristischen Stromverlaufs am Ausgang von mindestens einem der sekundärseitigen HF-Netzwerke, einzelne oder alle Schalter von mindesten einem daran angeschlossenen HF-Gleichrichter deaktiviert. Insbesondere lassen dabei parallel zu den deaktivierten Schaltern vorhandene Dioden einen natürlichen Kommutierungsvorgang zu. In embodiments, in the case of energy transmission from the HF inverter to the HF rectifiers, in order to form a current profile characteristic of HC-DCM at the output of at least one of the secondary-side HF networks, some or all of them Switch of at least one HF rectifier connected to it deactivated. In particular, diodes present in parallel with the deactivated switches allow a natural commutation process.
In Ausführungsformen sind bei Energieübertragung von den HF-Gleichrichtern zum HF- Wechselrichter, zum Ausbilden eines für HC-DCM charakteristischen Strom Verlaufs am Eingang von mindestens einem der primärseitigen FIF-Netzwerke, einzelne oder alle Schalter des daran angeschlossenen HF-Wechselrichters deaktiviert. Insbesondere lassen dabei parallel zu den deaktivierten Schaltern vorhandene Dioden einen natürlichen Kommutierungsvorgang zu. In embodiments, when transmitting energy from the HF rectifiers to the HF inverter, to form a current characteristic characteristic of HC-DCM at the input of at least one of the primary-side FIF networks, individual or all switches of the HF inverter connected to it are deactivated. In particular, diodes present in parallel with the deactivated switches allow a natural commutation process.
Damit kann während dieser Deaktivierungs-Zeit eine Verlustreduktion durch Synchrongleichrichtung realisiert werden. A loss reduction by synchronous rectification can thus be realized during this deactivation time.
In Ausführungsformen liegen m = 3 sekundärseitige potentialgetrennte Gleichspannungsanschlüsse vor, und ist die Steuerung dazu ausgelegt, dass sich im HC-DCM Betrieb des Resonanzgleichspannungskonverters mit gegebener Spannung am Gleichspannungsanschluss des HF-Wechselrichters im Wesentlichen lastunabhängige Spannungen an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen der HF-Gleichrichter einstellen. In embodiments, there are m = 3 electrically isolated DC voltage connections on the secondary side, and the control is designed so that, in HC-DCM operation of the resonance DC voltage converter with a given voltage at the DC voltage connection of the HF inverter, essentially load-independent voltages are established at the electrically isolated DC voltage connections of the HF rectifiers.
In Ausführungsformen weisen die HF-Gleichrichter jeweils eine erste Halbbrücke mit Leistungsschaltern und eine zweite Halbbrücke mit Kondensatoren auf. lin Ausführungsformen weist die HF-Transformatoranordnung m einzelne HF-Transfor- matoren auf, und bilden insbesondere primärseitige Wicklungen dieser HF-Transforma- toren eine Dreieckschaltung oder eine Sternschaltung oder sind zwischen einer Stern- und Dreieckschaltung umschaltbar sind. Damit ist ein phasenmodularer Konverter rea- liserbar. In embodiments, the HF rectifiers each have a first half bridge with circuit breakers and a second half bridge with capacitors. In embodiments, the HF transformer arrangement has m individual HF transformers and, in particular, windings of these HF transformers on the primary side form a delta connection or a star connection or can be switched between a star and delta connection. This means that a phase-modular converter can be implemented.
In Ausführungsformen weisen die HF-Transformatoren jeweils zwei Sekundärwicklungen auf, und die Sekundärwicklungen aller HF-T ransformatoren bilden eine Zick-Zack- Schaltung. In Ausführungsformen weist die HF-Transformatoranordnung einen Mehrphasen-HF- Transformator mit m Phasen auf. Damit ist ein phasenintegrierter Konverter realisierbar. In embodiments, the RF transformers each have two secondary windings, and the secondary windings of all RF transformers form a zigzag circuit. In embodiments, the RF transformer arrangement has a multi-phase RF transformer with m phases. This means that a phase-integrated converter can be implemented.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:  The subject matter of the invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 : Schaltbild einer Gleichspannungsversorgung mit mehreren potentialgetrennten Ausgängen. Fig. 1: Circuit diagram of a DC voltage supply with several electrically isolated outputs.
Fig. 2: (a) Steuersignale der Flalbbrücken des HF-Wechselrichters, (b) mit Fig. 2(a) kor- respondierende Spannungen zwischen den Schaltspannungsanschlüssen der k-ten und ( c+1)-ten Fialbbrücke des Fl F-Wechsel richters (für 1 < k < m) bzw. zwischen den 2: (a) control signals of the flaling bridges of the HF inverter, (b) with FIG. 2 (a) corresponding voltages between the switching voltage connections of the k-th and (c + 1) -th fialb-bridge of the Fl F change richters (for 1 <k <m) or between the
Schaltspannungsanschlüssen der m-ten und ersten Halbbrücke des HF-Wechselrich- ters. Switching voltage connections of the m-th and first half-bridge of the HF inverter.
Fig. 3: (a) Steuersignale der Halbbrücken des k-ten HF-Gleichrichters, (b) mit Fig. 3(a) korrespondierende Spannung zwischen den Schaltspannungsanschlüssen der ersten und der zweiten Halbbrücke des k-ten HF-Gleichrichters (für 1 < k< m). 3: (a) control signals of the half-bridges of the k-th HF rectifier, (b) with FIG. 3 (a) corresponding voltage between the switching voltage connections of the first and the second half-bridge of the k-th HF rectifier (for 1 < k <m).
Fig. 4: Beispiel für die Ausbildung des Stroms in der sekundärseitigen Wicklung des ersten HF-T ransformators, k = 1 : (a) zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen des ersten primärseitigen HF-Netzwerks vorliegende Spannung und zwischen den ersten und zweiten Ausgangsklemmen des ersten sekundärseitigen HF-Netzwerks vorliegende Spannung; (b) mit Fig. 4(a) korrespondierende Spannungs- und Stromverläufe in der Spule des ersten sekundärseitigen HF-Netzwerks unter den Annahmen, dass die primärseitigen HF-Netzwerke durch HF-Kondensatornetzwerke und die sekundärseiti gen HF-Netzwerke durch HF-Serienschwingkreisnetzwerke realisiert werden und die Kapazitäten der Kondensatoren aller HF-Netzwerke so gross gewählt werden, dass diese Kondensatoren nur die Gleichanteile von den H F-T ransformatoren fernhalten. Fig. 4: Example of the formation of the current in the secondary winding of the first RF transformer, k = 1: (a) between the first and second input terminals of the first primary RF network voltage and between the first and second output terminals of the first secondary RF network voltage present; (b) with Fig. 4 (a) corresponding voltage and current profiles in the coil of the first secondary RF network under the assumptions that the primary RF networks are realized by RF capacitor networks and the secondary RF networks by RF series resonant network networks and the capacitance of the capacitors of all RF networks are chosen so large that these capacitors only keep the DC components away from the H FT transformers.
Fig. 5: Ausführungsform einer dreiphasigen Gleichspannungsversorgung. Fig. 5: embodiment of a three-phase DC voltage supply.
Fig. 6: Beispiel einer Steuerkennlinie bei Steuerung gemäss Wrede [2] für m = 3, in Abhängigkeit der an allen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen vorliegenden Leistungen Fi,s = P2,s = Pz,s und für symmetrischen Betrieb unter Verwendung folgender Kenndaten: Ts = 20 ps, m = m = m = 1 , Li = L2 = U = 222 mH, UP = 700 V, (7i,s = Lh,s = ü3,s = 700 V. Fig. 6: Example of a control characteristic for control according to Wrede [2] for m = 3, depending on the powers Fi, s = P2, s = Pz, s available at all electrically isolated DC connections and for symmetrical operation using the following Characteristics: T s = 20 ps, m = m = m = 1, Li = L2 = U = 222 mH, U P = 700 V, (7i, s = Lh, s = ü 3, s = 700 V.
Fig. 7: Mit dem Steuerverfahren für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleich- spannungskonverters ermittelte Steuerkennlinien für m = 3 und Up = rik Uk, in Abhängigkeit der an allen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen vorliegenden und auf die maximal konvertierbare Leistung bezogene Leistung, P/Pmax, für Pmax = Fig. 7: Control characteristics for m = 3 and U p = ri k U k determined with the control method for minimum conduction losses of the multiphase DC voltage converter, depending on the power available at all electrically isolated DC voltage connections and related to the maximum convertible power, P / Pmax , for Pmax =
0.112 Ts UP 2/L und m2U = m2Li = m2Lz = L 0.112 Ts U P 2 / L and m 2 U = m 2 Li = m 2 Lz = L
Fig. 8: Vergleich der mit dem vereinfachten Steuerverfahren nach [2] resultierenden Leitverluste (gestrichelt eingezeichnet) zu den Leitverlusten, die mit dem Steuerverfahren für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters resultieren (durchgezogen eingezeichnet), für die in Fig. 7 dargestellten Steuerkennlinien: m = 3 und UP = rik LJk, in Abhängigkeit der an allen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen vorliegenden und auf die maximal konvertierbare Leistung bezogene Leistung, P/Pmax, für Pmax = 0.112 Ts UP 2/L und r?i2Li = m2Lz = 2Lz = L Fig. 8: Comparison of the guide losses resulting with the simplified control method according to [2] (shown in dashed lines) to the guide losses which result with the control method for minimum guide losses of the multiphase DC voltage converter (drawn in solid lines) for the control characteristics shown in Fig. 7: m = 3 and U P = ri k LJ k , depending on the power available at all electrically isolated DC voltage connections and related to the maximum convertible power, P / Pmax, for Pmax = 0.112 Ts U P 2 / L and r? I 2 Li = m 2 Lz = 2 Lz = L
Fig. 9: Mit dem Steuerverfahren für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters ermittelte Steuerkennlinien für m = 3, in Abhängigkeit der am ersten potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss vorliegenden Leistung Pi,s, 0 <Fig. 9: With the control method for minimal conduction losses of the multi-phase DC converter, control curves for m = 3, depending on the power Pi, s , 0 <present at the first electrically isolated DC connection
P1 ,S < 0.8 Pmax, für drei verschiedene, am zweiten potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen vorliegende Leistungen Pz,s, P2,s/Pmax = (0.2, 0.4, 0.8}, und unter Verwendung folgender Kenndaten: m i/i,s / UP = n 2 Ife.s / UP = m Uz,s I UP = 1.0, Pj.s/Pmax = 0.8, Pmax = 0.112 Ts UP 2IL und m2Li = 2L2 = m2Lz = L.Fig. 10: Mit dem Steuerverfahren für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters ermittelte Steuerkennlinien für m = 3, in Abhängigkeit der am ersten potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss vorliegenden Leistung Pi,s, 0 < Pi ,s < 0.8 Pmax, für drei verschiedene, am ersten potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss anliegende Gleichspannungen L/i.s, ni L/i,s / L/p = {0.75, 1.0, 1.5}, und unter Verwendung folgender Kenndaten: P1, S <0.8 Pmax, for three different powers Pz, s, P2, s / Pmax = (0.2, 0.4, 0.8}, available at the second electrically isolated DC voltage connections, and using the following characteristic data: mi / i, s / U P = n 2 Ife.s / U P = m Uz, s IU P = 1.0, Pj.s / Pmax = 0.8, Pmax = 0.112 Ts U P 2 IL and m 2 Li = 2 L2 = m 2 Lz = L.Fig. 10: With the control method for minimum conduction losses of the multiphase DC voltage converter, control characteristic curves for m = 3, depending on the power Pi, s , 0 <Pi, s <0.8 Pmax present at the first electrically isolated DC voltage connection, for three different DC voltages present at the first electrically isolated DC voltage connection L / is, ni L / i, s / L / p = {0.75, 1.0, 1.5}, and using the following characteristics:
Ü1 ,S / (7p = P2 (72, s / (7p = m (7s, s / (7P = 1.0, P3,s/Pmax = 0.8, Pmax = 0.112 Ts (7P 2/L und m2Li = ri22L.2 = H32L3 = L. Ü1, S / (7p = P2 (72, s / (7p = m (7s, s / (7 P = 1.0, P 3, s / Pmax = 0.8, Pmax = 0.112 Ts (7 P 2 / L and m 2 Li = ri2 2 L.2 = H3 2 L3 = L.
Fig. 11 : Mit dem Steuerverfahrens für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters ermittelte Steuerkennlinien für m = 3, in Abhängigkeit der am ersten potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss vorliegenden Leistung Pi,S 0 < P1,S < 0.8 Pmax, für drei verschiedene, am zweiten potentialgetrennten Gleichspannungs- anschluss anliegende Gleichspannungen U2,s> m U2 s l Up = {0.75, 1.0, 1.5}, und unter Verwendung folgender Kenndaten: m L/i,s I Up = n2 U2,s / Up = Uz,s / Up = 1.0, Fig. 11: With the control method for minimum conduction losses of the multi-phase direct voltage converter, control characteristic curves for m = 3, depending on the power Pi, S 0 <present at the first electrically isolated direct voltage connection P1, S <0.8 Pmax, for three different DC voltages U 2, s> m U 2 s l Up = {0.75, 1.0, 1.5} applied to the second electrically isolated DC voltage connection, and using the following characteristic data: m L / i, s I Up = n 2 U 2, s / Up = Uz, s / Up = 1.0,
Ps.s/Pmax = 0.8, Pmax = 0.112 Ts L/P 2/L und m2Li = 2L2 = m2 = L Ps.s / Pmax = 0.8, Pmax = 0.112 Ts L / P 2 / L and m 2 Li = 2 L 2 = m 2 = L
Fig. 12: Vergleich der mit dem vereinfachten Steuerverfahren nach [2] resultierenden Leitverluste (gestrichelt eingezeichnet) zu den Leitverlusten, die mit dem Steuerverfah- ren für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters resultieren (durchgezogen eingezeichnet), d.h. für die in Figuren 7, 8 und 9 dargestellten Steuer kennlinien: m = 3, in Abhängigkeit der am ersten potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss vorliegenden Leistung Pi,s und, sofern in der Abbildung nicht abweichend angegeben, unter Verwendung folgender Kenndaten: Ts = 20 ps, m = m = = 1, Li =Fig. 12: Comparison of the guide losses resulting with the simplified control method according to [2] (shown in dashed lines) to the guide losses which result with the control process for minimal guide losses of the multi-phase DC voltage converter (shown with solid lines), ie for those in FIGS. 7, 8 and 9 shown control characteristic curves: m = 3, depending on the power Pi, s present at the first electrically isolated DC voltage connection and, unless otherwise indicated in the figure, using the following characteristic data: Ts = 20 ps, m = m = = 1, Li =
L2 = LZ = 222 pH, Up = 700 V, Lh.s = Ui,s = Uz,s = 700 V, P2,s = P3,s = 4 kW (Anmerkung: für Uk,s = 525 V lässt das vereinfachten Steuerverfahren keine höhere Leistung als Pk,s = 3.7 kW, k = {1 ,2,3}, zu). Für die betrachteten Beispiele liegt die erzielte Verbesserung typisch im Bereich zwischen 5% und 20%. L2 = LZ = 222 pH, Up = 700 V, Lh.s = Ui, s = Uz, s = 700 V, P 2 , s = P 3, s = 4 kW (note: for Uk, s = 525 V leaves the simplified control procedure does not exceed Pk, s = 3.7 kW, k = {1, 2,3}, zu). For the examples considered, the improvement achieved is typically in the range between 5% and 20%.
Fig. 13: (a) Simulierte Spannungs- und Stromverläufe mit dem vereinfachten Steuerverfahren und (b) dem Steuerverfahren für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters. Fig. 13: (a) Simulated voltage and current profiles with the simplified control method and (b) the control method for minimum conduction losses of the multi-phase DC converter.
Fig. 14: Mit dem Steuerverfahren für das Hochfahren des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit begrenztem Ausgangsstrom ermittelte Steuerkennlinien für m = 3, Up = 700 V und verschiedenen Ausgangsspannungen (üi,s = U2,s = Uz,s = {0, 200 V, 400 V, 600 V}). Dargestellt sind die Verläufe der Tastverhältnisse di,P = cfe.p = cfe, P in Abhän gigkeit des Ausgangsstroms des ersten, des zweiten und des dritten HF-Gleichrichters. Gewählte Kenndaten: = m = m = 1 , Li = L2 = = 222 pH, Ts = 20 ps. Fig. 14: With the control method for starting up the multiphase DC converter with limited output current, control characteristics determined for m = 3, Up = 700 V and various output voltages (üi, s = U 2, s = Uz, s = {0, 200 V, 400 V, 600 V}). The curves of the duty cycles di, P = cfe.p = cfe, P are shown as a function of the output current of the first, the second and the third HF rectifier. Selected characteristics: = m = m = 1, Li = L 2 = = 222 pH, Ts = 20 ps.
Fig. 15: Simulierte Spannungs- und Stromverläufe, die mit dem Steuerverfahren für das Hochfahren des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit begrenztem Ausgangsstrom während des Hochstartvorgangs. Fig. 15: Simulated voltage and current profiles using the control method for starting up the multi-phase DC-DC converter with limited output current during the start-up process.
Fig. 16: Steuerkennlinien für den Betrieb mit geringen Leistungen an allen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters für m = 3, Up = 700 V und verschiedenen Spannungen an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen: i/i,s = U2,s = U s = {525 V (strich-punktiert), 700 V (durchgezogen), 1050 V (strich liert)}. Dargestellt sind in (a) die Verläufe der Tastverhältnisse di ,p = 02, p = cfe, p und in (b) die Verläufe der Tastverhältnisse dai.s = dbi .s = da2,s = db2,s = da3,s = db3,s in Abhängigkeit des Ausgangsstroms des ersten, des zweiten und des dritten HF-Gleichrichters.; ausserdem gilt cr#c = (k- 1) 2 p / 3, ßak = ak + 2 p dk. und ßbk - ßak = 2 p / 3 für alle 1 < k < m. Gewählte Kenndaten: m = m = m = 1 , Li = L2 =Fig. 16: Control characteristic curves for operation with low powers on all isolated DC voltage connections of the multi-phase DC voltage converter for m = 3, Up = 700 V and different voltages on the isolated DC voltage connections: i / i, s = U 2, s = U s = { 525 V (dash-dotted), 700 V (solid), 1050 V (dashed lines)}. Shown in (a) are the courses of the duty cycles di, p = 02, p = cfe, p and in (b) are the courses of the duty cycles dai.s = dbi .s = da2, s = db2, s = d a 3, s = db3, s depending on the output current of the first, second and third RF rectifiers .; in addition, cr #c = (k- 1) 2 p / 3, ßa k = a k + 2 pd k . and ßb k - ßa k = 2 p / 3 for all 1 <k <m. Selected characteristics: m = m = m = 1, Li = L2 =
Lz = 222 pH, Ts = 20 ps. Lz = 222 pH, Ts = 20 ps.
Fig. 17: Simulierte Spannungs- und Stromverläufe für den Betrieb mit geringen Leistun gen an allen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters. Fig. 17: Simulated voltage and current curves for operation with low powers at all electrically isolated DC voltage connections of the multi-phase DC voltage converter.
Fig. 18: Mehrphasiger Gleichspannungshalbbrückenkonverter. Fig. 18: Multi-phase DC half-bridge converter.
Fig. 19: Ausführung als mehrphasiger Gleichspannungshalbbrückenkonverter mit pri- märseitiger Sternschaltung. Fig. 19: Version as a multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary star connection.
Fig. 20: Ausführung als mehrphasiger Gleichspannungshalbbrückenkonverter mit primärseitiger Sternschaltung und sekundärseitiger Zick-Zack-Schaltung. Fig. 20: Execution as a multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag connection.
Fig. 21 : Ausführung als mehrphasiger umschaltbarer Gleichspannungshalbbrückenkonverter. Fig. 21: Execution as a multi-phase switchable DC voltage half-bridge converter.
Fig. 22: Schaltungsvariante mit einem Mehrphasen-HF-T ransformator. Fig. 22: Circuit variant with a multi-phase RF transformer.
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of Carrying Out the Invention
Im Folgenden werden drei als Beispiele erläuterte Ausführungsformen des Steuerver- fahrens vorgestellt, entprechend unterschiedlichen Betriebsarten des Gleichspannungs- konverters. Die erste Ausführungform des Steuerverfahrens realisiert minimale Leitver luste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters, die zweite Ausführungsform des Steuerverfahrens ermöglicht das Hochfahren des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit begrenztem Ausgangsstrom und die dritte Ausführungsform einen Betrieb mit geringen Leistungen an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters. Grundsätzlich gilt für die Funktionsweise des Konverters, dass er gesteuert und auch geregelt werden kann, indem Spannungen von externen oder internen Quellen, typi- scherweise Kapazitäten, an die Induktivitäten geschaltet werden. Es ergeben sich Spannungsdifferenzen, welche die Ströme in den Induktivitäten treiben. Die Ströme wie- derum können die Spannungen von Kapazitäten verändern oder in einen Eingang oder Ausgang fliessen. In the following, three embodiments of the control method explained as examples are presented, corresponding to different operating modes of the DC voltage converter. The first embodiment of the control method realizes minimal Leitver losses of the multi-phase DC converter, the second embodiment of the control method enables starting up the multi-phase DC converter with limited output current and the third embodiment, operation with low power at the isolated DC voltage connections of the multi-phase DC converter. Basically, the principle of operation of the converter is that it can be controlled and regulated by connecting voltages from external or internal sources, typically capacitors, to the inductors. There are voltage differences that drive the currents in the inductors. The currents in turn can change the voltages of capacitances or flow into an input or an output.
Dem entsprechend kann eine Regelung, ausgehend von gewünschten Ausgangsspan nungen und tatsächlich vorliegenden Spannungen an Ausgangskapazitäten jeweils Ströme zur Korrektur dieser Spannungen bestimmen, und daraus wiederum Spannun- gen, die an die Induktivitäten geschaltet werden müssen, um diese Ströme zu erzeugen. Correspondingly, a control system can determine currents for correcting these voltages on the basis of desired output voltages and actually existing voltages on output capacitances, and in turn voltages that must be connected to the inductors in order to generate these currents.
Durch Spannungen und Ströme an einem Eingang respektive Ausgang ergibt sich die dort übertragene Leistung. Eine im Betrieb des Konverters auftretende Spannung oder Leistung an einem Ausgang oder Eingang kann bezüglich auf eine entsprechende ma- ximale Spannung oder Leistung bezogen werden.  The power transmitted there results from voltages and currents at an input or output. A voltage or power occurring at an output or input during operation of the converter can be related to a corresponding maximum voltage or power.
Das Steuerverfahren wird typischerweise mittels einer Steuereinheit realisiert, wobei das Steuerverfahren fest implementiert ist oder durch einen programmgesteuerten Mikroprozessor ausgeführt wird. Eingangsgrössen für das Steuerverfahren stammen insbesondere aus Spannungsmessungen und Strommessungen, Ausgangsgrössen sind Schaltsignale für die Schalter. The control method is typically implemented using a control unit, the control method being permanently implemented or being carried out by a program-controlled microprocessor. Input variables for the control process originate in particular from voltage measurements and current measurements, output variables are switching signals for the switches.
Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, zwei oder mehr der anschliessend vorge stellten Betriebsarten des Gleichspannungskonverters zu realisieren und zwischen diesen umzuschalten. The control unit can be set up to implement two or more of the subsequently presented operating modes of the direct voltage converter and to switch between them.
Die Ausführungsform des Steuerverfahrens für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters verwendet, aus technischen Gründen, Tastverhältnisse von 50%, konstante Schaltperioden und dauernd aktivierte Halbbrücken: The embodiment of the control method for minimal conduction losses of the multiphase DC converter uses, for technical reasons, duty cycles of 50%, constant switching periods and permanently activated half bridges:
1. Im stationären Betrieb werden alle Halbbrücken mit einem Tastverhältnis von 50% betrieben, d.h. c ,P = dak.s = dbk, s = 50% für 1 < k < m. Dies gewährleistet halbwellensymmetrische und daher mittelwertfreie Verläufe der an den primär- und sekundärseitigen T ransformatoranschlüssen anliegenden Spannungen und dient der Vermeidung einer andernfalls eventuell möglichen Sättigung der Mag netkerne der HF-Transformatoren. 1. In stationary operation, all half bridges are operated with a duty cycle of 50%, ie c, P = dak.s = dbk, s = 50% for 1 <k <m. This ensures half-wave symmetrical and therefore mean-free curves of the voltages and applied to the primary and secondary transformer connections serves to avoid a possible possible saturation of the magnetic cores of the HF transformers.
2. Es wird eine konstante Schaltperiode angenommen, zur Vermeidung hoher 2. A constant switching period is assumed to avoid high switching periods
Schaltverluste, für den Fall, dass die hier erläuterte Ausführungsform des Steuer- verfahrens niedrige Werte der Schaltperiode ermitteln würde, und zur Vermeidung einer Sättigung der Magnetkerne der HF-T ransformatoren, für den Fall, dass die hier erläuterte Ausführungsform des Steuerverfahrens hohe Werte der Schaltperiode ermitteln würde, da das Optimierungskriterium, welches in der hier erläuterten Ausführungsform des Steuerverfahrens verwendet wird, weder Schaltverluste noch Sättigung der Magnetkerne der FIF-T ransformatoren mit einbezieht.  Switching losses, in the event that the embodiment of the control method explained here would determine low values of the switching period, and to avoid saturation of the magnetic cores of the RF transformers, in the event that the embodiment of the control method explained here high values of the switching period would determine, since the optimization criterion, which is used in the embodiment of the control method explained here, does not include switching losses or saturation of the magnetic cores of the FIF-T transformers.
3. Die Aktivierungssignale aller Halbbrücken sind 1 , zur Gewährleistung des bidirektionalen Leistungsbetriebs, d.h. Speisen und Rückspeisen elektrischer Energie, an allen m potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen. 3. The activation signals of all half bridges are 1, to ensure bidirectional power operation, i.e. Feeding and regenerating electrical energy, at all m isolated DC connections.
Das Optimierungskriterium des Steuerverfahrens für minimale Leitverluste lautet:
Figure imgf000028_0001
The optimization criterion of the control procedure for minimal routing losses is:
Figure imgf000028_0001
wobei k, den Effektivwert des Stroms in der primärseitigen Wicklung des k-ten HF- Transformators und Rk einen Ersatzwiderstand repräsentiert, zur Berechnung der Leit verluste in dem Teil des mehrphasigen Gleichspannungskonverters, der dem k-ten HF- T ransformator zuzuordnen ist. where k, the effective value of the current in the primary-side winding of the k-th HF transformer and R k represents an equivalent resistance, for calculating the conductance losses in the part of the multiphase DC converter that is to be assigned to the k-th HF transformer.
Zur Optimierung kann in an sich bekannter Weise eine Simulation des Verhaltens des Konverters durchgeführt werden. Dabei können bestimmte Steuerparameter fest vorge geben werden und andere im Rahmen der Optimierung variiert werden. In der Simula tion werden beispielsweise Spannungen, Ströme und Leistungen berechnet, und daraus eine Zielfunktion, die als Optimierungskriterium dient. For optimization, a simulation of the behavior of the converter can be carried out in a manner known per se. Certain control parameters can be specified and others can be varied as part of the optimization. For example, voltages, currents and powers are calculated in the simulation, and from this a target function that serves as an optimization criterion.
Die sich damit ergebenden Steuerkennlinien des Steuerverfahrens für minimale Leitver luste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters umfassen die Werte der für des sen Optimierung verfügbaren Freiheitsgrade, d.h. die Werte von ak , ßak und ß k für 1 < k < m, in Abhängigkeit des Betriebspunkts. Für die Ermittlung der optimalen Werte für %, ßak und ßbk, 1 < k < m, lassen sich keine geschlossenen Lösungen bzw. Gleichungen finden, daher wird auf numerische Lösungsmethoden zurückgegriffen. Für die praktische Realisierung werden, aus technischen Gründen, bevorzugt Lookup-Tabellen verwendet, d.h. für verschiedene, innerhalb des Betriebsbereichs des Gleichspannungskonverters technisch sinnvoll verteilte Betriebspunkte werden die optimierten Werte für Offc, ßak und ßbk, 1 < k < m, im Vorhinein berechnet, in den Lookup-Tabellen abgespeichert und vom steuernden bzw. regelnden System des mehrphasigen Gleichspan nungskonverters mittels Interpolation für den aktuell vorliegenden Betriebspunkt appro ximiert und angewendet. The resulting control characteristics of the control method for minimal Leitver losses of the multi-phase DC converter include the values of the degrees of freedom available for its optimization, ie the values of ak, ßak and ß k for 1 <k <m, depending on the operating point. To determine the optimal values for%, ßak and ßbk, 1 <k <m, no closed solutions or equations can be found, therefore numerical solution methods are used. For technical reasons, lookup tables are preferably used for technical reasons, i.e. for various operating points that are technically meaningfully distributed within the operating range of the DC-DC converter, the optimized values for Of f c, ßak and ßbk, 1 <k <m, are determined in advance calculated, stored in the lookup tables and approved and applied by the controlling or regulating system of the multi-phase DC voltage converter by means of interpolation for the current operating point.
Die Anzahl der erforderlichen Lookup-Tabellen beträgt 3m (für Qk, ßak und ßbk, 1 < k < m) und die Dimension jeder Lookup-Tabelle beträgt 2 +1 (aufgrund der Definition des Betriebspunkts durch Up, Uk.s, Pk.s), d.h. bereits für die Ausführungsform des dreiphasigen Gleichspannungskonverters, m = 3, und 10 Stützstellen pro Dimension jeder Lookup-Tabelle fallen insgesamt 90 Millionen Werte an (9-107). Aufgrund der heutzutage verfügbaren Speicherbausteine stellt dies kein technisches Hindernis für eine praktische Realisierung dar, jedoch wird es als sinnvoll erachtet, für die detaillierte Charakterisierung der Ergebnisse für ak, ßak und ßbk, 1 < k < m, eine typische Ausführung und einen typischen Betriebsfall zu wählen. Es sind dies die Ausführung und der Betriebsfall, welche in bisherigen Veröffentlichungen im Rahmen von Untersuchungen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit vereinfachten Steuerverfahren betrachtet wurden: The number of required lookup tables is 3m (for Qk, ßak and ßbk, 1 <k <m) and the dimension of each lookup table is 2 +1 (due to the definition of the operating point by Up, Uk.s, Pk.s ), ie already for the embodiment of the three-phase DC converter, m = 3, and 10 support points per dimension of each lookup table, a total of 90 million values are generated (9-10 7 ). Due to the memory modules available today, this does not represent a technical obstacle for a practical implementation, but it is considered useful for the typical characterization of the results for ak, ßak and ßbk, 1 <k <m, a typical design and a typical operating case choose. These are the design and the operating case, which have been considered in previous publications as part of investigations of the multiphase DC converter with simplified control procedures:
• m = 3,  • m = 3,
• die primärseitigen HF-Netzwerke werden durch H F-Kondensatornetzwerke und die sekundärseitigen HF-Netzwerke durch HF-Serienschwingkreisnetzwerke realisiert, wobei die Induktivität des k-ten HF-Serienschwingkreisnetzwerks mit Lk bezeichnet wird (1 < k< m) und die Kapazitäten der Kondensatoren aller HF- Netzwerke so gross gewählt werden, dass diese Kondensatoren nur die Gleichanteile von den HF-T ransformatoren fernhalten, aber keine nennenswerten Ein flüsse auf die Stromverläufe in den Wicklungen der HF-T ransformatoren haben, • The primary-side RF networks are realized by HF capacitor networks and the secondary-side RF networks by RF series resonant circuit networks, the inductance of the kth RF series resonant circuit network being designated Lk (1 <k <m) and the capacitances of the capacitors of all HF networks are chosen so large that these capacitors only keep the DC components away from the HF transformers, but have no notable effects on the current profiles in the windings of the HF transformers,
• rik 2 Lk = L für 1 < k < m, Ri k 2 L k = L for 1 <k <m,
• Up = rik Uk, s und Pk,s = P, für 1 < k < m und 0 < P < Pmax mit Pmax = 0.112 Ts UP 2/L. Fig. 7 stellt die mittels Optimierungsrechnung ermittelten Ergebnisse für die oben genannte Ausführung und den oben genannten Betriebsfall dar (es gilt si = 0 und 1 < k < m), die in folgender Tabelle aufgeführt sind: • Up = ri k Uk, s and Pk, s = P, for 1 <k <m and 0 <P <Pmax with Pmax = 0.112 T s U P 2 / L. FIG. 7 shows the results obtained by means of optimization calculations for the above-mentioned embodiment and the above-mentioned operating case (si = 0 and 1 <k <m), which are listed in the following table:
Tabelle 1 Table 1
Figure imgf000030_0001
Figure imgf000030_0001
Fig, 8 stellt die für das vorbekannte vereinfachte Steuerverfahren resultierenden Leit verluste den Leitverlusten gegenüber, die mit dem optimierten Steuerverfahren für mini- male Leitverluste für einen mehrphasigen Gleichspannungskonverter mit m = 3 und für Up = m< Uk, s und P^s = P, für 1 < k < m und 0 < Pf Pmax < 1 , unter Verwendung folgender Kenndaten, resultieren: Ts = 20 gs, m = n2 = m = 1 , Li = L2 = L3 = 222 mH, Pi = P2 =FIG. 8 compares the leading losses resulting for the previously known simplified control method with the leading losses, and those with the optimized control method for minimal leading losses for a multiphase direct voltage converter with m = 3 and for Up = m < U k, s and P ^ s = P, for 1 <k <m and 0 <Pf Pmax <1, using the following characteristics, result: T s = 20 gs, m = n 2 = m = 1 , Li = L 2 = L3 = 222 mH, Pi = P 2 =
P3 = 1.5 W, L/P = 700 V, I/1, s = L/2,S = 5/3, s = 700 V. Es liegt immer eine Reduktion der Leitverluste vor, für P > Pmax/2 liegt die erzielte Verbesserung im Bereich zwischen 3% und 5%. P3 = 1.5 W, L / P = 700 V, I / 1, s = L / 2, S = 5/3, s = 700 V. There is always a reduction in the conduction losses, for P> Pmax / 2 this is achieved improvement in the range between 3% and 5%.
Figuren 9, 10 und 11 stellen beispielhaft weitere mittels Optimierungsrechnung ermittel ten Ergebnisse der Steuerkennlinien des Steuerverfahrens für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit = 3 für die unten aufgezählten Be- triebspunkte dar, unter den Annahmen, dass die primärseitigen HF-Netzwerke durch HF-Kondensatornetzwerke und die sekundärseitigen HF-Netzwerke durch HF-Serien- schwingkreisnetzwerke realisiert werden, dass die Induktivität des /c-ten HF-Serien- schwingkreisnetzwerks mit Lk bezeichnet (1 < k < m) wird und dass die Kapazitäten der Kondensatoren aller HF-Netzwerke so gross gewählt werden, dass diese Kondensato- ren nur die Gleichanteile von den HF-T ransformatoren fern halten, aber keine nennenswerten Einflüsse auf die Stromverläufe in den Wicklungen der HF-T ransformatoren haben: FIGS. 9, 10 and 11 exemplify further results of the control characteristic curves of the control method for minimum conduction losses of the multi-phase DC voltage converter with = 3 for the operating points listed below, based on the assumptions that the primary-side RF networks by RF capacitor networks and the secondary-side RF networks are implemented by RF series resonant circuit networks, that the inductance of the / c-th RF series resonant circuit network is designated L k (1 <k <m) and that the capacitors of all RF networks are capacitors should be chosen so large that these capacitors only keep the DC components away from the HF transformers, but have no significant effects on the current profiles in the windings of the HF transformers:
- Fig, 9: - Fig. 9:
m L/i,s I Up = P2 1/2, s / Up = m /3,s / Up = 1.0, m L / i, s I Up = P2 1/2, s / Up = m / 3, s / Up = 1.0,
0 < Pl,s < 0.8 Pmax, P2,s/Pmax = {0.2, 0.4, 0.8} Und P3,s/Pmax = 0.8.  0 <Pl, s <0.8 Pmax, P2, s / Pmax = {0.2, 0.4, 0.8} And P3, s / Pmax = 0.8.
- Fig. 10: - Fig. 10:
m /i,s / ÜP = {0.75, 1.0, 1.5}, m U2,s / Up = m iis.s / t7P = 1.0, m / i, s / Ü P = {0.75, 1.0, 1.5}, m U 2, s / Up = m iis.s / t7 P = 1.0,
0 < Pl,s < 0.8 Pmax, P2,s/Pmax = P3,s/Pmax = 0.8. 0 <Pl, s <0.8 Pmax, P2, s / Pmax = P3, s / Pmax = 0.8.
- Fig. 11: - Fig. 11:
n2 (i2 S / Up = {0.75, 1.0, 1.5}, m (7i,s / t/P = Lfe.s / (iP = 1.0, n 2 (i2 S / Up = {0.75, 1.0, 1.5}, m (7i, s / t / P = Lfe.s / (i P = 1.0,
0 < Pi ,s < 0.8 Pmax, P2,s/Pmax = P3,s/Pmax = 0.8. 0 <Pi, s <0.8 Pmax, P 2, s / Pmax = P3, s / Pmax = 0.8.
Tabelle 2: Table 2:
P3 / Pmax— 0,8 und nzU3ts / L/P—1.0 P3 / Pmax - 0.8 and nzU3 t s / L / P - 1.0
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Fig. 12 stellt die für das (vorbekannte) vereinfachte Steuerverfahren resultierenden Leitverluste den Leitverlusten gegenüber, die mit dem optimierten Steuerverfahren für mini- male Leitverluste für einen mehrphasigen Gleichspannungskonverter mit m = 3, in Abhängigkeit der am ersten potentialgetrennten Gleichspannungsanschluss vorliegenden Leistung Pi,s und, sofern in der Abbildung nicht abweichend angegeben, unter Verwendung folgender Kenndaten, resultieren: Ts = 20 ps, = nz = nz = 1 , Li = L2 = Ls =12 compares the guide losses resulting for the (previously known) simplified control method with the guide losses which are achieved with the optimized control method for minimum guide losses for a multiphase DC voltage converter with m = 3, depending on the power Pi, s and... Present at the first potential-separated DC voltage connection , unless otherwise stated in the figure, using the following characteristics, result: T s = 20 ps, = nz = nz = 1, Li = L 2 = Ls =
222 pH, Pi = Rz = Rz = 1.5 W, Up = 700 V, üi,s = ü2,s = Uz, s = 700 V, P2,s = Pz, s = 4 kW Für die betrachteten Beispiele liegt immer eine Reduktion der Leitverluste vor und die erzielte Verbesserung liegt typisch im Bereich zwischen 5% und 20%. 222 pH, Pi = Rz = Rz = 1.5 W, Up = 700 V, üi, s = ü 2, s = Uz, s = 700 V, P 2, s = Pz, s = 4 kW For the examples considered there is always there is a reduction in the lead losses and the improvement achieved is typically in the range between 5% and 20%.
Fig. 13 zeigt gemäss (a) simulierte Spannungs- und Stromverläufe mit dem vereinfachten Steuerverfahren und (b) dem Steuerverfahren für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters; dargestellte Verläufe in (a) und (b): oben: t/i,2 P, t/i,s und den Strom /i durch Li; Mitte: U2,z,p, uz, s und den Strom /2 durch Lz\ unten: 1/3, i P, uz,s und den Strom /3 durch Lz. Die dargestellten Verläufe wurden ermittelt für: m = 3,13 shows voltage and current curves simulated according to (a) using the simplified control method and (b) the control method for minimum conduction losses of the multiphase DC voltage converter; curves shown in (a) and (b): top: t / i, 2 P , t / i, s and the current / i through Li; Middle: U2, z, p, uz, s and the current / 2 through Lz \ below: 1/3, i P , uz, s and the current / 3 through Lz. The curves shown were determined for: m = 3,
UP = 700 V, Ui,s = 700 V, Uz, s = 525 V, Uz.s = 700 V, Pi,s = 1 kW, P2.s = 3.7 kW, Pz, s = 4 kW; im Gegensatz zum vereinfachten Steuerverfahren verwendet das Steuerverfah- ren für minimale Leitverluste u.a. auch os - <12 > (2p/3) und 2 p - > (2p/3), erzielt eine Verringerung der Effektivwerte der Ströme in den Wicklungen des zweiten und dritten HF-T ransformators und insgesamt eine Verringerung der Summe aller Leitverluste. Gewählte Kenndaten: m = m = m = 1 , Li = L2 = L3 = 222 pH, Ts = 20 ps. U P = 700 V, Ui, s = 700 V, Uz, s = 525 V, Uz.s = 700 V, Pi, s = 1 kW, P 2.s = 3.7 kW, Pz, s = 4 kW; In contrast to the simplified control method, the control method also uses os - <12> (2p / 3) and 2 p -> (2p / 3) for minimal conduction losses, achieving a reduction in the effective values of the currents in the windings of the second and third HF transformers and overall a reduction in the total of all line losses. Selected characteristics: m = m = m = 1, Li = L2 = L3 = 222 pH, Ts = 20 ps.
Die Ausführungsform des Steuerverfahrens für das Hochfahren des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit begrenztem Ausgangsstrom begründet sich darin, dass das vereinfachte Steuerverfahren und das oben beschriebene Steuerverfah- ren für minimale Leitverluste während des Hochfahrens des mehrphasigen Gleichspan- nungskonverters, aufgrund des Aufladens der an die potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen angeschlossenen Zwischenkreiskondensatoren, sehr hohe Ströme in allen Leistungshalbleitern und in allen HF-Transformatoren des betrachteten mehrphasigen Gleichspannungskonverters verursachen. Die gleichzeitige Reduktion der Ef fektivwerte der Ströme in allen Leistungshalbleitern und in allen HF-T ransformatoren lässt sich nur erreichen, wenn durch geeignete Massnahmen eine wesentliche Reduk tion der Effektivwerte der zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen aller primärseitigen HF-Netzwerke vorliegenden Spannungen bis hin zu Werten nahe Null erreicht wird, was sich, aufgrund der Verkettungen der zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen der primärseitigen HF-Netzwerke vorliegenden Spannungen, nur er- reichen lässt, wenn die Tastverhältnisse der Steuersignale der Halbbrücken des HF- Wechselrichters von 50% abweichen, d.h. es gilt dk,p F 50% für 1 < k < m. The embodiment of the control method for starting up the multiphase DC voltage converter with limited output current is based on the fact that the simplified control method and the above-described control method for minimal conduction losses during startup of the multiphase DC voltage converter, due to the charging of the intermediate circuit capacitors connected to the isolated DC voltage connections , cause very high currents in all power semiconductors and in all HF transformers of the multiphase DC converter under consideration. The simultaneous reduction of the effective values of the currents in all power semiconductors and in all HF transformers can only be achieved if suitable measures significantly reduce the effective values of the voltages present between the first and second input terminals of all primary-side HF networks Values close to zero are reached, which can only be achieved if the duty cycles of the control signals of the half-bridges of the HF inverter deviate from 50%, ie, because of the concatenation of the voltages present between the first and second input terminals of the primary-side HF networks d k, p F 50% for 1 <k <m.
Das Steuerverfahren für das Hochfahrens des mehrphasigen Gleichspannungskonver ters mit begrenztem Ausgangsstrom ist durch folgende Definitionen gekennzeichnet, wobei 1 < k < m gilt: The control method for starting up the multiphase DC converter with limited output current is characterized by the following definitions, where 1 <k <m:
o die Aktivierungssignale aller Halbbrücken des HF-Wechselrichters sind 1 und o die Aktivierungssignale aller Halbbrücken der HF-Gleichrichter sind 0, d.h. alle HF- Gleichrichter werden als Diodengleichrichter betrieben und entsprechend stellen sich ßak und ßbkje nach Betriebspunkt natürlich ein. o the activation signals of all half-bridges of the HF inverter are 1 and o the activation signals of all half-bridges of the HF rectifiers are 0, i.e. all HF rectifiers are operated as diode rectifiers and accordingly ßa k and ßb k are naturally set depending on the operating point.
o entweder 0 < d p < 1 I m oder (m - 1 ) / m < dk. < 1. Optional, für paralleles Hochfahren aller k Module, können die primärseitigen Tastverhältnisse gleich gesetzt werden: o either 0 <dp <1 I m or (m - 1) / m <d k . <1. Optionally, for parallel startup of all k modules, the primary-side duty cycles can be set the same:
o dk,p = c/i ,p od k, p = c / i, p
Typischerweise gilt dabei auch einer oder beide der folgenden Zusammenhänge: Typically, one or both of the following relationships also apply:
O dak,s = d k,s = 50%, O da k, s = d k, s = 50%,
o ak = {k- 1) lirlm. oa k = {k- 1) lirlm.
Zur Steuerung des Ausgangsstroms des k- ten sekundärseitigen HF-Gleichrichters ver bleiben als Freiheitsgrade das Tastverhältnis dk, P und die Schaltperiode Ts. Bei gegebe nem Wert für Ts wird dk, p so gewählt, dass diesekundärseitigen HF-Gleichrichter sinnvolle bzw. aufgrund der Vorgaben erforderliche Ströme zum Laden der Ausgangskondensatoren bereitstellen. Die Schaltperiode kann so eingestellt werden, dass im vorliegenden Arbeitspunkt ein gewünschtes Ziel, z.B. minimale Verluste, erreicht wird. In order to control the output current of the kth secondary RF rectifier, the duty cycle d k, P and the switching period Ts remain as degrees of freedom. Given the value for Ts, d k, p is selected such that this secondary RF rectifier makes sense or is based on provide the currents required to charge the output capacitors. The switching period can be set so that a desired goal, for example minimal losses, is achieved in the present operating point.
Fig. 14 stellt Beispiele für Verläufe von di,P für einen mehrphasigen Gleichspannungskonverter mit m = 3 für verschiedene Betriebspunkte dar, unter den Annahmen, dass die primärseitigen HF-Netzwerke durch HF-Kondensatornetzwerke und die sekundär seitigen HF-Netzwerke durch HF-Serienschwingkreisnetzwerke realisiert werden, dass die Induktivität des k- ten HF-Serienschwingkreisnetzwerks mit Lk bezeichnet (1 < k < m) wird und dass die Kapazitäten der Kondensatoren aller HF-Netzwerke so gross gewählt werden, dass diese Kondensatoren nur die Gleichanteile von den HF-T ransformatoren fernhalten, aber keine nennenswerten Einflüsse auf die Stromverläufe in den Wicklun gen der HF-T ransformatoren haben. Als Gültigkeitsbereich von di,P wurde der erste oben genannte Gültigkeitsbereich, 0 < di,P < 1 I m, gewählt (dasselbe Ergebnis würde für 1 - di,P resultieren). Für 1 < k < m gilt: die Verläufe von di,P sind in Abhängigkeit des Ausgangsstromes des /c-ten sekundärseitigen HF-Gleichrichters und für verschiedene Werte von 14, s = {0, 200 V, 400 V, 600 V} dargestellt. Die für die Ermittlung der in Fig. 14 abgebildeten Verläufe gewählten Betriebspunkte sind ausserdem charakterisiert durch m = m = m = 1 , Li = L = Lz = 222 pH, UP = 700 V und Ts = 20 ps, d.h. zur Vereinfachung der Darstellung wurde eine konstante Schaltperiode gewählt. Als Ergebnis resultiert für monoton ansteigenden Ausgangsstrom des /c-ten Gleichspannungskonverters und konstanten Wert für 14, s ein monoton ansteigendes Tastverhältnis di,P. Für konstantes Tastverhältnis und monoton ansteigendes 14, s des k-ten Gleichspannungskonverters resultiert ein monoton abfallender Ausgangsstrom des k-ten Gleichspannungskonverters, welcher für Uk, s = UP f hk verschwindet. Aufgrund dieses Zusammenhangs stellt das Steuerverfahren für das Hochfahren des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit begrenztem Ausgangsstrom inhärent sicher, dass diese Grenze nicht überschritten wird, in einer praktischen Anwendung daher 14, s < Up I rik gilt, was insbesondere während der Dauer des Hochfahrens von praktischem Nutzen sein kann, da während dieser Zeitspanne eventuell auch einzelne Überwachungs- und Messkomponenten zunächst erst gestartet werden. 14 shows examples of courses of di, P for a multi-phase DC voltage converter with m = 3 for different operating points, on the assumption that the primary-side RF networks are realized by RF capacitor networks and the secondary-side RF networks by RF series resonant circuit networks be that the inductance of the kth HF series resonant circuit network is denoted by L k (1 <k <m) and that the capacitance of the capacitors of all HF networks is chosen to be so large that these capacitors only have the DC components from the HF-T Keep transformers away, but have no significant influence on the current profiles in the windings of the HF transformers. The first range of validity mentioned above, 0 <di, P <1 I m, was chosen as the range of validity of di, P (the same result would result for 1-di, P ). The following applies for 1 <k <m: the curves of di, P are shown as a function of the output current of the / c-th secondary rectifier and for different values of 14, s = {0, 200 V, 400 V, 600 V} . The operating points selected for the determination of the curves shown in FIG. 14 are also characterized by m = m = m = 1, Li = L = Lz = 222 pH, U P = 700 V and Ts = 20 ps, ie to simplify the illustration a constant switching period was selected. The result is a monotonically increasing duty cycle di, P for a monotonically increasing output current of the / c-th DC converter and a constant value for 14, s . For constant duty cycle and monotonically increasing 14, s of the k-th DC converter results in a monotonically falling output current of the k-th DC converter, which disappears for U k, s = U P f hk. Because of this connection, the control method for starting up the multiphase DC converter with limited output current inherently ensures that this limit is not exceeded, so in a practical application 14, s <Up I ri k applies, which is particularly useful during the start-up period can be, as individual monitoring and measuring components may also only be started during this period.
Fig. 15 zeigt simulierte Spannungs- und Stromverläufe, die mit dem Steuerverfahren für das Hochfahren des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit begrenztem Ausgangsstrom während des Hochstartvorgangs für m = 3, di,P = cfe, p = cfe.p = 15%, Up =Fig. 15 shows simulated voltage and current profiles, which with the control method for starting up the multiphase DC converter with limited output current during the start-up process for m = 3, di, P = cfe, p = cfe.p = 15%, Up =
700 V bei verschiedenen Ausgangsspannungen resultieren: (a) L/i,s = 14, s = 14, s = 0,700 V at different output voltages result: (a) L / i, s = 14, s = 14, s = 0,
(b) üi,s = 14, s = l/3, s = 200 V und (c) l/i,s = 14, s = 14, s = 400 V. = m = nz = 1 , Li = Li = Lz = 222 pH und Ts = 20 ps. Dargestellte Verläufe in (a), (b) und (c): oben: ui,2,P, m,s und Strom durch Z_i ; Mitte: U2,z,p, 1/2, s und Strom durch £.2; unten: 1/3, i P, uz.s und Strom durch Lz. Gewählte Kenndaten: = m = nz = 1 , i = L2 = L3 = 222 pH, Ts = 20 ps. (b) üi, s = 14, s = l / 3, s = 200 V and (c) l / i, s = 14, s = 14, s = 400 V. = m = nz = 1, Li = Li = Lz = 222 pH and T s = 20 ps. Shown courses in (a), (b) and (c): above: ui, 2, P , m, s and current through Z_i; Middle: U2, z, p, 1/2, s and current through £ .2; below: 1/3, i P , uz.s and current through Lz. Selected characteristics: = m = nz = 1, i = L2 = L3 = 222 pH, Ts = 20 ps.
Die Ausführungsform des Steuerverfahrens für den Betrieb mit geringen Leistungen an allen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters begründet sich darin, dass es bei geringen Aus- gangsleistungen für die genaue und stabile Regelung aller Ausgangsströme von Vorteil ist, wenn beim vorliegenden mehrphasigen Gleichspannungskonverter die zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen aller primärseitigen HF-Netzwerke und zwi schen den ersten und zweiten Ausgangsklemmen aller sekundärseitigen HF-Netzwerke vorliegenden Spannungen geringe Effektivwerte aufweisen, d.h. Spannungsverläufe aufweisen, die für eine, im Verhältnis zur Schaltperiode, relativ lange Zeitspanne nahe bei Null und nur für eine relativ kurze Zeitspanne positiv bzw. negativ sind. Mit dem oben beschriebene Steuerverfahren für minimale Leitverluste des mehrphasigen The embodiment of the control method for the operation with low powers at all electrically isolated DC voltage connections of the multi-phase DC voltage converter is based on the fact that with low output powers it is advantageous for the precise and stable regulation of all output currents if, in the present multi-phase DC voltage converter, the between the first and second input terminals of all primary-side RF networks and between the first and second output terminals of all secondary-side RF networks, voltages present have low effective values, ie Have voltage curves that are positive or negative for a relatively long period of time in relation to the switching period, and only for a relatively short period of time. Using the control method described above for minimal routing losses of the multi-phase
Gleichspannungskonverters, sowie mit dem vereinfachten Steuerverfahren, lässt sich dies jedoch für die primärseitigen HF-Netzwerke, aufgrund der verwendeten Tastver- hältnisse von dk.p = 50%, 1 < k < m, und aufgrund der Verkettungen der Spannungen, die zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen der primärseitigen HF-Netz- werke anliegen, nicht für alle m primärseitigen HF-Netzwerke gleichzeitig erreichen. Die gleichzeitige Reduktion der Effektivwerte der zwischen den ersten und zweiten Ein- gangsklemmen aller primärseitigen HF-Netzwerke vorliegenden Spannungen bis hin zu Werten nahe Null lässt sich, aufgrund der Verkettungen der zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen der primärseitigen HF-Netzwerke vorliegenden Spannungen, nur dadurch erreichen, dass die Tastverhältnisse der Steuersignale der Halbbrücken des HF-Wechselrichters von 50% abweichen, d.h. es gilt dk, P F 50% für 1 < k < m. DC converter, as well as with the simplified control method, this can be done for the primary-side RF networks, however, due to the used duty cycle of d k .p = 50%, 1 <k <m, and due to the chaining of the voltages, that are present between the first and second input terminals of the primary RF networks, do not reach for all m primary RF networks simultaneously. The simultaneous reduction of the effective values of the voltages present between the first and second input terminals of all primary-side RF networks down to values close to zero can only be done because of the concatenation of the voltages present between the first and second input terminals of the primary-side RF networks ensure that the duty cycle of the control signals of the half-bridges of the HF inverter deviate from 50%, ie d k, P F 50% for 1 <k <m.
Als geringe Leistungen können Leistungen mit weniger als 20% oder 30% der maximalen Leistung betrachtet werden. Services with less than 20% or 30% of the maximum output can be considered as low outputs.
Das Steuerverfahren für den Betrieb mit geringen Leistungen an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen des mehrphasigen Gleichspannungskonverters ist durch folgende Definitionen gekennzeichnet, wobei 1 < k < m gilt: The control procedure for low-power operation at the isolated DC voltage connections of the multiphase DC converter is characterized by the following definitions, where 1 <k <m:
o alle Aktivierungssignale sind 1.  o all activation signals are 1.
o 0 < dk.p + dak.s < 1 1 m, d.h. in jedem Modul liegt die Summe der Tastverhältnisse der Primär- und Sekundärseite zwischen Null und 1 I m.  o 0 <dk.p + dak.s <1 1 m, i.e. in each module the sum of the duty cycles on the primary and secondary side is between zero and 1 I m.
Zudem können einer oder mehrere der folgenden Zusammenhänge durch die Steuerung realisiert werden: In addition, one or more of the following relationships can be implemented by the controller:
o dk, p = cfi.p, d.h. die Tastverhältnisse der getrennten Gleichspannungsanschlüsse sind gleich. Dies ist bei symmetrischer Last zweckmässig  o dk, p = cfi.p, i.e. the duty cycles of the separate DC voltage connections are the same. This is useful for symmetrical loads
o dak,s = dbk.s, d.h. die Tastverhältnisse in den beiden Halbbrücken der HF-Gleich- richter 5 sind gleich, wodurch ein DC-Anteil eliminiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein DC-Anteil auch durch Seriekondensatoren eliminiert werden o cr/c = (k - 1 ) 2 TT Im, d.h. auf der Primärseite wird eine Phasenverschiebung zwischen den m Phasen realisiert; o dak, s = dbk.s, ie the duty cycles in the two half bridges of the HF rectifier 5 are the same, as a result of which a DC component can be eliminated. Alternatively or additionally, a DC component can also be eliminated by series capacitors o cr / c = (k - 1) 2 TT Im, ie a phase shift between the m phases is realized on the primary side;
ßbk - ßak = 2 p / m, d.h. zwischen Spannungspulsen der beiden Halbbrücken der HF- Gleichrichter liegt eine Phasenverschiebung vor. Damit schliesst sich der negative Spannungspuls auf der Sekundärseite (des HF-Gleichrichters) mit der gleichen Verzö- gerung an einen negativen Spannungspuls der Primärseite (des HF-Wechselrichters) an, wie dies für die positiven Spannungspulse der Fall ist. Dadurch können Verluste reduziert werden (vgl. Fig. 17). Mit der Definition von ak, für dk,P = di,P und nach der Festlegung von di, resultiert folgender Verlauf für die zwischen der ersten und zweiten Eingangsklemme des ersten primärseitigen HF-Netzwerks anliegenden Spannung i/i,2,P(f): ßbk - ßak = 2 p / m, ie there is a phase shift between the voltage pulses of the two half bridges of the HF rectifier. The negative voltage pulse on the secondary side (of the HF rectifier) thus connects to a negative voltage pulse of the primary side (of the HF inverter) with the same delay as is the case for the positive voltage pulses. This can reduce losses (see Fig. 17). With the definition of a k , for d k , P = di, P and after the definition of di, the following curve results for the voltage i / i, 2, P () between the first and second input terminal of the first primary-side RF network. f):
o 0 < t < di, Ts:ui,2,p(t) « Up (als Zeitintervall lP bezeichnet), o 0 <t <di, T s : ui, 2, p (t) «Up (referred to as time interval l P ),
o di,p 7s < t < Ts / /7?:t/i,2,p(f) « 0 (als Zeitintervall ll bezeichnet), o di, p 7s <t <Ts / / 7?: t / i, 2, p (f) «0 (referred to as time interval ll),
o Ts I m < t < (di,P + 1 / m)7s: i/i,2,P(f) « -Up (als Zeitintervall lllp bezeichnet), o (di,P + 1 / m)Ts < t < Ts: ui,2,P(f) « 0 (als Zeitintervall IVP bezeichnet).o Ts I m <t <(di, P + 1 / m) 7s: i / i, 2, P (f) «-Up (referred to as time interval IIIp), o (di, P + 1 / m) Ts < t <T s : ui, 2, P (f) «0 (referred to as time interval IV P ).
Die Verläufe der zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen der restlichen, k- ten primärseitigen FIF-Netzwerke anliegenden Spannungen sind gleich den Verläufen von m ,2,p(t— (k— 1 ) Ts / m). The curves of the voltages present between the first and second input terminals of the remaining, kth primary-side FIF networks are equal to the curves of m, 2, p (t— (k— 1) Ts / m).
Mit den Definitionen von ßbk - ßak und dak.s = dbk.s und nach der Festlegung von ßak und dak.s resultiert folgender Verlauf für die zwischen der ersten und zweiten Ausgangs- klemme des /c-ten sekundärseitigen HF-Netzwerks anliegenden Spannung t/i,s(f) (gilt für 1 < k < m): With the definitions of ßbk - ßak and da k .s = db k .s and after the determination of ßak and da k .s, the following results for the between the first and second output terminal of the / c-th secondary RF network applied voltage t / i, s (f) (applies to 1 <k <m):
o 0 < t - Ts ßak / (2 p) < da c,s Ts. i/i, s(f) « Us (Zeitintervall ls), o 0 <t - Ts ßak / (2 p) <da c, s Ts. i / i, s (f) «Us (time interval l s ),
o dak.s Ts< t - Ts ßak / (2 p) < Ts / m: ui ,s(t) « 0 (Zeitintervall lls), o dak.s T s <t - Ts ßak / (2 p) <Ts / m: ui, s (t) «0 (time interval lls),
o Ts I m < t - Ts ßak / (2 TT) < (dak.s + 1 / m) Ts: ,s(t) « -Us (Zeitintervall llls), o (dak.s + 1 / m)Ts < t- Fs ßak / (2 TT) < Ts: i/i,s(f) « 0 (Zeitintervall IVS). o Ts I m <t - Ts ßak / (2 TT) <(dak.s + 1 / m) T s :, s (t) «-Us (time interval llls), o (dak.s + 1 / m) T s <t- Fs ßak / (2 TT) <T s : i / i, s (f) «0 (time interval IV S ).
Das vorgestellte Steuerverfahren lässt sich, statt mit The presented tax procedure can be used instead of
o 0 < di,P + dak.s < 1 I m, o 0 <di, P + da k .s <1 I m,
o dak.s = dbk.s, o dak.s = dbk.s,
o ßbk - ßak = 2 p / m,  o ßbk - ßak = 2 p / m,
in einer ersten Alternative auch mit folgenden Steuerparametern realisieren (es resul tiert hier dieselbe sekundärseitige Spannung): In a first alternative, also implement the following control parameters (the same secondary voltage results here):
o 0 < di,P + (ßbk - ßak) / (2 p) < 1 / m, o 0 <di, P + (ßbk - ßak) / (2 p) <1 / m,
O dak.s = dbk.s = 1 / P7, O da k .s = db k .s = 1 / P7,
wobei die Freiheitsgrade ßb die ursprünglich verfügbaren Freiheitsgrade dak.s (zur Steuerung der Ausgangsströme der m sekundärseitigen HF-Gleichrichter) ersetzen. Die erste Alternative hat keine Auswirkung auf die Wahl von ßak, d.h., je nach Energieflussrichtung, ist wieder ßak = Oak ± 2 p dk,P eine sinnvolle Wahl. where the degrees of freedom ßb replace the originally available degrees of freedom da k .s (for controlling the output currents of the m secondary RF rectifiers). The first alternative has no effect on the choice of ßak, ie depending on the direction of energy flow, ßak = Oa k ± 2 pd k, P is again a sensible choice.
Eine zweite Alternative ist gegeben mit:  A second alternative is given with:
o 0 < di,P + (ßak - ßbk) / (2 TT) < 1 / m, o dak.s = dbk,s = (m - 1 ) / m, o 0 <di, P + (ßak - ßbk) / (2 TT) <1 / m, o dak.s = dbk, s = (m - 1) / m,
wobei die Freiheitsgrade ßak d e ursprünglich verfügbaren Freiheitsgrade dak,s (zur Steuerung der Ausgangsströme der m sekundärseitigen HF-Gleichrichter) ersetzen. Die zweite Alternative hat daher eine Auswirkung auf die Wahl von ßak und je nach Energieflussrichtung ist ß k = oiak + 2 TT / /?7 + 2 TT dk, p (Speisen elektrischer Energie) bzw. ßbk = aak + 2 TT / m - 2 TT dk,p (Speisen elektrischer Energie) eine sinnvolle Wahl. where the degrees of freedom ßak replace the originally available degrees of freedom dak, s (for controlling the output currents of the m secondary RF rectifiers). The second alternative therefore has an effect on the choice of ßak and, depending on the direction of energy flow, is ß k = oiak + 2 TT / /? 7 + 2 TT dk, p (supply of electrical energy) or ßbk = aak + 2 TT / m - 2 TT dk, p (electrical energy supply) a sensible choice.
Zur Steuerung der Ausgangsströme der m sekundärseitigen HF-Gleichrichter verbleiben als Freiheitsgrade i,P, dak,s, ßak und Ts. Diese können beispielsweise im Rahmen einer Optimierungsrechnung, z.B. zur Minimierung der Gesamtverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters, unter den Nebenbedingungen der geforderten Ausgangsströme der m sekundärseitigen HF-Gleichrichter ermittelt werden. In einer praktischen Umsetzung ist jedoch häufig ein einfaches Verfahren zur Ermittlung der verbleibenden Freiheitsgrade erwünscht. Ein Steuerverfahren für den Betrieb mit geringen Leistungen, geringen Schaltverlusten und reduziertem Berechnungsaufwand lässt sich realisieren, wenn dak,s so gewählt wird, dass der Strom in der sekundärseitigen Wicklung des k-ten HF-T ransformators mit Ablauf der Zeitintervalle ls und llls den Wert Null erreicht, womit günstige Voraussetzungen zur Erreichung geringer Schaltverluste vorlie gen, und ßak = Gfac + 2 p dk, p gesetzt wird. Mit ßak = ara/c + 2 p dk.p wird erreicht, dass i/i,s (f) genau dann von Null auf 14 wechselt, wenn t/i,2,P(f) von Up auf Null wechselt und ui,s(t) genau dann von Null auf -14 wechselt, wenn t/i,2,P(f) von -Up auf Null wechselt, d.h. das Zeitintervall ls folgt unmittelbar auf das Zeitintervall lP und das Zeitintervall llls folgt unmittelbar auf das Zeitintervall lllP. To control the output currents of the m secondary RF rectifiers, degrees of freedom i, P , dak, s, ßak and T s remain. These can be determined, for example, as part of an optimization calculation, for example to minimize the total losses of the multiphase DC converter, under the secondary conditions of the required output currents of the m secondary RF rectifiers. In a practical implementation, however, a simple method for determining the remaining degrees of freedom is often desired. A control method for operation with low power, low switching losses and reduced computation costs can be implemented if dak, s is selected so that the current in the secondary winding of the k-th HF transformer with the expiry of the time intervals l s and llls den Value reached zero, which provides favorable conditions for achieving low switching losses, and ßak = Gfa c + 2 p dk, p is set. With ßak = ar a / c + 2 p dk.p it is achieved that i / i, s (f) changes from zero to 14 if and only if t / i, 2, P (f) changes from Up to zero and ui, s (t) changes from zero to -14 if and only if t / i, 2, P (f) changes from -Up to zero, ie the time interval l s immediately follows the time interval l P and the time interval lll s immediately follows the time interval III P.
Fig. 16 stellt Beispiele für Verläufe von c4,p und dak,p = dbk.p für das Steuerverfahren für den Betrieb mit geringen Leistungen, geringen Schaltverlusten und reduziertem Berechnungsaufwand für einen mehrphasigen Gleichspannungskonverter mit m = 3 für verschiedene Betriebspunkte dar, unter den Annahmen, dass die primärseitigen HF-Netz- werke durch HF-Kondensatornetzwerke und die sekundärseitigen HF-Netzwerke durch HF-Serienschwingkreisnetzwerke realisiert werden, dass die Induktivität des k-ten HF- Serienschwingkreisnetzwerks mit Lk bezeichnet (1 < k < m) wird und dass die Kapazitäten der Kondensatoren aller HF-Netzwerke so gross gewählt werden, dass diese Kon- densatoren nur die Gleichanteile von den HF-T ransformatoren fernhalten, aber keine nennenswerten Einflüsse auf die Stromverläufe in den Wicklungen der HF-Transforma- toren haben. Für 1 < k < m gilt: die Verläufe von dk.p und dak.p sind in Abhängigkeit des Ausgangsstromes des /c-ten sekundärseitigen HF-Gleichrichters und für verschiedene Werte von U i,s = {525 V, 700 V, 1050 V} und gleich grosse Spannungen an den potenti- algetrennten Gleichspannungsanschlüssen, 14, s = (ii,s, dargestellt. Die für die Ermittlung der in Fig. 16 abgebildeten Verläufe gewählten Betriebspunkte sind ausserdem charakterisiert durch m = m = m = 1 , Li = La = Lz = 222 pH, Up = 700 V und Ts = 20 ps, d.h. zur Vereinfachung der Darstellung wurde eine konstante Schaltperiode gewählt. Als Ergebnis resultieren für einen monoton ansteigenden Ausgangsstrom des /c-ten Gleich spannungskonverters und einen konstanten Wert für Uk,s monoton ansteigende Tastver- hältnisse dk.p und dak.p. Für einen konstanten Ausgangsstrom des /c-ten Gleichspannungskonverters und ein monoton ansteigendes Uk,s des /c-ten Gleichspannungskonverters resultiert ein monotones Ansteigen des Tastverhältnisses dk.p und ein monotones Abfallen des Tastverhältnisses dak.p. Der maximale Ausgangsstrom des /c-ten Gleichspannungskonverters liegt für c/i,P + dak.s = 1 I m vor, d.h. an der Betriebsgrenze des Steuerverfahren für den Betrieb mit geringen Leistungen, geringen Schaltverlusten und reduziertem Berechnungsaufwand. 16 shows examples of courses of c4, p and dak, p = dbk.p for the control method for the operation with low powers, low switching losses and reduced calculation effort for a multiphase DC voltage converter with m = 3 for different operating points, under the assumptions that the primary-side RF networks are realized by RF capacitor networks and the secondary-side RF networks by RF series resonant circuit networks, that the inductance of the kth RF series resonant circuit network is designated L k (1 <k <m) and that the capacitances of the capacitors of all RF networks are chosen so large that these capacitors only keep the DC components away from the RF transformers, but none have appreciable influences on the current profiles in the windings of the HF transformers. For 1 <k <m the following applies: the curves of dk.p and dak.p are dependent on the output current of the / c-th secondary rectifier and for different values of U i, s = {525 V, 700 V, 1050 V} and voltages of the same size at the potentially separated DC voltage connections, 14, s = (ii, s). The operating points selected for the determination of the curves shown in FIG. 16 are also characterized by m = m = m = 1, Li = La = Lz = 222 pH, Up = 700 V and Ts = 20 ps, which means that a constant switching period was chosen to simplify the illustration, resulting in a monotonically increasing output current of the / c-th DC converter and a constant value for Uk , s monotonically increasing duty cycles dk.p and dak.p. For a constant output current of the / c-th DC converter and a monotonically increasing Uk, s of the / c-th DC converter, the duty cycle d increases k.p and a monotonous drop in the duty cycle dak.p. The maximum output current of the / c-th DC converter is for c / i, P + dak.s = 1 I m, ie at the operating limit of the control method for operation with low power, low switching losses and reduced calculation effort.
Fig. 17 zeigt simulierte Spannungs- und Stromverläufe für 1 A Ausgangsstrom (je HF- Gleichrichter) für m = 3, Ui ,s = Ü2,s = Uz.s = 700 V, 0 < dk.p + dak.s < 1 I m, dk.p = di,p, dak.s = dbk,s, (Xk = (k - 1) 2 tt/rn und ßbk - ßak = 2 p / m. Dargestellte Verläufe in (a), (b) und (c): oben: t/i,2,Pl ui,s und Strom durch Li; Mitte: t/2,3, p, U2,s und Strom durch Li\ unten: t/3,1, p, t/3,s und Strom durch Lz. Gewählte Kenndaten: m = = re = 1 , Li = L2 = L3 =17 shows simulated voltage and current profiles for 1 A output current (per HF rectifier) for m = 3, Ui, s = Ü2, s = Uz.s = 700 V, 0 <dk.p + dak.s <1 I m, dk.p = di, p , dak.s = dbk, s, (Xk = (k - 1) 2 tt / rn and ßbk - ßak = 2 p / m. Represented courses in (a), (b ) and (c): above: t / i, 2, Pl ui, s and current through Li; middle: t / 2,3, p, U2, s and current through Li \ below: t / 3,1, p , t / 3, s and current through Lz. Selected characteristics: m = = re = 1, Li = L2 = L3 =
222 pH, Ts = 20 ps. 222 pH, Ts = 20 ps.
Dieses Verfahren kann auch zum Rückspeisen elektrischer Energie verwendet werden und zwar für ßak < ctak. Günstige Voraussetzungen zur Erreichung geringer Schaltverluste liegen vor, wenn ßak = aak - 2 p dak.s gesetzt wird. Mit ßak = aak - 2 p dak,s wird erreicht, dass t/1,2, P(f) genau dann von Null auf Up wechselt, wenn ,s(t) von Us auf Null wechselt und t/1,2 ,p(t) genau dann von Null auf -Up wechselt, wenn t/i,s(f) von -L4 auf Null wechselt (und sinngemäss auch für alle anderen Phasen), d.h. das Zeitintervall lp folgt unmittelbar auf das Zeitintervall ls und das Zeitintervall lllP folgt unmittelbar auf das Zeitintervall llls. Fig. 18 zeigt einen mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter, welcher vor- sieht, dass die Leistungsschalter aller zweiten Halbbrücken der m HF-Gleichrichter des mehrphasigen Gleichspannungskonverters durch Kondensatoren ersetzt sind. Als Vorteil entfällt beim mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter der von den er- setzten Leistungsschaltern im mehrphasigen Gleichspannungskonverter verursachte Mehraufwand (Kosten, zusätzliche Schaltungsaufwand für die Ansteuerung). Ausserdem können die ausgangsseitigen Zwischenkreiskondensatoren des mehrphasigen Gleichspannungskonverters entfallen. Je nach Umständen nachteilig kann eine Reduktion von 9 m auf 6 m Freiheitsgrade der Ansteuerung sein, da die Aktivierungssignale, die Tastverhältnisse und die Phasenbeziehungen ßbk für die zweiten Halbbrücken der m HF-Gleichrichter entfallen. This method can also be used to regenerate electrical energy, namely for ßak <ctak. There are favorable conditions for achieving low switching losses if ßak = aak - 2 p dak.s is set. With ßak = aak - 2 p dak, s it is achieved that t / 1,2, P (f) changes from zero to Up if and only if, s (t) changes from U s to zero and t / 1,2 , p (t) changes from zero to -Up if and only if t / i, s (f) changes from -L4 to zero (and accordingly also for all other phases), ie the time interval l p immediately follows the time interval l s and the time interval III P immediately follows the time interval IIIs. 18 shows a multi-phase DC voltage half-bridge converter, which provides that the circuit breakers of all second half-bridges of the m HF rectifiers of the multi-phase DC voltage converter are replaced by capacitors. An advantage of the multi-phase DC voltage half-bridge converter is that there is no additional effort (costs, additional circuitry for the control) caused by the replaced circuit breakers in the multi-phase DC voltage converter. In addition, the intermediate circuit capacitors on the output side of the multiphase DC converter can be omitted. Depending on the circumstances, a reduction in the degree of freedom of the control from 9 m to 6 m can be disadvantageous, since the activation signals, the pulse duty factors and the phase relationships βb k are omitted for the second half bridges of the m HF rectifiers.
Bei geeigneter Wahl der primär- und sekundärseitigen HF-Netzwerke und geeigneter Wahl der Windungszahlen der Primärwicklungen der HF-T ransformatoren verschwindet die Summe der zeitlichen Verläufe aller magnetischen Flüsse in den m HF-T ransformatoren zu jedem Zeitpunkt. Diese Eigenschaft lässt sich auch mit den im Folgenden beschriebenen Realisierungsvarianten des mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter realisieren (Ausführung eines mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverters mit primärseitiger Sternschaltung, eines mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverters mit primärseitiger Sternschaltung und sekundärseitiger Zick- Zack-Schaltung und eines mehrphasigen umschaltbaren Gleichspannungshalbbrücken konverters) und ermöglicht das Ersetzen der m HF-T ransformatoren durch einen Mehr- phasen-HF-Transformator mit m Phasen, wie ebenfalls im Folgenden beschrieben. With a suitable choice of the primary and secondary HF networks and a suitable choice of the number of turns of the primary windings of the HF transformers, the sum of the time profiles of all magnetic fluxes in the m HF transformers disappears at all times. This property can also be realized with the implementation variants of the multi-phase DC-voltage half-bridge converter described below (implementation of a multi-phase DC-voltage half-bridge converter with primary-side star connection, a multi-phase DC-voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zig-zag switching and a multi-phase switching with the same function) RF transformers through a multi-phase RF transformer with m phases, as also described below.
Fig. 19 zeigt eine Ausführungform des mehrphasigen Gleichspannungshalbbrücken konverters mit primärseitiger Sternschaltung. Diese sieht, im Vergleich zum mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter aus Fig. 18, veränderte Verbindungen der primärseitigen HF-Netzwerke vor. Für den mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter mit primärseitiger Sternschaltung gilt, für 1 < k < m: 19 shows an embodiment of the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection. In comparison with the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18, this provides for modified connections of the primary-side HF networks. For the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary star connection, for 1 <k <m:
• die erste Eingangsklemme des k-ten primärseitigen HF-Netzwerks ist mit dem Schaltspannungsanschluss der k-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters verbunden. • die zweite Eingangsklemme des ersten primärseitigen HF-Netzwerks ist mit allen zweiten Eingangsklemmen der /c-ten primärseitigen HF-Netzwerke verbunden. • The first input terminal of the k-th primary-side RF network is connected to the switching voltage connection of the k-th half-bridge of the RF inverter. • The second input terminal of the first primary-side RF network is connected to all second input terminals of the / c-th primary-side RF network.
Durch diese Verbindungsänderungen resultieren geringere Spannungen zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen der HF-Netzwerke, was, je nach gegebenen An- forderungen, im Vergleich zum mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter aus Fig. 18 einen praktischen Vorteil bedeuten kann. Die primärseitige Verschaltung des mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverters mit primärseitiger Sternschaltung kann mit den verschiedenen hier gezeigten Realisierungen der Sekundärseite des mehrphasigen Gleichspannungskonverters kombiniert werden. These connection changes result in lower voltages between the first and second input terminals of the RF networks, which, depending on the requirements, can mean a practical advantage in comparison with the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18. The primary-side connection of the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection can be combined with the various implementations shown here of the secondary side of the multi-phase DC voltage converter.
Fig. 20 zeigt eine Ausführungsform des mehrphasigen Gleichspannungshalbbrücken- konverters mit primärseitiger Sternschaltung und sekundärseitiger Zick-Zack-Schaltung. Diese sieht, im Vergleich zum mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter mit primärseitiger Sternschaltung aus Fig. 19, HF-Transformatoren mit zwei Sekundärwicklungen, jede Sekundärwicklung aufweisend zwei Transformatoranschlüsse, und veränderte Verbindungen zwischen den Sekundärwicklungen der HF-T ransformatoren mit zwei Sekundärwicklungen und den Eingangsklemmen der sekundärseitigen HF- Netzwerke vor. Die Wicklungssinne der Wicklungen der HF-Transformatoren mit zwei Sekundärwicklungen sind wie folgt definiert: liegt vom ersten zum zweiten T ransforma- toranschluss der primärseitigen Wicklung des H F-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen eine positive Spannung an, dann liegen vom ersten zum zweiten T rans- formatoranschluss der ersten Sekundärwicklung des HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen wie auch vom ersten zum zweiten Transformatoranschluss der zweiten Sekundärwicklung des HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen positive Spannungen an. Für 1 < k < m gilt: das Übersetzungsverhältnis des /c-ten HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen (nk) ist definiert als das Verhältnis der Windungs- zahl der Primärwicklung (Nk.p) zur Windungszahl der ersten Sekundärwicklung (Nk, a,s) des /c-ten HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen: nk = Nk / A//c,a,s. Für den mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter mit primärseitiger Sternschaltung und sekundärseitiger Zick-Zack-Schaltung gilt für 1 < k < m: der erste Transformatoranschluss der ersten Sekundärwicklung des /c-ten HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen ist mit der ersten Eingangsklemme des /c-ten sekundärseitigen HF-Netzwerks verbunden, der zweite T ransformatoranschluss der ersten Sekundärwicklung des -ten HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen ist mit dem zweiten Transforma toranschluss der zweiten Sekundärwicklung des (k+1)-ten HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen verbunden und der erste Transformatoranschluss der zweiten Se- kundärwicklung des ( +1)-ten H F-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen ist mit der zweiten Eingangsklemme des -ten sekundärseitigen HF-Netzwerks verbunden.20 shows an embodiment of the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag connection. In comparison to the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary star connection from FIG. 19, RF transformers with two secondary windings, each secondary winding having two transformer connections, and modified connections between the secondary windings of the RF transformers with two secondary windings and the input terminals of the secondary RF Networks. The winding sense of the windings of the HF transformers with two secondary windings are defined as follows: If there is a positive voltage from the first to the second transformer connection of the primary winding of the H FT transformer with two secondary windings, then the first to the second transformer connection are present the first secondary winding of the HF transformer with two secondary windings and also from the first to the second transformer connection of the second secondary winding of the HF transformer with two secondary windings positive voltages. For 1 <k <m the following applies: the transformation ratio of the / c-th HF transformer with two secondary windings (n k ) is defined as the ratio of the number of turns of the primary winding (Nk.p) to the number of turns of the first secondary winding (Nk, a, s) of the / c-th HF transformer with two secondary windings: n k = N k / A // c, a, s. For the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag connection, the following applies for 1 <k <m: the first transformer connection of the first secondary winding of the / c-th HF transformer with two secondary windings is connected to the first input terminal of the / c-th connected on the secondary side RF network, the second transformer connection of the first secondary winding of the -th HF transformer with two secondary windings is connected to the second transformer connection of the second secondary winding of the (k + 1) -th HF transformer with two secondary windings and the first transformer connection of the second secondary winding of the (+1) -th H FT transformer with two secondary windings is connected to the second input terminal of the -th secondary RF network.
Des Weiteren ist der erste Transformatoranschluss der ersten Sekundärwicklung des m-ten HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen mit der ersten Eingangs klemme des m-ten sekundärseitigen HF-Netzwerks verbunden, der zweite Transformatoranschluss der ersten Sekundärwicklung des m-ten HF-T ransformators mit zwei Se kundärwicklungen ist mit dem zweiten T ransformatoranschluss der zweiten Sekundärwicklung des ersten HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen verbunden und der erste Transformatoranschluss der zweiten Sekundärwicklung des ersten HF- Transformators mit zwei Sekundärwicklungen ist mit der zweiten Eingangsklemme des m-ten sekundärseitigen HF-Netzwerks verbunden. Die Windungszahl der zweiten Sekundärwicklung des /c-ten HF-T ransformators mit zwei Sekundärwicklungen (A//c,b,s) ist geeignet zu wählen, Furthermore, the first transformer connection of the first secondary winding of the mth RF transformer with two secondary windings is connected to the first input terminal of the mth secondary-side RF network, the second transformer connection of the first secondary winding of the mth RF transformer with two secondary windings is connected to the second transformer connection of the second secondary winding of the first RF transformer with two secondary windings and the first transformer connection of the second secondary winding of the first RF transformer with two secondary windings is connected to the second input terminal of the mth secondary RF network connected. The number of turns of the second secondary winding of the / c-th HF transformer with two secondary windings (A // c, b, s) can be selected appropriately,
z.B. A/ic,b,s = Nk, p / ri für 1 < k < m bzw. A/i ,b,s = A/i ,p / nm. e.g. A / ic, b, s = Nk, p / ri for 1 <k <m or A / i, b, s = A / i, p / n m .
Im Vergleich zum mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter mit primärseitiger Sternschaltung aus Ffg. 19 hat der mehrphasige Gleichspannungshalbbrückenkonverter mit primärseitiger Sternschaltung und sekundärseitiger Zick-Zack-Schaltung aus Fig. 20 den Vorteil, dass diese Schaltung auch bei unsymmetrischer Belastung technisch sinnvoll eingesetzt werden kann, welche z.B. dann vorliegt, wenn sich die an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Leistungen sehr unterscheiden. Compared to the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection from the vehicle. 19, the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag circuit from FIG. 20 has the advantage that this circuit can be used in a technically sensible manner even with asymmetrical loading, is present when the electrical power output or received at the isolated DC voltage connections is very different.
Die m HF-Gleichrichter des mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverters mit primärseitiger Sternschaltung und sekundärseitiger Zick-Zack-Schaltung können auch durch die m HF-Gleichrichter des mehrphasigen Gleichspannungskonverters aus Fig. 1 ersetzt werden. The m RF rectifiers of the multi-phase DC voltage half-bridge converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag connection can also be replaced by the m RF rectifiers of the multi-phase DC voltage converter from FIG. 1.
Fig. 21 zeigt eine Ausführungform des mehrphasigen umschaltbaren Gleichspannungs halbbrückenkonverters, welche im Vergleich zum mehrphasigen Gleichspannungshalb- brückenkonverter aus Fig. 18, zwischen dem HF-Wechselrichter und den primärseitigen HF-Netzwerken ein Relais aufweist, Das Relais weist auf: eine Steuerspule und m Wechselschalter aufweisend drei Kontakte (Hauptkontakt, erster Wechselkontakt, zweiter Wechselkontakt). Für 1 < k < m gilt: bei nicht magnetisierter Steuerspule ist der Hauptkontakt des /c-ten Wechselschalters mit dem ersten Wechselkontakt des k-ten Wechselschalters verbunden und bei magnetisierter Steuerspule ist der Hauptkontakt des k-ten Wechselschalters mit dem zweiten Wechselkontakt des k-ten Wechselschal ters verbunden. Der mehrphasige umschaltbare Gleichspannungshalbbrückenkonverter ist in weiten Teilen identisch zum mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter aus Fig. 18, einzig die Verbindungen zwischen dem HF-Wechselrichter und den primärseitigen HF-Netzwerken ändern sich, wie im Folgenden beschrieben und in Fig. 21 dargestellt. Für 1 < k < m gilt: der Schaltspannungsanschluss der k-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters ist mit der ersten Eingangsklemme des k-ten primärseitigen HF- Netzwerks verbunden, der Hauptkontakt des k-ten Wechselschalters ist mit der zweiten Eingangsklemme des k-ten primärseitigen HF-Netzwerks verbunden und der erste Wechselkontakt des k-ten Wechselschalters ist mit dem Schaltspannungsanschluss der (k+1)-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters verbunden. Der Schaitspannungsan- schluss der m-ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters ist mit der ersten Eingangs klemme des m-ten primärseitigen HF-Netzwerks verbunden, der Hauptkontakt des m- ten Wechselschalters ist mit der zweiten Eingangsklemme des m-ten primärseitigen HF- Netzwerks verbunden und der erste Wechselkontakt des m-ten Wechselschalters ist mit dem Schaltspannungsanschluss der ersten Halbbrücke des HF-Wechselrichters verbunden. Die zweiten Wechselkontakte aller m Wechselschalter sind miteinander ver bunden. FIG. 21 shows an embodiment of the multi-phase switchable DC voltage half-bridge converter which, in comparison to the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18, has a relay between the RF inverter and the primary-side RF networks. The relay has: a control coil and m Changeover switch having three contacts (main contact, first changeover contact, second changeover contact). The following applies for 1 <k <m: in the case of a non-magnetized control coil, the main contact of the / c-th changeover switch is connected to the first changeover contact of the kth changeover switch, and in the case of a magnetized control coil the main contact of the kth changeover switch is connected to the second changeover contact of the k- ten changeover switch connected. The multi-phase switchable DC voltage half-bridge converter is largely identical to the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18, only the connections between the RF inverter and the primary-side RF networks change, as described below and shown in FIG. 21. The following applies for 1 <k <m: the switching voltage connection of the k-th half-bridge of the RF inverter is connected to the first input terminal of the k-th primary-side RF network, the main contact of the k-th change-over switch is connected to the second input terminal of the k-th connected on the primary side RF network and the first changeover contact of the kth changeover switch is connected to the switching voltage connection of the (k + 1) th half bridge of the RF inverter. The switching voltage connection of the m-th half bridge of the HF inverter is connected to the first input terminal of the m-th primary-side HF network, the main contact of the m-th change-over switch is connected to the second input terminal of the m-th primary-side HF network and the first changeover contact of the m-th changeover switch is connected to the switching voltage connection of the first half bridge of the HF inverter. The second changeover contacts of all m changeover switches are connected to each other.
Der mehrphasige umschaltbare Gleichspannungshalbbrückenkonverter realisiert daher zwei verschiedene Schaltungen, je nachdem ob die Steuerspule magnetisiert ist oder nicht: The multi-phase switchable DC half-bridge converter therefore implements two different circuits, depending on whether the control coil is magnetized or not:
- Nicht magnetisierte Steuerspule: mehrphasiger Gleichspannungshalbbrücken konverter nach Fig. 18  - Non-magnetized control coil: multiphase DC half-bridge converter according to Fig. 18
- Magnetisierte Steuerspule: mehrphasiger Gleichspannungshalbbrückenkonverter mit primärseitiger Sternschaltung nach Fig. 19  - Magnetized control coil: multiphase DC half-bridge converter with primary star connection according to Fig. 19
Die m HF-Gleichrichter des mehrphasigen umschaltbaren Gleichspannungshalbbrückenkonverters können auch durch die m HF-Gleichrichter des mehrphasigen Gleichspannungskonverters aus Fig. 1 ersetzt werden. Der mehrphasige umschaltbare Gleichspannungshalbbrückenkonverter kann - unter Verwendung von HF-T ransformatoren mit zwei Sekundärwicklungen - auch mit sekun därseitiger Zick-Zack-Schaltung gemäss Fig. 20 ausgeführt werden. The m HF rectifiers of the multiphase switchable DC voltage half-bridge converter can also be replaced by the m HF rectifiers of the multiphase DC converter from FIG. 1. The multi-phase switchable DC voltage half-bridge converter can also be designed with secondary-side zig-zag circuitry as shown in FIG. 20 using HF transformers with two secondary windings.
Fig. 22 zeigt eine Ausführungsform des mehrphasigen Gleichspannungshalbbrücken konverters mit Mehrphasen-HF-Transformator. Diese sieht anstelle der m HF-T ransformatoren des mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter aus Fig. 18 einen Mehrphasen-HF-Transformator mit m Phasen vor. Der Mehrphasen-HF-T ransformator mit m Phasen kann unter Verwendung eines Magnetkerns aufweisend k Schenkel, die über Joche miteinander magnetisch verbunden sind, realisiert sein. Für 1 < k < m gilt: der k-te Schenkel ist mit einem Wicklungspaket aufweisend eine primärseitige Wicklung mit der Windungszahl Np und eine sekundärseitige Wicklung mit der Windungszahl Ns,k bewickelt. Der Mehrphasen-HF-T ransformator verfügt über keinen magnetischen Rückschluss und der technische Vorteil des Mehrphasen-HF-Transformators liegt entsprechend darin, dass das gesamte Kernvolumen eines Mehrphasen-HF-T ransformator mit m Phasen geringer ist als die Summe aller Kernvolumina von m HF-T ransformatoren (geringere Baugrösse und Kosten). Die sinnvolle technische Verwendung setzt jedoch voraus, dass die Summe der zeitlichen Verläufe aller magnetischen Flüsse in den m Schenkeln zu jedem Zeitpunkt verschwindet. Bei geeigneter Wahl der primär- und sekundärseitigen HF-Netzwerke und geeigneter Wahl der Windungszahlen der Primär- und Sekundärwicklungen der HF-T ransformatoren (bzw. der HF-T ransformatoren mit zwei Sekundärwicklungen) ist diese Bedingung für alle erläuterten sowie durch Schaltungskombinationen resultierenden Varianten des mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter und des mehrphasigen Gleichspannungskonverters gegeben: 22 shows an embodiment of the multiphase DC half-bridge converter with multiphase RF transformer. Instead of the m HF-transformers of the multiphase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18, this provides a multiphase HF transformer with m phases. The multi-phase RF transformer with m phases can be realized using a magnetic core having k legs which are magnetically connected to one another via yokes. The following applies for 1 <k <m: the kth leg is wound with a winding package having a primary-side winding with the number of turns Np and a secondary-side winding with the number of turns N s , k. The multi-phase RF transformer has no magnetic yoke and the technical advantage of the multi-phase RF transformer is accordingly that the total core volume of a multi-phase RF transformer with m phases is less than the sum of all core volumes of m HF -T transformers (smaller size and cost). The sensible technical use presupposes, however, that the sum of the time profiles of all magnetic fluxes in the m legs disappears at any time. With a suitable choice of the primary and secondary RF networks and a suitable choice of the number of turns of the primary and secondary windings of the HF transformers (or the HF transformers with two secondary windings), this condition is valid for all the variants explained and resulting from circuit combinations given multi-phase DC voltage half-bridge converter and the multi-phase DC voltage converter:
- dem mehrphasigen Gleichspannungshalbbrückenkonverter aus Fig. 18, the multi-phase DC voltage half-bridge converter from FIG. 18,
- dem mehrphasigen Gleichspannungskonverter mit primärseitiger Sternschaltung aus Fig. 19, the multiphase DC voltage converter with primary star connection from FIG. 19,
- dem mehrphasigen Gleichspannungskonverter mit primärseitiger Sternschaltung und sekundärseitiger Zick-Zack-Schaltung aus Fig. 20, the multiphase DC converter with primary-side star connection and secondary-side zigzag circuit from FIG. 20,
- dem mehrphasigen umschaltbaren Gleichspannungskonverter aus Fig. 21 und - The multi-phase switchable DC voltage converter from Fig. 21 and
- dem mehrphasigen Gleichspannungskonverter aus Fig. 1 , - Schaltungsvarianten, die sich durch geeignete Kombinationen der in den Figuren 1, 18, 19, 20 und 21 dargestellten Schaltungen entwickeln lassen. the multiphase DC converter from FIG. 1, - Circuit variants that can be developed by suitable combinations of the circuits shown in Figures 1, 18, 19, 20 and 21.
Ein Beispiel für eine geeignete Wahl der primär- und sekundärseitigen HF-Netzwerke ist die Wahl von HF-Kondensatornetzwerken als primärseitige HF-Netzwerke, die Wahl von HF-Serienschwingkreisnetzwerken als sekundärseitige HF-Netzwerke und die Wahl von ausreichend hohen Kapazitätswerten in allen HF-Netzwerken, sodass die über den Kondensatoren der HF-Netzwerke anliegenden Spannungen keinen nennenswerten Einfluss auf die an den primär- und sekundärseitigen Wicklungen anliegenden Spannungen haben. An example of a suitable choice of primary and secondary RF networks is the choice of RF capacitor networks as primary RF networks, the selection of RF series resonant networks as secondary RF networks and the selection of sufficiently high capacitance values in all RF networks , so that the voltages present across the capacitors of the HF networks have no appreciable influence on the voltages present on the primary and secondary windings.
Je nach Ausgestaltung der primär- und/oder sekundärseitigen HF-Netzwerke ist, unter Verwendung von Resonanzkreisen mit einer oder mehreren Serien- und/oder Parallel resonanzfrequenzen, die Realisierung eines mehrphasigen Resonanzgleichspannungskonverters möglich. Jede Phase des mehrphasigen Resonanzgleichspannungskonverters ermöglicht dieselben Betriebsarten wie auch ein Resonanzkonverter, z.B. als„Half- Cycle Discontinuous-Conduction-Mode“ (HC-DCM) Series-Resonant-Converter, mit den für den mehrphasigen Gleichspannungskonverter beschriebenen 9 m Freiheitsgraden. Depending on the design of the primary and / or secondary RF networks, the use of resonance circuits with one or more series and / or parallel resonance frequencies enables the realization of a multi-phase resonance DC voltage converter. Each phase of the multi-phase DC resonance converter enables the same modes of operation as a resonance converter, e.g. as a “half-cycle discontinuous conduction mode” (HC-DCM) series resonant converter, with the 9 m degrees of freedom described for the multi-phase DC voltage converter.
Im HC-DCM Betrieb des Resonanzgleichspannungskonverters mit gegebener Spannung am Gleichspannungsanschluss des HF-Wechselrichters stellen sich weitgehend lastunabhängige Spannungen an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen der HF-Gleichrichter ein. In HC-DCM operation of the resonance DC voltage converter with a given voltage at the DC voltage connection of the HF inverter, largely load-independent voltages are established at the isolated DC voltage connections of the HF rectifiers.
Der Ansatz, durch Einbeziehen aller Freiheitsgrade der Ansteuerung Steuerverfahren zu entwickeln die eine Verbesserung des Betriebs des betrachteten mehrphasigen Gleichspannungskonverters erreichen, lässt sich sinngemäss auf alle erläuterten sowie durch Schaltungskombinationen resultierenden Varianten des mehrphasige Gleichspan nungskonverters anwenden. Des Weiteren lassen sich die oben erläuterten Ausführun gen des Steuerverfahrens (für minimale Leitverluste des mehrphasigen Gleichspannungskonverters, für das Hochfahren des mehrphasigen Gleichspannungskonverters mit begrenztem Ausgangsstrom und für den Betrieb mit geringen Leistungen an den potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen des mehrphasigen Gleichspannungs konverters) sinngemäss auf alle erläuterten sowie durch Schaltungskombinationen re sultierenden Varianten des mehrphasige Gleichspannungskonverters anwenden. The approach of developing control methods by including all degrees of freedom of the control that improve the operation of the multiphase DC converter under consideration can be applied analogously to all variants of the multiphase DC voltage converter that are explained and result from circuit combinations. Furthermore, the explanations of the control method explained above (for minimum conduction losses of the multiphase DC converter, for starting up the multiphase DC converter with a limited output current and for operation with low power at the isolated DC voltage connections of the multiphase DC converter) can be applied to all of the explanations as well as by Use circuit combinations resulting variants of the multiphase DC converter.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Mehrphasiger, potentialgetrennter Gleichspannungskonverter (10), zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem primärseitigen Gleichspannungsanschluss und m sekundärseitigen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen, aufweisend die folgenden Untereinheiten 1. Multi-phase, electrically isolated DC voltage converter (10), for exchanging electrical energy between a primary-side DC voltage connection and m secondary-side isolated DC voltage connections, comprising the following subunits
• einen HF-Wechselrichter (1); • an HF inverter (1);
• daran angeschlossen m primärseitige HF-Netzwerke (2); • connected to m primary RF networks (2);
• daran angeschlossen m primärseitige Wicklungen einer HF-Transformatoranord- nung (3); • connected to it m primary windings of an HF transformer arrangement (3);
• sekundärseitige Wicklungen der HF-T ransformatoranordnung (3); • secondary windings of the HF transformer arrangement (3);
• daran angeschlossen m sekundärseitige HF-Netzwerke (4); • connected to m secondary RF networks (4);
• daran angeschlossen m HF-Gleichrichter (5); und mit einer Steuerung der Untereinheiten, welche dazu ausgelegt ist, Steuerparame- ter, entsprechend Freiheitsgraden der Steuerung, zu bestimmen und im Betrieb des Gleichspannungskonverters (10) an einen Betriebszustand des Gleichspannungskonverters (10) anzupassen, wobei die derart im Betrieb anpassbare Steuerparameter mindestens umfassen, für 1 < k < m: dk,p Tastverhältnis des Steuersignals der k-ten Halbbrücke des HF-Wechselrich- ters; dak,s Tastverhältnis des Steuersignals der ersten Halbbrücke des k-ten HF- Gleichrichters; dbk,s Tastverhältnis des Steuersignals der zweiten Halbbrücke des k-ten HF- Gleichrichters; s/c Phasenwinkel zwischen der steigenden Flanke des Steuersignales der ers ten Halbbrücke des HF-Wechselrichters und der k- ten Halbbrücke des HF- Wechselrichters; ßak Phasenwinkel zwischen der steigenden Flanke des Steuersignals der ersten Halbbrücke des HF-Wechselrichters (si,P) und der steigenden Flanke des Steuersignals der ersten Halbbrücke des k- ten HF-Gleichrichters ( Sak,s ); ßbk Phasenwinkel zwischen der steigenden Flanke des Steuersignals si,p und der steigenden Flanke des Steuersignals der zweiten Halbbrücke des k- ten HF-Gleichrichters (swc.s). • connected to it m HF rectifier (5); and with a control of the subunits, which is designed to determine control parameters, corresponding to degrees of freedom of the control, and to adapt them to an operating state of the DC voltage converter (10) during operation of the DC voltage converter (10), the control parameters which can be adapted in this way include at least , for 1 <k <m: dk, p duty cycle of the control signal of the kth half-bridge of the HF inverter; dak, s duty cycle of the control signal of the first half bridge of the k-th HF rectifier; dbk, s duty cycle of the control signal of the second half-bridge of the k-th HF rectifier; s / c phase angle between the rising edge of the control signal of the first half bridge of the HF inverter and the kth half bridge of the HF inverter; ßak phase angle between the rising edge of the control signal of the first half bridge of the HF inverter (si, P ) and the rising edge of the control signal of the first half bridge of the kth HF rectifier (Sa k, s ); ßbk phase angle between the rising edge of the control signal si, p and the rising edge of the control signal of the second half-bridge of the kth HF rectifier (swc.s).
2. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 1 , wobei die im Betrieb anpassbaren Steuerparameter zusätzlich mindestens einen umfassen von 2. DC voltage converter (10) according to claim 1, wherein the control parameters that can be adjusted during operation additionally comprise at least one of
Ts Schaltperiode; T s switching period;
Aktivierungssignale der Halbbrücken. Activation signals of the half bridges.
3. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, zur Minimierung von Leitverlusten 3. DC voltage converter (10) according to claim 1 or 2, wherein the controller is designed to minimize conduction losses
• alle Halbbrücken zu aktivieren; • activate all half bridges;
• in einem stationären Betrieb alle Halbbrücken mit einem Tastverhältnis von 50% zu betreiben; • to operate all half bridges with a duty cycle of 50% in a stationary operation;
• die Phasenwinkel crk, ßak, ßbk zur mindestens annähernden Minimierung des Optimierungskriteriums f = hiΐh
Figure imgf000049_0001
u bestimmen, wobei , den Effektivwert des Stroms in der primärseitigen Wicklung des k-ten HF-T ransformators und Rk einen entsprechenden Ersatzwiderstand repräsentiert.
• the phase angles cr k, ßak, ßbk to at least approximately minimize the optimization criterion f = hiΐh
Figure imgf000049_0001
u determine, where, the effective value of the current in the primary-side winding of the k-th HF transformer and Rk represents a corresponding equivalent resistance.
4. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 3, mit m = 3 sekundärseitigen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen, wobei die Steuerung, bei symmetri scher Belastung der sekundärseitigen Gleichspannungsanschlüsse mit einer Leistung P, dazu ausgelegt ist, die Phasenwinkel cn = 0, az = 2TT/3, = 4p/3 zu setzen, und erste Phasenwinkeldifferenzen ßa-i - on = ßa 2 - 02 = ßaz - m zu setzen, und zweite Phasenwinkeldifferenzen ßv\ 3ai ßpi - ßa2 = ßm - ßaz zu setzen, und insbesondere, die Phasenwinkeldifferenzen in Abhängigkeit des Verhältnisses der Leistung P zu einer maximalen Leistung P max anzupassen, indem 4. DC voltage converter (10) according to claim 3, with m = 3 secondary-side potential-isolated DC voltage connections, the control, with symmetri cal loading of the secondary-side DC voltage connections with a power P, is designed to the phase angle cn = 0, az = 2TT / 3, = 4p / 3 to set, and to set first phase angle differences ßa-i - on = ßa 2 - 02 = ßaz - m, and to set second phase angle differences ßv \ 3ai ßpi - ß a2 = ßm - ßaz, and in particular to set the phase angle differences depending on the ratio of the power P to one to adjust the maximum power P max by
• für P zwischen Null und Pmax/2 die erste Phasenwinkeldifferenz von Null ansteigt und wieder zu Null abfällt, und die zweite Phasenwinkeldifferenz monoton von 2TT/3 auf p ansteigt; und • for P between zero and Pm ax / 2 the first phase angle difference increases from zero and drops again to zero, and the second phase angle difference increases monotonically from 2TT / 3 to p; and
• für P zwischen Pmax/2 und Pmax die erste Phasenwinkeldifferenz monoton von Null auf p/3 ansteigt, und die zweite Phasenwinkeldifferenz konstant bei p ver bleibt. • for P between Pmax / 2 and P ma x, the first phase angle difference increases monotonically from zero to p / 3, and the second phase angle difference remains constant at p ver.
5. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 4, wobei die Phasenwinkel und Phasenwinkeldifferenzen gemäss Tabelle 1 verlaufen. 5. DC voltage converter (10) according to claim 4, wherein the phase angle and phase angle differences run according to Table 1.
6. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 3, 4 oder 5 mit m = 3 sekun- därseitigen potentialgetrennten Gleichspannungsanschlüssen, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, bei asymmetrischer Belastung der sekundärseitigen Gleichspannungsanschlüsse mit Leistungen Pi,s, Pi,s und Pz,s sowie für verschiedene Spannungen 1/1 S, Ui,s und 1/3, s an den sekundärseitigen Gleichspannungsanschlüssen die Phasenwinkel und die Phasenwinkeldifferenzen gemäss Tabelle 2 anzupassen. 6. DC voltage converter (10) according to claim 3, 4 or 5 with m = 3 secondary-side potential-isolated DC voltage connections, wherein the control is designed for asymmetrical loading of the secondary-side DC voltage connections with powers Pi, s , Pi, s and Pz, s and For different voltages 1/1 S , Ui, s and 1/3, s, adjust the phase angle and the phase angle differences according to Table 2 on the secondary-side DC voltage connections.
7. Gleichspannungskonverter (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, in einem Betriebsmodus zum Hochfahren des Gleichspannungskonverters die Steuerparameter wie folgt zu setzen, wobei 1 < k < m: o Aktivierung aller Halbbrücken (11) des HF-Wechselrichters (1); 7. DC voltage converter (10) according to one of the preceding claims, wherein the control is designed to set the control parameters in an operating mode for starting up the DC voltage converter as follows, wherein 1 <k <m: o activation of all half bridges (11) of the HF Inverter (1);
o Deaktivierung aller Halbbrücken (51 , 52) der HF-Gleichrichter (5);  o deactivation of all half bridges (51, 52) of the HF rectifiers (5);
und mindestens eine der folgenden drei Gruppen von Bedingungen erfüllt ist:  and at least one of the following three groups of conditions is met:
o dk,p F 50% und optional auch dk.p = c/i P; o dk, p F 50% and optionally also dk.p = c / i P ;
o
Figure imgf000050_0001
O
Figure imgf000050_0001
o 0 < dk, < 1 / m oder (m - 1) / m < dk.p < 1 , und optional auch cfe.p = i P. o 0 <d k, <1 / m or (m - 1) / m <dk.p <1, and optionally also cfe.p = i P.
8. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 7, wobei jeweils zur Steue- rung eines Ausgangsstroms eines k-ten sekundärseitigen HF-Gleichrichters das Tastverhältnis dk,p angepasst wird. 8. DC voltage converter (10) according to claim 7, wherein the pulse duty factor dk, p is adapted in each case to control an output current of a k-th secondary-side HF rectifier.
9. Gleichspannungskonverter (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, bei einem Betrieb mit kleinen Leistungen die Steuerparameter wie folgt zu setzen, wobei 1 < k < m: 9. DC voltage converter (10) according to one of the preceding claims, wherein the control is designed to set the control parameters during operation with low powers as follows, where 1 <k <m:
o Aktivierung aller Halbbrücken des HF-Wechselrichters (1) und der HF-Gleichrich- ter (5);  o activation of all half bridges of the HF inverter (1) and the HF rectifier (5);
o dk,p * 50%; od k , p * 50%;
und insbesondere mindestens eine der folgenden drei Gruppen von Bedingungen er füllt ist:  and in particular at least one of the following three groups of conditions:
o Sϊ=i < ,p < 1 oder S =i d, C P > m - 1 ; o Sϊ = i < , p <1 or S = id, CP > m - 1;
o 0 < dk,p < 1 / m oder (m - 1) / m < dk.p < 1 ;  o 0 <dk, p <1 / m or (m - 1) / m <dk.p <1;
o 0 < dk.p + dak.s < 1 I m.  o 0 <dk.p + dak.s <1 I m.
10. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 9, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, bei einem Betrieb mit kleinen Leistungen einen oder mehreren der weite- ren Steuerparameter wie folgt zu setzen, wobei 1 < k < m: 10. DC voltage converter (10) according to claim 9, wherein the controller is designed to set one or more of the further control parameters during operation with low powers, as follows, where 1 <k <m:
O dk.p = di .p', O dk.p = di .p ' ,
O dak,s = dbk,s', O dak, s = dbk, s ' ,
o ük = (k- 1 ) 2 TT//T?; o ü k = (k- 1) 2 TT // T ?;
O ßbk - ßak = 2 ΊT / m.  O ßbk - ßak = 2 ΊT / m.
11. Gleichspannungskonverter (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, bei einem Betrieb mit kleinen Leistungen die Steuerparameter wie folgt gemäss einer der drei folgenden Varianten zu setzen, wobei11. DC voltage converter (10) according to one of the preceding claims, wherein the controller is designed to set the control parameters as follows according to one of the three following variants in the case of operation with low powers, wherein
1 < k < m: erste Variante: 1 <k <m: first variant:
o 0 < di,P + dak.s < 1 f m, o 0 <di, P + dak.s <1 fm,
O dak.s = dbk.s, O dak.s = dbk.s,
o ßbk - ßak = 2 p / m, zweite Variante:  o ßbk - ßak = 2 p / m, second variant:
o 0 < i,p + (ßbk - ßak) / (2 tt) < 1 / m, O dak,s— dbk,s— 1 / GP, dritte Variante: o 0 <i, p + (ßbk - ßak) / (2 tt) <1 / m, O dak, s— dbk, s— 1 / GP, third variant:
o 0 < di,P + (ßak - ßbk) / (2 p) < 1 / m, o 0 <di, P + (ßak - ßbk) / (2 p) <1 / m,
o dak,s = dbk,s = (m ~ 1) / m.  o dak, s = dbk, s = (m ~ 1) / m.
12. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, in einem als Half-Cycle Discontinuous-Conduction-Mode, im Folgen- den als HC-DCM bezeichneten, Betriebsmodus des Gleichspannungskonverters (10) die im Betrieb anpassbaren Steuerparameter so zu bestimmen, dass sich in mindestens einem Element der primärseitigen HF-Netzwerke (2) und/oder der sekundärseitigen HF- Netzwerke (4) ein für HC-DCM charakteristischer Stromverlauf ausbildet. 12. DC voltage converter (10) according to claim 1 or 2, wherein the controller is designed to operate in a half-cycle discontinuous conduction mode, hereinafter referred to as HC-DCM, the operating mode of the DC voltage converter (10) to determine adaptable control parameters so that a characteristic curve for HC-DCM is formed in at least one element of the primary-side RF networks (2) and / or the secondary-side RF networks (4).
13. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 12, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, in dem HC-DCM die im Betrieb anpassbaren Steuerparameter wie folgt zu setzen, wobei 1 < k < m: 13. DC voltage converter (10) according to claim 12, wherein the control is designed to set the control parameters that can be adjusted during operation in the HC-DCM as follows, where 1 <k <m:
• Aktivierung aller Halbbrücken des HF-Wechselrichters (1);  • activation of all half bridges of the HF inverter (1);
• Aktivierung beider Halbbrücken in mindestens einem der HF-Gleichrichter (5) während Zeitintervallen, in denen der HF-Gleichrichter (5) einen halbschwin- gungsförmigen Verlauf seines Eingangsstroms aufweist, und Deaktivierung einer oder beider Halbbrücken des HF-Gleichrichters (5) während Zeitintervallen, in denen der HF-Gleichrichter (5) einen verschwindenden Eingangsstrom aufweist, wobei der Eingangsstrom eines HF-Gleichrichters (5) als ein durch wechselspannungsseitige Schaltspannungsanschlüsse des HF-Gleichrichters (5) fliessender Strom definiert ist;  • Activation of both half bridges in at least one of the HF rectifiers (5) during time intervals in which the HF rectifier (5) has a semi-oscillatory course of its input current, and deactivation of one or both half bridges of the HF rectifier (5) during time intervals , in which the HF rectifier (5) has a vanishing input current, the input current of an HF rectifier (5) being defined as a current flowing through switching voltage connections of the HF rectifier (5) on the AC voltage side;
• Betreiben, in einem stationären Betrieb, aller Halbbrücken mit einem Tastverhält- nis von 50%;  • Operation, in a stationary operation, of all half bridges with a duty cycle of 50%;
• Setzen der Phasenwinkel ak = (k-1 ) 2tt/iti;  Setting the phase angle ak = (k-1) 2tt / iti;
• Setzen von ersten Phasenwinkeldifferenzen ßak - ctk = 0; • Setting the first phase angle differences ßak - ct k = 0;
• Setzen von zweiten Phasenwinkeldifferenzen ßbk - Qk = TT. • Setting second phase angle differences ßbk - Qk = TT.
14. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 13, wobei 14. DC converter (10) according to claim 13, wherein
• bei Energieübertragung vom HF-Wechselrichter (1) zu den HF-Gleichrichtern (5), zum Ausbilden eines für HC-DCM charakteristischen Stromverlaufs am Ausgang von mindestens einem der sekundärseitigen HF-Netzwerke (4), einzelne oder alle Schalter von mindesten einem daran angeschlossenen HF-Gleichrichter (5) deaktiviert sind, wobei parallel zu den deaktivierten Schaltern vorhandene Dioden einen natürlichen Kommutierungsvorgang zulassen; und/oder • in the case of energy transmission from the HF inverter (1) to the HF rectifiers (5), to form a current profile characteristic of HC-DCM at the output of at least one of the secondary-side HF networks (4), individual or all switches from at least one of them connected HF rectifiers (5) are deactivated, diodes present parallel to the deactivated switches permitting a natural commutation process; and or
• bei Energieübertragung von den HF-Gleichrichtern (5) zum HF-Wechselrichter (1), zum Ausbilden eines für HC-DCM charakteristischen Stromverlaufs am Ein gang von mindestens einem der primärseitigen HF-Netzwerke (2), einzelne oder alle Schalter des daran angeschlossenen HF-Wechselrichters (1) deaktiviert sind, wobei parallel zu den deaktivierten Schaltern vorhandene Dioden einen natürlichen Kommutierungsvorgang zulassen. • in the case of energy transmission from the HF rectifiers (5) to the HF inverter (1), to form a current characteristic characteristic of HC-DCM at the input of at least one of the primary-side HF networks (2), individual or all switches of the connected thereto HF inverters (1) are deactivated, diodes present parallel to the deactivated switches permitting a natural commutation process.
15. Gleichspannungskonverter (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, in welchem die HF-Gleichrichter (5) jeweils eine erste Halbbrücke (51) mit Leistungs schaltern aufweisen, und eine zweite Halbbrücke (52b) mit Kondensatoren aufweisen. 15. DC voltage converter (10) according to one of the preceding claims, in which the HF rectifiers (5) each have a first half bridge (51) with power switches, and a second half bridge (52b) with capacitors.
16. Gleichspannungskonverter (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die HF-Transformatoranordnung (3) m einzelne HF-T ransformatoren aufweist, und insbesondere primärseitige Wicklungen dieser HF-T ransformatoren eine Dreieck schaltung oder ein Sternschaltung bilden oder zwischen einer Stern- und Dreieckschaltung umschaltbar sind. 16. DC voltage converter (10) according to one of the preceding claims, wherein the RF transformer arrangement (3) has m individual RF transformers, and in particular primary-side windings of these RF transformers form a delta connection or a star connection or between a star and Delta connection are switchable.
17. Gleichspannungskonverter (10) gemäss Anspruch 16, wobei die HF-T ransforma toren jeweils zwei Sekundärwicklungen aufweisen, und die Sekundärwicklungen aller HF-T ransformatoren eine Zick-Zack-Schaltung bilden. 17. DC converter (10) according to claim 16, wherein the HF-T transformers each have two secondary windings, and the secondary windings of all HF transformers form a zigzag circuit.
18. Gleichspannungskonverter (10) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die HF-Transformatoranordnung einen Mehrphasen-HF-Transformator mit m Phasen aufweist. 18. DC voltage converter (10) according to one of claims 1 to 15, wherein the HF transformer arrangement has a multi-phase HF transformer with m phases.
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