WO2023247751A1 - Kaskadierter ac/dc wandler mit zwischenkreisspannungsanpasswandler und llc ausgangswandler und spread spectrum betrieb mittels modulation zwischenkreisspannung - Google Patents

Kaskadierter ac/dc wandler mit zwischenkreisspannungsanpasswandler und llc ausgangswandler und spread spectrum betrieb mittels modulation zwischenkreisspannung Download PDF

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Benjamin Schacht
Mario Willenberg
Harry ICKERT
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Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a technology for stable DC voltage supply using an LLC converter (in English and technical terms also: “LLC converter”).
  • LLC converter in English and technical terms also: “LLC converter”.
  • the invention particularly includes a device and a method in which a temporal clock jitter (in technical terms: jitter) of an LLC converter is generated in order to avoid narrow-band peaks in the spectrum of the LLC converter.
  • LLC converters that are powered by a direct voltage (technically also: “Direct Current” voltage; short: DC voltage) or a three-phase (also: 3-phase) alternating voltage (technically also: “Alternating Current” voltage, short: AC voltage) are fed (possibly, with an additional step-up or step-down matching converter between the DC or 3-phase input voltage and the LLC converter), the voltage at the LLC converter is conventionally so stable that the switching frequency of the LLC converter fluctuates only a little. There is practically a fixed frequency.
  • the conventional behavior described above can be found particularly with DC or 3-phase device input voltage.
  • the input voltage at the LLC converter is typically less stable, for example with large voltage ripple, and therefore the switching frequency of the LLC converter is also more variable, which is why the problem does not occur here or occurs to a lesser extent.
  • the frequency of the superimposed alternating voltage can be a low-frequency alternating voltage.
  • the frequency of the superimposed alternating voltage (in particular much or many times, for example by at least an integer multiple) can be lower than the switching frequency of the LLC converter and / or (in particular much, for example be an integer multiple) smaller than a bandwidth of the circuit unit (also: the controller) of the LLC converter. If the frequency of the superimposed alternating voltage (in particular much or many times, for example by at least an integer multiple) is lower than the switching frequency of the LLC converter and (in particular much or many times, for example by at least an integer multiple) lower than the bandwidth of the circuit unit of the LLC converter, the output voltage in particular can be kept stable.
  • the amplitude of the (for example superimposed) alternating voltage can be a maximum absolute value of the (for example superimposed) alternating voltage.
  • a temporal clock jitter (also: frequency jitter) can be generated in the LLC converter.
  • the input voltage of the LLC converter can be changed (also: manipulated) using the (particularly small) superimposed alternating voltage.
  • the frequency of the LLC converter and its jitter must not only be visible on the input voltage.
  • the clock frequency of the LLC converter can be observed and/or found in the input current and/or output current (and for example in the voltage ripple generated thereby on the input side and output side of the LLC converter), and/or in a transformer voltage of the LLC converter.
  • an LLC converter can have an input DC voltage of 800 V (also: Vdc for DC voltage), an output DC voltage of 24 V (also: Vdc) and have a switching frequency of 95 kHz.
  • the input voltage can be increased to, for example, 815 V (also: Vdc) using the superimposed alternating voltage (for example in a positive phase of the alternating voltage).
  • the circuit unit (also: regulator) of the LLC converter in this exemplary embodiment increases the switching frequency to, for example, 100 kHz.
  • the input voltage can then be reduced to 785 V (also: Vdc) (for example in a negative phase of the alternating voltage).
  • the circuit unit (also: regulator) in this exemplary embodiment of the LLC converter reduces the switching frequency to, for example, 90 kHz.
  • the switching frequency of the LLC converter can be observable (also: detectable or visible) in the (for example entire) device comprising the LLC converter.
  • the switching frequency of the LLC converter can, for example, be transmitted to (e.g. all possible) locations by parasitic couplings, so that the switching frequency of the LLC converter can be detected both on the input side and on the output side of the device.
  • the circuit unit of the LLC converter can be designed to change the switching frequency in response to the alternating voltage superimposed on the input direct voltage.
  • an improved EMC of the LLC converter can be achieved with simple components and/or a small size.
  • the voltage tapped between the first resistor and the second resistor of the voltage divider can include an actual voltage (also: an actual value of the voltage).
  • the signal generator can also be electrically conductively connected to one of the two poles of the output side of the matching converter and/or one of the two poles of the input side of the LLC converter. Alternatively or additionally, the signal generator can be arranged outside the matching converter. Alternatively or additionally, the control signal of the superimposed alternating voltage can be added to the voltage tapped via the voltage divider.
  • control unit can be designed to regulate the DC output voltage of the matching converter depending on a target voltage.
  • the signal generator can couple a control signal from the superimposed alternating voltage into the target voltage.
  • control signal can be added to a constant setpoint in the control unit.
  • the device can comprise the signal generator coupling in at the target voltage and/or the signal generator coupling in at the actual voltage.
  • Adding the superimposed alternating voltage to the constant setpoint in the control unit can include analog and/or digital coupling of the control signal (short: signal coupling).
  • the superposition of the output voltage of the matching converter with the alternating voltage can include analog signal coupling and/or digital signal coupling in the control unit.
  • a frequency of the voltage at the input side of the matching converter may include zero Hertz (Hz) for a DC voltage source.
  • a frequency of the voltage on the input side of the matching converter (before its rectification) can be between 50 Hz and 60 Hz for an input-side (eg three-phase) AC voltage source with a subsequent rectifier.
  • a frequency of the voltage on the input side of the matching converter (before its rectification) can be between 100 Hz and 1000 Hz, in particular 400 Hz, for an (e.g. aircraft) on-board electrical system.
  • the frequency of the superimposed alternating voltage can be between 0.5 Hz and 2 Hz, for example in the case of an alternating voltage source with a subsequent rectifier on the input side of and/or in the matching converter.
  • the frequency of the superimposed alternating voltage can be 1 Hz.
  • the frequency of the superimposed alternating voltage can be (e.g. slightly or slightly) greater than 2 Hz, for example in the case of a direct voltage source on the input side of the matching converter.
  • An input-side (e.g. three-phase) AC voltage source can, for example, have an amplitude of the AC voltage of 400 volts (V) to 500 V.
  • an input-side DC voltage of the matching converter can comprise, for example, between 12 V and 800 V.
  • the alternating voltage of an input-side (e.g. three-phase) alternating voltage source can be rectified before entering the matching converter.
  • the method may include a step of rectifying an (e.g. three-phase) alternating voltage of an alternating voltage source using a rectifier. Furthermore, the method may include a step of providing the rectified voltage as the DC voltage of the DC voltage source at an input side of the matching converter.
  • an (e.g. three-phase) alternating voltage of an alternating voltage source using a rectifier.
  • the method may include a step of providing the rectified voltage as the DC voltage of the DC voltage source at an input side of the matching converter.
  • the method of the second aspect can also be referred to as a method for frequency jitter in an LLC converter, or for short as a method for LLC jitter, at a low ripple input voltage.
  • the method of the second aspect can be carried out using the device of the first aspect.
  • FIG. 1 shows a schematic exemplary embodiment of an LLC converter
  • FIG. 4 shows a schematic third exemplary embodiment of a device according to the invention for stable DC voltage supply comprising an LLC converter, for example the LLC converter of FIG. 1;
  • the exemplary LLC converter 100 of FIG. 1 further includes a third inductor 104-3 that is inductively coupled to the second inductor 104-2.
  • the second inductor 104-2 and third inductor 104-3 preferably form a transformer (T1) 102.
  • a smoothing capacitor (C1) 106-2 and two semiconductor switches (S1, S2) 108 On the input side of the exemplary LLC converter 100 there is a smoothing capacitor (C1) 106-2 and two semiconductor switches (S1, S2) 108.
  • the device of the first embodiment is generally designated by reference numeral 200-1.
  • the device of the second Embodiment is generally designated by reference numeral 200-2.
  • the device of the third embodiment is generally designated by reference numeral 200-3.
  • the device 200-1; 200-2; 200-3 further includes a matching converter 206 with a control unit 208.
  • the control unit 208 is designed to receive both a setpoint 210 of the DC output voltage and an actual value 212 of the DC output voltage of the matching converter 206.
  • the actual value 212 of the output DC voltage is in the exemplary embodiments 200-1; 200-2; 200-3 of FIGS. 2A, 2B 3 and 4 are each determined between a first resistor (R1) 214 and a second resistor (R2) 216 of a voltage bridge.
  • the device 200-1; 200-2; In each exemplary embodiment, 200-3 includes a signal generator 219 for a superimposed alternating voltage 218.
  • the superimposed alternating voltage 218 is low frequency.
  • Low frequency herein refers to a frequency that is so low that a circuit unit of the LLC converter 100, for example the circuit unit 112 in FIG. 1, can react to the voltage change.
  • the sizes of components used in the device can be limiting for the bandwidth of the circuit unit (also: controller) 112 and/or output capacities.
  • the switching frequency of the LLC converter 100 is not the limiting factor for the response time of the circuit unit (also: controller) 112.
  • Amplitude of the superimposed (also: modulated) alternating voltage 218 depends.
  • the maximum and minimum switching frequencies of the LLC converter 100 can determine the width of the peaks.
  • the alternating voltage 218 is fed into the voltage divider (R1; R2) 214 via a third resistor (Rk) 222; 216 coupled. 2A and 2B, the coupling takes place via the actual value detection 212 of the DC output voltage of the matching converter 206 and/or the DC input voltage (Vzk) of the LLC converter 100.
  • the DC input voltage (Vzk) of the LLC converter 100 may correspond to the DC output voltage of the matching converter 206.
  • the signal coupling of the alternating voltage 218 takes place analogously (in short: analog signal coupling).
  • the matching converter 206 is fed (in particular directly) by a three-phase alternating voltage 202.
  • the matching converter 206 in the exemplary embodiment of FIG. 2B can, for example, be a bridgeless rectifier, in particular a Vienna rectifier (English: Vienna Rectifier) and are connected (for example directly) to an alternating voltage 202 and deliver an, in particular controllable, direct output voltage.
  • a bridgeless rectifier in particular a Vienna rectifier (English: Vienna Rectifier) and are connected (for example directly) to an alternating voltage 202 and deliver an, in particular controllable, direct output voltage.
  • FIGS. 3 and 4 a circuit with a rectifier 204 between an AC voltage source 202 and the matching converter 206 is shown. Analogous to the exemplary embodiment of FIG. 2B, further exemplary embodiments (not shown) may include an integration of the rectifier 204 into the matching converter 206.
  • the triangular voltage shown and a sine voltage (and/or a trapezoidal voltage, for example) have the advantage of a constant voltage curve.
  • Modulation signal 218 with jumps wouldn't be too big of a problem.
  • FIG. 5 shows an example of a conventional output spectrum of an LLC converter, for example the LLC converter 100 of FIG. 1.
  • the spectrum in FIG. 5 can also be referred to as an example spectrum without LLC jitter.
  • the respective frequency in units of Hertz (Hz) is plotted on the abscissa at reference number 502 in FIG. 5.
  • a logarithmic unit of the voltage measure in decibel-micro-volt (dBpV) is plotted on the ordinate at reference number 504.
  • a quasi-peak limit value (also: quasi-peak limit or quasi-peak characteristic value) is plotted at reference number 506, and an average limit value (also: average limit or average characteristic value) is plotted at reference number 508.
  • the quasi-peak limit value and/or the average limit value can be predetermined by an EMC of the LLC converter, for example the LLC converter 100 in FIG. 1 .
  • a spectrum of quasi-peak measured values (also: quasi-peak measured values) of a conventional LLC converter with input voltage with low voltage ripple is plotted at reference number 510.
  • the conventional quasi-peak spectrum includes narrow-band peaks that can exceed one of the limit values, for example the average limit at reference numeral 508.
  • a spectrum of average measured values (also: average measured values) of a conventional LLC converter with input voltage with low voltage ripple is plotted at reference number 512. Narrow-band peaks are also visible in this conventional spectrum.
  • At reference number 612 is the spectrum of the average measured values (also: average measured values) at the output (for example at the connections 220 of the stable DC voltage supply) of the LLC converter 100 of the device 200-1 according to the invention; 200-2; 200-3 applied.
  • the broadening and flattening of the peaks compared to FIG. 5 can also be seen in this spectrum of FIG. 6.
  • the average values (also: average values) of the device according to the invention can be well below the quasi-peak values (also: quasi- peak value).
  • the switching frequency of the LLC converter is determined by the input DC voltage and output DC voltage. If you now change the input DC voltage of the LLC converter 100, then according to the invention its switching frequency must also change in order to generate an equally high output DC voltage (for example at the connections 220 of the stable DC voltage supply). If the input DC voltage change according to the invention occurs only slowly, then the circuit unit 112 (also: control) of the LLC converter 100 is able to readjust the output DC voltage quickly enough so that the disturbance (particularly in the frequency and amplitude of the input DC voltage) does not affect the output DC voltage .
  • a device according to the invention for stable direct voltage supply is fed by a three-phase (also: 3-phase) alternating voltage source (also: mains voltage) 202, which is then rectified 204.
  • a step-up converter also: boost converter; English: boost converter
  • An alternating voltage (for example a triangle voltage or a sawtooth voltage) 218 is superimposed on the actual value for the DC output voltage of the step-up converter 206, which causes the DC output voltage of the step-up converter 206 to fluctuate accordingly (e.g. by an amplitude of ⁇ 7 V with a frequency of 1.2 Hz with an average of 805 volts).
  • the fluctuating input DC voltage leads to a temporal clock jitter (also: frequency jitter) of the LLC converter 100.
  • the device of, or each, embodiment may provide an adjustable DC output voltage of 22.5 V to 29.5 V, in particular 24 V (for example, at terminals 220 of the stable DC voltage supply in FIGS. 2A, 2B, 3 or 4).
  • the output currents can range between 2.5 amps (A) and 40 A.
  • the output currents can include 2.5 A, 5 A, 10 A, 20 A and/or 40 A.
  • the matching converter 206 includes a buck converter (also: buck converter), a buck-boost converter, a flyback converter, a SEPIC converter, a flux converter and /or a bridge converter.
  • a buck converter also: buck converter
  • buck-boost converter also: buck converter
  • flyback converter also: buck converter
  • SEPIC converter SEPIC converter
  • flux converter a flux converter and /or a bridge converter.
  • the LLC converter 100 may include its own control loop, for example integrated in (or comprising the) circuit unit 112.
  • the superimposed alternating voltage 218 can influence the control unit 208 of the matching converter 206.
  • control loop of the LLC converter 100 is not intervened directly, but only indirectly, for example, by changing both the amplitude and frequency of the input DC voltage (in particular by superimposing the output DC voltage of the matching converter 206 with the AC voltage 218) at the input of the LLC converter 100.
  • the LLC converter 100 Because of the change in the input DC voltage, the LLC converter 100 according to embodiments of the invention must change its switching frequency so that the output DC voltage (for example at the terminals 220 of the stable DC voltage supply in FIGS. 2A, 2B, 3 or 4) remains stable. This is done by a (for example already existing) circuit unit 112 (also: control circuit) of the LLC converter 100. According to the invention, the switching frequency change of the LLC converter 100 can therefore be forced indirectly by the matching converter 206 without having to intervene directly in the circuit unit 112 (also: the control loop) of the LLC converter 100.
  • the switching frequency change of the LLC converter 100 can therefore be forced indirectly by the matching converter 206 without having to intervene directly in the circuit unit 112 (also: the control loop) of the LLC converter 100.
  • the device 200-1 according to the invention; 200-2; 200-3 is fed by a DC voltage source, i.e. an input DC voltage with a frequency of 0 Hz.
  • the device 200-1 according to the invention; 200-2; 200-3 is fed by a (for example three-phase) alternating voltage 202 with a frequency of 50 Hz to 60 Hz and subsequent rectification 204.
  • a (for example three-phase) alternating voltage 202 with a frequency of 50 Hz to 60 Hz and subsequent rectification 204.
  • the device 200-1 according to the invention; 200-2; 200-3 is fed by an alternating voltage (for example from an on-board electrical system, in particular an aircraft) 202 with a frequency of 400 Hz and subsequent rectification 204.
  • an alternating voltage for example from an on-board electrical system, in particular an aircraft
  • frequencies of over 400 Hz of an alternating voltage source 202 with subsequent rectification 204 are possible.
  • a voltage ripple can be lower the higher the frequency of the voltage source 202 (for example with subsequent rectification 204) from which the matching converter 206 is fed.
  • a frequency of a superimposed alternating voltage 218, for example a triangular voltage or a sawtooth voltage, can be between 0.5 Hz and 2 Hz.
  • further frequencies of the superimposed alternating voltage 218 are possible, which correspond to a significantly slower change in the output direct voltage of the matching converter 206 and/or the input direct voltage of the LLC converter 100 than that Reactivity of the circuit unit (also: the LLC controller) 112 of the LLC converter.
  • the circuit unit (also: the LLC regulator) 112 of the LLC converter 112 can keep the output DC voltage (for example at the connections 220 in FIGS. 2A, 2B, 3 or 4) stable.
  • an input DC voltage of a voltage source can be between 12 V and 800 V.
  • an input alternating voltage of a voltage source 202 (for example with subsequent rectification 204) can comprise between 100 V and 500 V, in particular between 400 V and 500 V.
  • the three-phase AC voltage source 202 in FIGS. 2A, 2B, 3 and 4 can each provide a voltage between 400 V and 500 V to the rectifier 204.
  • the input DC voltage Vzk of the LLC converter 100 in FIGS. 2A, 2B, 3 or 4 is 800V, on which a low-frequency alternating voltage 218 with an amplitude of ⁇ 10V to ⁇ 20V and a frequency of 1 Hz is superimposed.
  • the voltage values and/or amplitudes mentioned in the exemplary embodiments, in particular of the (e.g. input and/or output) DC voltages, are exemplary. According to the invention, other voltage values and/or amplitudes can be superimposed with a suitably selected alternating voltage.
  • an alternating voltage 218 is now superimposed (also: modulated) for the frequency jitter is intuitively the opposite of conventional requirements because it disturbs the circuit unit (also: controller) 112 of the LLC converter 100.
  • components can be subjected to greater loads than conventionally.
  • an input capacitor According to the invention, be designed for a higher voltage (for example a direct voltage plus the amplitude of the alternating voltage) than conventionally.
  • alternating voltage 218 of 20 V also: ⁇ 20 V peak voltage; short: ⁇ 20 Vpk
  • a direct voltage of 800 V also: Vdc
  • a superimposed alternating voltage 218 of 10 V (also: ⁇ 10 V peak voltage; short: ⁇ 10 Vpk) related to a direct voltage of 400 V (also: Vdc) is suitable for a strong broadening of the peaks in the spectrum without overloading Components of the device (for example the device 200-1; 200-2; 200-3).
  • a superimposed alternating voltage 218 of 4 V (also: ⁇ 4 V peak voltage; short: ⁇ 4 Vpk) relative to a direct voltage of 160 V (also: Vdc) is suitable for a strong broadening of the peaks in the spectrum without overloading of components of the device (for example the device 200-1; 200-2; 200-3).

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

Abstract

Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung (200-1) zur stabilen Gleichspannungsversorgung (220) bereitgestellt. Die Vorrichtung (200-1) umfasst einen Anpasswandler (206), der auf einer Eingangsseite des Anpasswandlers (206) mit einer Gleichspannungsquelle (202, 204) oder einer Wechselspannungsquelle (202) elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist, und einen LLC-Wandler (100), der auf einer Eingangsseite mit einer Ausgangsseite des Anpasswandlers (206) elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist. Der LLC-Wandler (100) ist dazu ausgebildet, auf einer Ausgangsseite eine stabile Gleichspannungsversorgung (220) bereitzustellen, wobei eine Gleichspannung der ausgangsseitigen stabilen Gleichspannungsversorgung (220) eine Funktion einer Schaltfrequenz des LLC- Wandlers (100) ist. Der Anpasswandler (206) umfasst eine Steuereinheit (208), die dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers (206) mit einer Wechselspannung (218) zu überlagern. Eine Amplitude der überlagernden Wechselspannung (218) ist kleiner ist als die Ausgangsgleichspannung. Eine Frequenz der überlagernden Wechselspannung (218) geringer ist als die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers (100).

Description

KASKADIERTER AC/DC WANDLER MIT ZWISCHENKREISSPANNUNGSANPASSWANDLER UND LLC AUSGANGSWANDLER UND SPREAD SPECTRUM BETRIEB MITTELS MODULATION ZWISCHENKREISSPANNUNG
Die Erfindung betrifft eine Technik zur stabilen Gleichspannungsversorgung mittels eines LLC-Wandlers (englisch und fachsprachlich auch: "LLC converter"). Die Erfindung umfasst insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei der bzw. bei dem ein zeitliches Taktzittern (fachsprachlich: Jitter) eines LLC- Wandlers erzeugt wird, um schmalbandige Spitzen im Spektrum des LLC- Wandlers zu vermeiden.
In modernen Vorrichtungen zur Energieversorgung (englisch und fachsprachlich auch: "Power Supplies") werden immer häufiger LLC-Wandler eingesetzt, da diese einen sehr hohen Wirkungsgrad und eine geringe Baugröße ermöglichen. Beim Wandlertyp des LLC-Wandlers erfolgt die Veränderung der Ausgangsspannung durch eine Änderung der Schaltfrequenz des LLC- Wandlers. Wird der LLC-Wandler mit einer stabilen, festen Eingangsspannung gespeist (insbesondere mit geringem Spannungsrippel), so ergibt sich dadurch eine definierte Schaltfrequenz des LLC-Wandlers.
Bei LLC-Wandlern, die von einer Gleichspannung (fachsprachlich auch: "Direct Current' -Spannung; kurz: DC-Spannung) oder einer dreiphasigen (auch: 3- phasigen) Wechselspannung (fachsprachlich auch: "Alternating Current' - Spannung, kurz: AC-Spannung) gespeist werden (evtl, mit zusätzlichem hoch- oder tiefsetzendem Anpasswandler zwischen der DC- oder 3-phasigen Eingangsspannung und dem LLC-Wandler), ist die Spannung am LLC-Wandler konventionellerweise so stabil, dass die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers nur wenig schwankt. Es liegt praktisch eine feste Frequenz vor.
In Bezug auf die leitungsgeführten Störaussendungen am Eingang und Ausgang eines derartigen LLC-Wandlers führt das dazu, dass die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers und deren Oberwellen als schmalbandige Spitzen im Spektrum auftauchen. Da die Frequenz so wenig variiert, ist der Durchschnittswert (fachsprachlich auch: Average-Wert) dieser Spitzen fast genauso hoch wie deren Quasi-Spitzenwert (fachsprachlich auch: Quasi-Peak-Wert). Obwohl für den Quasi-Spitzenwert ein deutlich höherer Grenzwert als für den Durchschnittswert besteht, z.B. ein um ca. 10 Dezibel (10 dB) höherer Grenzwert oder noch höherer Grenzwert, müssen in Folge so starke Maßnahmen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ergriffen werden, dass selbst der Quasi-Spitzenwert unter den Grenzwert für den Durchschnittswert gesenkt wird. Der Aufwand dafür ist hoch und schlägt sich in den Gerätekosten und der Gerätegröße nieder.
Das vorgehend beschriebene konventionelle Verhalten ist insbesondere bei DC- oder 3-phasiger Geräte-Eingangsspannung zu finden. Bei einphasiger (1- phasiger) Eingangsspannung ist die Eingangsspannung am LLC-Wandler typischerweise weniger stabil, beispielsweise mit großem Spannungsrippei, und dadurch auch die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers variabler, weshalb das Problem hier nicht oder in geringerem Maße auftritt.
Würde die Frequenz des LLC-Wandlers stärker variieren, so würde sich ein niedrigerer Quasi-Spitzenwert und Durchschnittswert ergeben, da die Energie auf einen größeren Frequenzbereich verteilt würde. Weiterhin würde der Durchschnittswert dann deutlich unterhalb des Quasi-Spitzenwerts liegen, und in der Folge wäre weniger Aufwand für die EMV-Maßnahmen nötig. Bei anderen konventionellen Wandlertypen (z.B. Sperrwandler) erreicht man das durch ein gezieltes zeitliches Taktzittern (fachsprachlich: Jitter) der Schaltfrequenz, um so ein breiteres Spektrum zu erzeugen. Da bei einem LLC-Wandler die Schaltfrequenz die Stellgröße für die Ausgangsspannung ist, kann das nicht analog in einer stabilen Gleichspannungsversorgung umgesetzt werden. Die Änderung der Schaltfrequenz des LLC-Wandlers würde die Ausgangsspannung stören.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Technik zur stabilen Gleichspannungsversorgung mittels eines LLC-Wandlers anzugeben, die von einer rippelarmem Eingangsspannung, insbesondere einer Gleichspannung oder dreiphasigen Wechselspannung mit anschließender Gleichrichtung, gespeist wird. Alternativ oder ergänzend besteht die Aufgabe, schmalbandige Spitzen im Spektrum eines LLC-Wandlers bei rippelarmer Eingangsspannung zu vermeiden. Weiterhin alternativ oder ergänzend besteht die Aufgabe, ein zeitliches Takt-Zittern (fachsprachlich: Jitter) der Schaltfrequenz eines LLC- Wandlers zu erzeugen, ohne eine Ausgangsspannung des LLC-Wandlers zu stören.
Die Aufgabe wird oder die Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur stabilen Gleichspannungsversorgung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Anpasswandler, der auf einer Eingangsseite des Anpasswandlers mit einer Gleichspannungsquelle oder mit einer Wechselspannungsquelle elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen LLC- Wandler, der auf einer Eingangsseite mit einer Ausgangsseite des Anpasswandlers elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist. Der LLC- Wandler ist dazu ausgebildet, auf einer Ausgangsseite eine stabile Gleichspannungsversorgung bereitzustellen. Eine Gleichspannung der ausgangsseitigen stabilen Gleichspannungsversorgung ist eine Funktion einer Schaltfrequenz des LLC-Wandlers. Der Anpasswandler umfasst eine Steuereinheit (englisch und fachsprachlich: Controller), die dazu ausgebildet ist, eine (beispielsweise spannungsrippelarme) Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers mit einer Wechselspannung zu überlagern. Eine Amplitude der überlagernden Wechselspannung ist kleiner als die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers. Eine Frequenz der überlagernden Wechselspannung ist geringer als die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers. Der LLC-Wandler kann ein Resonanzwandler sein. Alternativ oder ergänzend kann der LLC-Wandler ausgangsseitig einen Transformator umfassen. Eine Primärseite des Transformators kann eine Primärinduktivität (LP, d.h. die größere Ausgangsinduktivität) des LLC-Wandlers sein. Eine Streuinduktivität (Ls) des Transformators kann die Kopplungsinduktivität des LLC-Wandlers sein.
Alternativ oder ergänzend kann der LLC-Wandler ausgangsseitig einen Gleichrichter umfassen. Die Gleichspannung der ausgangsseitigen stabilen Gleichspannungsversorgung (welche eine Funktion einer Schaltfrequenz des LLC-Wandlers ist) kann diese gleichgerichtete (und optional kapazitiv geglättete) Gleichspannung sein.
Der LLC-Wandler kann eine Schaltungseinheit (auch: Regler) umfassen. Die Schaltungseinheit des LLC-Wandlers kann die Schaltfrequenz des LLC- Wandlers erzeugen.
Die stabile Gleichspannungsversorgung an der Ausgangsseite des LLC- Wandlers kann abhängig sein von der Schaltfrequenz der Schaltungseinheit des LLC-Wandlers.
Der Anpasswandler kann einen Hochsetzsteller (auch: Aufwärtswandler; Englisch: Boost Converter; auch: Step-Up Converter), einen Tiefsetzsteller (auch: Abwärtswandler; Englisch: Buck Converter; auch: Step-Down Converter) und/oder einen Hoch-Tiefsetzsteller (auch: Auf-/Abwärtswandler; Englisch: Buck Boost Converter) umfassen.
Alternativ oder ergänzend kann der Anpasswandler einen Sperrwandler (Englisch: Flyback Converter), einen SEPIC-Wandler (SEPIC kurz für: Single Ended Primary Inductance Converter), einen Flußwandler und/oder einen Brückenwandler umfassen. Weiterhin alternativ oder ergänzend können der Sperrwandler (Englisch: Flyback Converter) und/oder der SEPIC-Wandler als Hoch-Tiefsetzsteller klassifiziert werden. Ferner alternativ oder ergänzend können der Flußwandler und/oder der Brückenwandler als Tiefsetzsteller oder Hoch-Tiefsetzsteller ausgeführt sein und/oder klassifiziert werden. Beispielsweise kann durch einen Transformator in einer Schaltung des Flußwandlers und/oder des Brückenwandlers eine Ausgangsspannung höher sein als eine Eingangsspannung.
Weiterhin alternativ oder ergänzend kann der Anpasswandler einen, insbesondere brückenlosen, Gleichrichter (Englisch: Bridgeless Recitifier), beispielsweise einen Vienna-Gleichrichter (Englisch: Vienna Rectifier), umfassen. Beispielsweise kann der, insbesondere brückenlose, Gleichrichter eingangsseitig an die Wechselspannungsquelle angeschlossen oder anschließbar sein. Der Anpasswandler umfassend einen, insbesondere brückenlosen, Gleichrichter kann eine, beispielsweise regelbare, Ausgangsgleichspannung bereitstellen.
Beispielsweise kann ein Anpasswandler einen, insbesondere brückenlosen, Gleichrichter umfassen für Wechselspannungsquellen und/oder Ausgangsspannungen des Anpasswandlers und/oder der Vorrichtung umfassend den LLC-Wandler im Bereich hoher Leistungen, insbesondere größer oder gleich einem kilo-Watt (1 kW). Alternativ oder ergänzend kann bei hohen Leistungen eine Leistungsfaktor-Korrektur (Englisch: Power Factor Correction; kurz: PFC) wichtig sein und/oder angewendet werden. Beispielsweise sind herkömmliche, in Reihe zwischen der Wechselspannungsquelle und der Eingangsseite des Anpasswandlers schaltbare oder geschaltete, Gleichrichter ungeeignet für PFC bei hohen Leistungen.
Die Gleichspannungsquelle an der Eingangsseite des Anpasswandlers kann eine Gleichrichtung einer dreiphasigen Wechselspannung umfassen.
Die Frequenz der überlagernden Wechselspannung kann eine niederfrequente Wechselspannung sein. Alternativ oder ergänzend kann die Frequenz der überlagernden Wechselspannung (insbesondere viel oder vielfach, beispielsweise um mindestens ein ganzzahliges Vielfaches) geringer als die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers und/oder (insbesondere viel, beispielsweise um ein ganzzahliges Vielfaches) geringer als eine Bandbreite der Schaltungseinheit (auch: des Reglers) des LLC-Wandlers sein. Wenn die Frequenz der überlagernden Wechselspannung (insbesondere viel oder vielfach, beispielsweise um mindestens ein ganzzahliges Vielfaches) geringer ist als die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers und (insbesondere viel oder vielfach, beispielsweise um mindestens ein ganzzahliges Vielfaches) geringer als die Bandbreite der Schaltungseinheit des LLC-Wandlers, kann insbesondere die Ausgangsspannung stabil gehalten werden.
Die Amplitude der (beispielsweise überlagernden) Wechselspannung kann ein maximaler Absolutwert der (beispielsweise überlagernden) Wechselspannung sein.
Mittels der überlagernden Wechselspannung kann ein zeitliches Taktzittern (auch: Frequenz-Jitter) des LLC-Wandlers erzeugt werden.
Mittels der (insbesondere kleinen) überlagernden Wechselspannung kann die Eingangsspannung des LLC-Wandlers verändert (auch: manipuliert) werden. Alternativ oder ergänzend muss die Frequenz des LLC-Wandlers und deren Jitter nicht nur auf der Eingangsspannung sichtbar sein. Die Taktfrequenz des LLC-Wandlers kann im Eingangsstrom und/oder Ausgangsstrom (und beispielsweise im dadurch erzeugten Spannungsrippel auf der Eingangsseite und Ausgangseite des LLC-Wandlers), und/oder in einer Transformatorspannung des LLC-Wandlers beobachtbar und/oder auffindbar sein.
Durch die sich ändernde Eingangsspannung kann, oder muss, der LLC-Wandler (beispielsweise mittels der Schaltungseinheit; auch: Regler) seine Frequenz anpassen. Der Jitter kann somit direkt im LLC-Wandler erzeugt werden und/oder entstehen.
Beispielsweise kann ein LLC-Wandler eine Eingangsgleichspannung von 800 V (auch: Vdc für Gleichspannung), eine Ausgangsgleichspannung von 24 V (auch: Vdc) und eine Schalfrequenz von 95 kHz haben. Die Eingangsspannung kann mittels der überlagernden Wechselspannung (beispielsweise in einer positiven Phase der Wechselspannung) auf z.B. 815 V (auch: Vdc) erhöht werden. Damit die Ausgangsspannung bei 24 V (auch: Vdc) erhalten bleibt, erhöht die Schaltungseinheit (auch: Regler) des LLC-Wandlers in diesem Ausführungsbeispiel die Schaltfrequenz auf z.B. 100 kHz. Die Eingangsspannung kann danach (beispielsweise in einer negativen Phase der Wechselspannung) auf 785 V (auch: Vdc) verringert werden. Damit die Ausgangsspannung bei 24 V (auch: Vdc) erhalten bleibt, verringert die Schaltungseinheit (auch: Regler) in diesem Ausführungsbeispiel des LLC- Wandlers die Schaltfrequenz auf z.B. 90 kHz.
Die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers kann im Eingangsstrom und/oder Ausgangsstrom des LLC-Wandlers sichtbar sein. Alternativ oder ergänzend kann die Schaltfrequenz des LLC-Wandler in der Spannung am Transformator des LLC-Wandlers sichtbar sein.
Hinsichtlich einer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) kann die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers in der (beispielsweise gesamten) Vorrichtung umfassend den LLC-Wandler beobachtbar (auch: detektierbar oder sichtbar) sein. Die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers kann beispielsweise durch parasitäre Kopplungen an (z.B. alle möglichen) Stellen übertragen werden, so dass die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers sowohl an der Eingangsseite auch als an der Ausgangsseite der Vorrichtung detektiert werden kann.
Die Schaltungseinheit des LLC-Wandlers kann dazu ausgebildet sein, die Schaltfrequenz in Reaktion auf die der Eingangsgleichspannung überlagerte Wechselspannung zu verändern.
Die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers kann der Eingangsgleichspannung des LLC-Wandlers entsprechen. Durch das zeitliche Taktzittern des LLC-Wandlers können im Frequenzbereich des LLC-Wandlers hohe Spitzenwerte vermieden, unterdrückt und/oder verbreitert werden. Alternativ oder ergänzend können hohe Spitzenwerte im Frequenzbereich des LLC-Wandlers statt in einem schmalen Frequenzbereich der Schaltfrequenz über einen durch die Frequenz der überlagernden Wechselspannung verbreiterten Frequenzbereich verteilt und/oder verwischt werden.
Durch die überlagernde Wechselspannung können eine Änderung in der Höhe der eingangsseitigen Gleichspannung am LLC-Wandler und die Änderung in der Schaltfrequenz sich derart in der Schaltungseinheit des LLC-Wandlers kompensieren, dass die ausgangsseitige Gleichspannungsversorgung des LLC- Wandlers stabil ist.
Mittels der Vorrichtung kann eine verbesserte EMV des LLC-Wandlers mit einfachen Komponenten und/oder bei geringer Baugröße erreicht werden.
Die Gleichspannungsquelle kann eine (z.B. dreiphasige) Wechselspannungsquelle und einen zwischen der (z.B. dreiphasigen) Wechselspannungsquelle und der Eingangsseite des Anpasswandlers angeordneten Gleichrichter umfassen.
Die überlagernde Wechselspannung kann z.B. eine Dreiecksspannung (auch: dreiecksförmige Spannung), eine Sinusspannung (auch: sinusförmige Spannung), eine Sägezahnspannung (auch: sägezahnförmige Spannung) und/oder eine Rechteckspannung (auch: rechteckförmige Spannung) umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die überlagernde Wechselspannung eine Trapezspannung (auch: trapezförmige Spannung) umfassen.
- Die überlagernde Wechselspannung, beispielsweise die Dreiecksspannung und/oder die Sinusspannung, kann einen stetigen Verlauf umfassen. Der stetige Verlauf der überlagernden Wechselspannung kann eine zeitnahe Reaktion der Schaltungseinheit des LLC-Wandlers ermöglichen und/oder verbessern. Die Vorrichtung kann ferner zwei Widerstände umfassen, die in Reihe geschaltet einen Spannungsteiler bilden. Der Spannungsteiler kann zwischen beide Pole der Ausgangsseite des Anpasswandlers und/oder zwischen beide Pole der Eingangsseite des LLC-Wandlers geschaltet sein. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers abhängig von einer an einem Knotenpunkt zwischen dem ersten Widerstand und dem zweiten Widerstand des Spannungsteilers abgegriffenen Spannung zu regeln.
Die zwischen dem ersten Widerstand und dem zweiten Widerstand des Spannungsteilers abgegriffene Spannung kann eine Ist-Spannung (auch: einen Ist-Wert der Spannung) umfassen.
Die Vorrichtung kann ferner einen Signalgenerator umfassen, der ein Steuersignal der überlagernden Wechselspannung in die abgegriffene Spannung einkoppelt. Die Einkopplung erfolgt optional über einen dritten Widerstand, der mit einem ersten Anschluss an den Knotenpunkt zwischen dem ersten Widerstand und dem zweiten Widerstand des Spannungsteilers elektrisch leitend angeschlossen ist. Der dritte Widerstand kann an einem zweiten Anschluss mit dem Signalgenerator elektrisch leitend verbunden sein.
Die überlagernde Wechselspannung kann über den Spannungsteiler für eine Istwert-Erfassung der Spannung an der Eingangsseite des LLC-Wandlers an die Steuereinheit des Anpasswandlers gekoppelt sein.
Alternativ oder ergänzend kann mittels des dritten Widerstands eine analoge Einkopplung des Steuersignals (Signaleinkopplung) der überlagernden Wechselspannung ermöglicht sein.
Der Signalgenerator kann ferner mit einem der beiden Pole der Ausgangsseite des Anpasswandlers und/oder einem der beiden Pole der Eingangsseite des LLC-Wandlers elektrisch leitend verbunden sein. Alternativ oder ergänzend kann der Signalgenerator außerhalb des Anpasswandlers angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann das Steuersignal der überlagernden Wechselspannung auf die über den Spannungsteiler abgegriffene Spannung aufaddiert sein.
Das Aufaddieren der Spannungen an der Eingangsseite der Steuereinheit kann eine analoge und/oder digitale Einkopplung des Steuersignals (kurz: Signaleinkopplung) umfassen.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers abhängig von einer Ist-Spannung zu regeln. Der Signalgenerator kann ein Steuersignal der überlagernden Wechselspannung in die Ist-Spannung einkoppeln. Optional kann das Steuersignal auf einen Istwert in der Steuereinheit aufaddiert werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers abhängig von einer Soll- Spannung zu regeln. Der Signalgenerator kann ein Steuersignal der überlagernden Wechselspannung in die Soll-Spannung einkoppeln. Optional kann das Steuersignal auf einen konstanten Sollwert in der Steuereinheit aufaddiert werden.
Die Vorrichtung kann den an der Soll-Spannung einkoppelnden Signalgenerator und/oder den an der Ist-Spannung einkoppelnden Signalgenerator umfassen.
Das Aufaddieren der überlagernden Wechselspannung auf den konstanten Sollwert in der Steuereinheit kann eine analoge und/oder eine digitale Einkopplung des Steuersignals (kurz: Signaleinkopplung) umfassen.
Die Überlagerung der Ausgangsspannung des Anpasswandlers mit der Wechselspannung kann eine analoge Signaleinkopplung und/oder eine digitale Signaleinkopplung in der Steuereinheit umfassen. Eine Frequenz der Spannung an der Eingangsseite des Anpasswandlers kann null Hertz (Hz) umfassen für eine Gleichspannungsquelle. Alternativ oder ergänzend kann eine Frequenz der Spannung an der Eingangsseite des Anpasswandlers (vor deren Gleichrichtung) zwischen 50 Hz und 60 Hz betragen für eine eingangsseitige (z.B. dreiphasige) Wechselspannungsquelle mit anschließendem Gleichrichter. Weiterhin alternativ oder ergänzend kann eine Frequenz der Spannung an der Eingangsseite des Anpasswandlers (vor deren Gleichrichtung) zwischen 100 Hz und 1000 Hz, insbesondere 400 Hz, für ein (z.B. Flugzeug-) Bordnetz betragen.
Die Frequenz der überlagernden Wechselspannung kann zwischen 0,5 Hz und 2 Hz betragen, beispielsweise im Fall einer Wechselspannungsquelle mit anschließendem Gleichrichter auf der Eingangsseite des, und/oder im, Anpasswandler. Insbesondere kann die Frequenz der überlagernden Wechselspannung 1 Hz betragen.
Alternativ oder ergänzend kann die Frequenz der überlagernden Wechselspannung (z.B. ein bisschen oder geringfügig) größer als 2 Hz sein, beispielsweise im Fall einer Gleichspannungsquelle auf der Eingangsseite des Anpasswandlers.
Eine eingangsseitige (z.B. dreiphasige) Wechselspannungsquelle kann beispielsweise eine Amplitude der Wechselspannung von 400 Volt (V) bis 500 V umfassen. Alternativ oder ergänzend kann eine eingangsseitige Gleichspannung des Anpasswandlers beispielsweise zwischen 12 V und 800 V umfassen. Beispielsweise kann die Wechselspannung einer eingangsseitigen (z.B. dreiphasigen) Wechselspannungsquelle gleichgerichtet werden vor dem Eingang in den Anpasswandlers.
Die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers kann mindestens ein ganzzahliges Vielfaches der Amplitude der überlagernden Wechselspannung betragen, beispielsweise mindestens ein dreifaches bis mindestens ein 40- faches. Alternativ oder ergänzend kann die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 800 V betragen. Weiterhin alternativ oder ergänzend kann die Amplitude der überlagernden Wechselspannung zwischen 10 V und 20 V betragen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer stabilen Gleichspannungsversorgung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Anpassens einer Gleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle oder des Anpassens einer Wechselspannung aus einer Wechselspannungsquelle mittels eines Anpasswandlers. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Überlagerns einer Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers mit einer Wechselspannung, wobei eine Amplitude der überlagernden Wechselspannung kleiner ist als eine Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers. Das Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt des Wandelns (auch: Umwandelns) der mit der Wechselspannung überlagerten Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers mittels eines LLC-Wandlers. Der LLC-Wandler ist dazu ausgebildet, auf einer Ausgangsseite eine stabile Gleichspannungsversorgung bereitzustellen, wobei eine Gleichspannung der ausgangsseitigen stabilen Gleichspannungsversorgung eine Funktion einer Schaltfrequenz des LLC-Wandlers ist. Gemäß dem Verfahren ist eine Frequenz der überlagernden Wechselspannung geringer als die Schaltfrequenz des LLC- Wandlers. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Bereitstellens einer stabilen Gleichspannung an der Ausgangsseite des LLC-Wandlers.
Das Verfahren kann einen Schritt des Gleichrichtens einer (beispielsweise dreiphasigen) Wechselspannung einer Wechselspannungsquelle mittels eines Gleichrichters umfassen. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens der gleichgerichteten Spannung als die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle an einer Eingangsseite des Anpasswandlers umfassen.
Das Verfahren des zweiten Aspekts kann auch als Verfahren für Frequenz-Jitter in einem LLC-Wandler (Englisch: LLC converter), oder kurz als Verfahren für LLC-Jitter, an einer Eingangsspannung mit geringem Rippel bezeichnet werden. Das Verfahren des zweiten Aspekts kann mittels der Vorrichtung des ersten Aspekts ausgeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines LLC-Wandlers;
Fig. 2A und 2B ein schematisches erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur stabilen Gleichspannungsversorgung umfassend einen LLC-Wandler, beispielsweise den LLC-Wandler der Fig. 1 , mit einer Gleichspannungsquelle in Fig. 2A und einer Wechselspannungsquelle in Fig. 2B;
Fig. 3 ein schematisches zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur stabilen Gleichspannungsversorgung umfassend einen LLC-Wandler, beispielsweise den LLC-Wandler der Fig. 1 ;
Fig. 4 ein schematisches drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur stabilen Gleichspannungsversorgung umfassend einen LLC-Wandler, beispielsweise den LLC-Wandler der Fig. 1 ;
Fig. 5 einen schematischen Spektrumsverlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltfrequenz eines herkömmlichen LLC- Wandlers; und Fig. 6 einen schematischen Spektrumsverlauf der Ausgangsspannung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur stabilen Gleichspannungsversorgung, beispielsweise einer Vorrichtung gemäß Fig. 2A, 2B, 3 oder 4, in Abhängigkeit der Schaltfrequenz eines LLC-Wandlers, beispielsweise des LLC-Wandlers der Fig. 1 .
Fig. 1 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel eines LLC-Wandlers 100. Der LLC-Wandler 100 umfasst in Reihe geschaltet eine erste Induktivität („L“ oder Ls in Fig. 1 ) 104-1 , eine zweite Induktivität („L“) 104-2 und eine Kapazität („C“ oder Cr in Fig. 1 ) 106-1.
Der beispielhafte LLC-Wandler 100 der Fig. 1 umfasst ferner eine dritte Induktivität 104-3, die mit der zweiten Induktivität 104-2 induktiv gekoppelt ist. Die zweite Induktivität 104-2 und dritte Induktivität 104-3 bilden vorzugsweise einen Transformator (T1 ) 102.
An der Eingangsseite des beispielhaften LLC-Wandlers 100 befinden sich ein Glättungskondensator (C1) 106-2 sowie zwei Halbleiterschalter (S1 , S2) 108.
Die Halbleiterschalter (S1 , S2) 108 können mittels der schematisch dargestellten Schaltungseinheit 112 gemäß einer Schaltfrequenz des LLC-Wandlers 100 geschaltet werden. Beispielsweise kann der erste Halbleiterschalter (S1) 108 leitend geschaltet sein, während der zweite Halbleiterschalter (S2) 108 nichtleitend geschaltet ist, oder umgekehrt.
Ausgangsseitig umfasst der LLC-Wandler 100 einen Gleichrichter, beispielsweise mehrere Dioden 110 (D1 , D2, D3, D4), zur Gleichrichtung der Ausgangsspannung des LLC-Wandlers 100. Ferner umfasst die Ausgangsseite des beispielhaften LLC-Wandlers 100 einen Glättungskondensator 106-3 (C2).
Die Fig. 2A und 2B, 3 und 4 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur stabilen Gleichspannungsversorgung. Die Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels ist allgemein mit dem Bezugszeichen 200-1 bezeichnet. Die Vorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels ist allgemein mit dem Bezugszeichen 200-2 bezeichnet. Die Vorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels ist allgemein mit Bezugszeichen 200-3 bezeichnet.
Gleiche oder äquivalente Komponenten in den Ausführungsbeispielen der Fig. 2A, 2B, 3 und 4 sind jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Beispielhaft für eine Gleichspannungsquelle sind in den Fig. 2A, 3 und 4 jeweils eine dreiphasige Wechselspannungsquelle 202 und ein nachgeschalteter Gleichrichter 204 gezeigt, vom dem aus eine Gleichspannung an einen Anpasswandler 206 eingespeist wird.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2B zeigt eine dreiphasige Wechselspannungsquelle 202, die direkt an eine Eingangsseite eines Anpasswandlers 206 angeschlossen ist.
Die Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 umfasst jeweils einen LLC-Wandler, der in Fig. 2A, 2B, 3 und 4 schematisch dargestellt und mit Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Der LLC-Wandler 100 der Fig. 2A, 2B, 3 und 4 kann jeweils dem LLC-Wandler 100 der Fig. 1 entsprechend. Alternativ oder ergänzend kann der LLC-Wandler 100 in den Fig. 2A, 2B, 3 und 4 auch andere (nicht gezeigte) Ausführungsformen eines LLC-Wandlers umfassen.
Die Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 umfasst ferner jeweils einen Anpasswandler 206 mit einer Steuereinheit 208. Die Steuereinheit 208 ist dazu ausgebildet, sowohl einen Sollwert 210 der Ausgangsgleichspannung als auch einen Istwert 212 der Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206 zu empfangen. Der Istwert 212 der Ausgangsgleichspannung wird in den Ausführungsbeispielen 200-1 ; 200-2; 200-3 der Fig. 2A, 2B 3 und 4 jeweils zwischen einem ersten Widerstand (R1) 214 und einem zweiten Widerstand (R2) 216 einer Spannungsbrücke ermittelt. Die Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 umfasst in jedem Ausführungsbeispiel einen Signalgenerator 219 für eine überlagernde Wechselspannung 218. Die überlagernde Wechselspannung 218 ist niederfrequent. Niederfrequent bezeichnet hierin eine Frequenz, die so gering ist, dass eine Schaltungseinheit des LLC-Wandlers 100, beispielsweise die Schaltungseinheit 112 in Fig. 1 , auf die Spannungsänderung reagieren kann.
Ferner ist eine Amplitude der überlagernden Wechselspannung 218, beispielsweise um ein Vielfaches, kleiner als eine Amplitude der Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206. Z.B. kann eine Amplitude der überlagernden Wechselspannung höchstens 20 V betragen, insbesondere zwischen 10 V und 20 V.
Der LLC-Wandler 100 kann eine Reaktionszeit von z.B. 0.5 ms bis 1 ms haben, in der er eine Störung auf der Ausgangsspannung ausregeln kann (beispielsweise mittels der Schaltungseinheit 112). Es sind aber auch höhere Werte der Reaktionszeit des LLC-Wandlers 100 bis ungefähr 5 ms bei großen Vorrichtungen (beispielsweise den Vorrichtungen 200-1 ; 200-2; 200-3) möglich. Ein anderer Kennwert, der im Prinzip das gleiche wie die Reaktionszeit des LLC- Wandlers beschreiben kann, ist die Bandbreite der Schaltungseinheit (auch: Regler) 112 im LLC-Wandler 100. Man kann man auch sagen, dass die Schaltungseinheit (auch: Regler) 112 des LLC-Wandlers 100 eine Bandbreite von ungefähr 5 kHz bis 8 kHz hat. Es sind aber auch Werte von nur 1 kHz bei größeren Vorrichtungen (beispielsweise den Vorrichtungen 200-1 ; 200-2; 200-3) denkbar.
Beispielhafte Schaltfrequenzen des LLC-Wandlers 100 können zwischen 80 kHz und 120 kHz betragen. Alternativ oder ergänzend können bei (insbesondere größeren) Vorrichtungen (beispielsweise den Vorrichtungen 200-1 ; 200-2; 200-3) die Schaltfrequenzen tendenziell sinken (beispielsweise auf nur 30 kHz bis 40 kHz). Weiterhin alternativ oder ergänzend können bei (insbesondere kleineren) Vorrichtungen (beispielsweise den Vorrichtungen 200-1 ; 200-2; 200-3) die Schaltfrequenzen auch höher sein (beispielsweise im Bereich von 150 kHz). Die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers 100 und die Reaktionszeit des LLC- Wandlers 100 müssen nicht direkt und/oder funktional voneinander abhängig sein. Alternativ oder ergänzend ist die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers 100 in Ausführungsbeispielen deutlich höher als die Bandbreite der Schaltungseinheit (auch: Regler) 112, um zu verhindern, dass die Schaltfrequenz störend in die Schaltung (auch: Regelung) einkoppelt.
Alternativ oder ergänzend können limitierend für die Bandbreite der Schaltungseinheit (auch: Regler) 112 die in der Vorrichtung (beispielsweise der Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3) verwendeten Größen von Bauelementen sein, z.B. von (insbesondere Transformator-) Induktivitäten und/oder Ausgangskapazitäten. Weiterhin alternativ oder ergänzend ist (beispielsweise in den allermeisten Fällen) die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers 100 nicht die limitierende Größe für die Reaktionszeit der Schaltungseinheit (auch: Regler) 112.
Erfindungsgemäß ändert sich die überlagernde (auch: aufmodulierte) Wechselspannung 218 auf die Eingangsspannung des LLC-Wandlers 100 (insbesondere viel oder vielfach, beispielsweise um mindestens ein ganzzahliges Vielfaches) langsamer als die Reaktionszeit der Schaltungseinheit (auch: Regler) 112. Alternativ oder ergänzend ist erfindungsgemäß die Frequenz der überlagernden Wechselspannung 218 (insbesondere deutlich, beispielsweise um mindestens ein ganzzahliges Vielfaches) kleiner sein als die Bandbreite der Schaltungseinheit (auch: Regler) 112, um zu verhindern, dass die überlagernde Wechselspannung 218 auch auf der Ausgangsspannung des LLC-Wandlers 100 beobachtbar (auch: sichtbar) ist.
Die Frequenz der die Eingangsspannung des LLC-Wandlers 100 überlagernden Wechselspannung 218 kann beispielsweise aus folgenden Gründen niedrig, beispielsweise im Bereich von 1 Hz, gewählt wird: 1 ) Die Wechselspannung 218 kann auch für eine Modulation des Eingangsstromes des Anpasswandlers 206 sorgen. Wenn der Eingangsstrom des Anpasswandlers 206 mit einer 3-phasigen Wechselspannung (auch: Netzspannung) versorgt wird, hat die Wechselspannung (auch: Netzspannung) herkömmlicherweise eine Frequenz von 50 Hz. Die Steuereinheit (auch: Regler) 208 des Anpasswandlers 206 kann in einem Ausführungsbeispiel sehr langsam ausgelegt sein (z.B. entsprechend einer Bandbreite von ca. 10 Hz), um zu verhindern, dass die Steuereinheit (auch: Regler) 208 zu Asymmetrien im Netzstrom (beispielsweise an der Ausgangsseite des Anpasswandlers 206) führt (z.B. positive Halbwelle der Netzspannung größer als negative Halbwelle der Netzspannung). Die Frequenz der die Ausgangsspannung des Anpasswandlers 206 überlagernden (auch: aufmodulierten) Wechselspannung 218 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel (insbesondere) deutlich geringer als die Bandbreite der Steuereinheit 208 des Anpasswandlers 206 (und/oder der Schaltungseinheit 112 des LLC- Wandlers 100), um die Steuereinheit (auch: Regler) 208 (und/oder die Schaltungseinheit 112) nicht zu stören und/oder zu überfordern.
2) Experimentell hat sich gezeigt, dass Modulationsfrequenzen (und/oder Frequenzen der überlagernden Wechselspannung 218) zwischen 1 Hz und 2 Hz zu einer guten Form abgeflachter Spitzen im Spektrum führen können. Je nach Modulationsfrequenz (und/oder Frequenz der überlagernden Wechselspannung 218) kann die Form auch anders aussehen, insbesondere von abgeflachten Spitzen abweichen (z.B. zwei große „Hörner-Spitzen“ rechts und links eines Plateaus umfassen). Die Modulationsfrequenz (und/oder Frequenz der überlagernden Wechselspannung 218) hat also gemäß einigen (oder allen) Ausführungsbeispielen eher einen Einfluss auf die Form der Spitzen als auf deren Breite.
Die Breite der Spitzen im Spektrum des LLC-Wandlers 100 kann von der
Amplitude der überlagernden (auch: aufmodulierten) Wechselspannung 218 abhängen. Je höher die Amplitude ist, desto stärker muss der LLC-Wandler 100 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung seine Frequenz verstellen, um die Ausgangsspannung stabil zu halten. Die maximale und minimale Schaltfrequenz des LLC-Wandlers 100 können die Breite der Spitzen festlegen.
In jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 in Fig. 2A und 2B, 3 bzw. 4 sind ferner an der Ausgangsseite des LLC-Wandlers 100 Anschlüsse 220 für eine stabile Gleichspannungsversorgung gezeigt, welche beispielsweise mit einer Last (nicht gezeigt) elektrisch leitend verbunden werden kann.
In den Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 200-1 in Fig. 2A und 2B ist die Wechselspannung 218 über einen dritten Widerstand (Rk) 222 in den Spannungsteiler (R1 ; R2) 214; 216 eingekoppelt. Die Einkopplung erfolgt in den Ausführungsbeispielen der Fig. 2A und 2B über die Istwert-Erfassung 212 der Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206 und/oder der Eingangsgleichspannung (Vzk) des LLC-Wandlers 100.
Die Eingangsgleichspannung (Vzk) des LLC-Wandlers 100 kann der Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206 entsprechen.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 2A und 2B erfolgt die Signaleinkopplung der Wechselspannung 218 analog (kurz: analoge Signaleinkopplung).
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2A wird der Anpasswandler 206 von einer dreiphasigen Wechselspannung 202 gespeist, die vor dem Eingang in den Anpasswandler 206 mittels eines Gleichrichters 204 in eine Gleichspannung umgewandelt wird.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2B wird der Anpasswandler 206 (insbesondere direkt) von einer dreiphasigen Wechselspannung 202 gespeist.
Der Anpasswandler 206 im Ausführungsbeispiel der Fig. 2B kann beispielsweise einen brückenlosen Gleichrichter (Englisch: Bridgeless Rectifier), insbesondere einen Vienna-Gleichrichter (Englisch: Vienna Rectifier) umfassen und (z.B. direkt) an eine Wechselspannung 202 angeschlossen werden und eine, insbesondere regelbare, Ausgangsgleichspannung liefern.
In den folgenden Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 4 ist jeweils eine Schaltung mit einem Gleichrichter 204 zwischen einer Wechselspannungsquelle 202 und dem Anpasswandler 206 gezeigt. Analog zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2B können weitere (nicht gezeigte) Ausführungsbeispiele eine Eingliederung des Gleichrichters 204 in den Anpasswandler 206 umfassen.
In dem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200-2 in Fig. 3 erfolgt die Einkopplung der überlagernden Wechselspannung 218 zwischen dem Spannungsteiler (R1 ; R2) 214; 216 und der Steuereinheit 208. Alternativ oder ergänzend kann die Einkopplung der überlagernden Wechselspannung 218 im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 in der Steuereinheit 208 erfolgen. In Fig. 3 ist die Einkopplung der überlagernden Wechselspannung 218 schematisch als Aufaddieren („+“) auf den Istwert 212 dargestellt. Die Signaleinkopplung der überlagernden Wechselspannung 218 in die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206 und/oder in die Eingangsgleichspannung (Vzk) des LLC- Wandlers 100 in Fig. 3 kann analog und/oder digital erfolgen.
In dem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200-3 in Fig. 4 erfolgt die Einkopplung der überlagernden Wechselspannung 218 über die Sollwert- Erfassung 210 der Steuereinheit 208 des Anpasswandlers 206. Wie schematisch in Fig. 4 gezeigt kann die überlagernde Wechselspannung 218 einer, insbesondere konstanten, Sollspannung 210 aufaddiert („+“) werden. Die Signaleinkopplung der überlagernden Wechselspannung 218 im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann analog und/oder digital erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann die Signaleinkopplung im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 in der Steuereinheit 208 erfolgen.
In jedem der Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 in Fig. 2A, 2B, 3 bzw. 4 ist beispielhaft eine Dreiecksspannung als Wechselspannung 218 gezeigt. Andere Ausbildungsformen der Wechselspannung 218, insbesondere als Sinusspannung, Sägezahnspannung und/oder Rechteckspannung (auch: rechteckförmige Spannung), sind jedoch gleichermaßen möglich. Eine Form des ausgangsseitigen Spektrums des LLC- Wandlers hängt von der jeweiligen Ausbildungsform der Wechselspannung 218 ab.
Die gezeigte Dreiecksspannung sowie eine Sinusspannung (und/oder beispielsweise eine Trapez-Spannung) haben den Vorteil eines stetigen Spannungsverlaufs.
Bei einer sprunghaften Änderung der Eingangsspannung des LLC-Wandlers 100 müsste der LLC-Wandler 100 seine Schaltfrequenz auch sprunghaft ändern, wenn die Ausgangsspannung stabil bleiben soll. Durch die Reaktionszeit der Schaltungseinheit (auch: Regler) 112 kann der LLC-Wandler 100 seine Frequenz aber üblicherweise nicht beliebig schnell anpassen. Daher kann eine Störung auf der Ausgangsspannung, insbesondere bei hohen Frequenzen der überlagernden Wechselspannung 218 und/oder bei unstetigen Spannungsverläufen der überlagernden Wechselspannung 218, sichtbar werden. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Wechselspannung 218 auf der Eingangsspannung des LLC-Wandlers 100 einen stetigen Verlauf hat. Alternativ oder ergänzend kann die Schaltungseinheit (auch: Regler) 112 des LLC- Wandlers 100 stetige Spannungsveränderungen gut ausregeln.
Alternativ oder ergänzend können überlagernde Wechselspannungen (auch: Modulationssignale) 218 mit Unstetigkeiten (z.B., Rechteck, Sägezahn) vorteilhaft sein. Die Form der überlagernden Wechselspannung (auch: Modulationssignal) hat beispielsweise Einfluss auf die Form der Spitzen im Spektrum.
Weiterhin alternativ oder ergänzend können je nach Anwendung kleine
Störungen auf der Ausgangsspannung des LLC-Wandlers 100 auch toleriert werden, weshalb eine überlagernde Wechselspannung (auch:
Modulationssignal) 218 mit Sprüngen dann kein zu großes Problem wäre.
Grundsätzlich sind beliebige Formen von überlagernden Wechselspannungen 218 einsetzbar mit geeigneter (und/oder bestimmter) Amplitude und Frequenz. Ferner ist in jedem der Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200- 3 in Fig. 2A, 2B, 3 bzw. 4 der Anpasswandler 206 beispielhaft als Hochsetzsteller ausgebildet. Andere Ausbildungsführungsformen des Anpasswandlers 206, insbesondere als Tiefsetzsteller und/oder Hoch- Tiefsetzsteller, sind jedoch gleichermaßen möglich.
Fig. 5 zeigt beispielhaft ein herkömmliches Ausgangs-Spektrum eines LLC- Wandlers, beispielsweise des LLC-Wandlers 100 der Fig. 1. Das Spektrum in Fig. 5 kann auch als Beispielspektrum ohne LLC-Jitter bezeichnet werden.
Auf der Abszisse ist bei Bezugszeichen 502 in Fig. 5 die jeweilige Frequenz in Einheiten von Hertz (Hz) aufgetragen. Auf der Ordinate ist bei Bezugszeichen 504 eine logarithmische Einheit des Spannungsmaßes in Dezibel-Micro-Volt (dBpV) aufgetragen. An Bezugszeichen 506 ist ein Quasi-Spitzengrenzwert (auch: Quasi-Peak-Limit oder Quasi-Spitzenkennwert) aufgetragen, und an Bezugszeichen 508 ein Durchschnittsgrenzwert (auch: Average-Limit oder Durchschnittskennwert). Der Quasi-Spitzengrenzwert und/oder der Durchschnittsgrenzwert können durch eine EMV des LLC-Wandlers, beispielsweise des LLC-Wandlers 100 in Fig. 1 , vorgegeben sein.
An Bezugszeichen 510 ist ein Spektrum von Quasi-Spitzen-Messwerten (auch: Quasi-Peak-Messwerten) eines herkömmlichen LLC-Wandlers mit Eingangsspannung mit geringem Spannungsrippel aufgetragen. Wie aus Fig. 5 beispielsweise im Frequenzbereich bei 300 kHz und bei 500 kHz ersichtlich, umfasst das herkömmliche Quasi-Spitzen-Spektrum schmalbandige Spitzen, die einen der Grenzwerte, beispielsweise den Durchschnittsgrenzwert bei Bezugszeichen 508, überschreiten können. An Bezugszeichen 512 ist ein Spektrum von Durchschnitts-Messwerten (auch: Average-Messwerten) eines herkömmlichen LLC-Wandlers mit Eingangsspannung mit geringem Spannungsrippel aufgetragen. Auch in diesem herkömmlichen Spektrum sind schmalbandige Spitzen ersichtlich.
Fig. 6 zeigt ein beispielhaftes Ausgangs-Spektrum des LLC-Wandlers 100 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 der Fig. 2A, 2B, 3 bzw. 4. Das Ausgangs-Spektrum wird beispielsweise an den mit Bezugszeichen 220 bezeichneten Anschlüssen bereitgestellt. Das Spektrum in Fig. 6 kann auch als Beispielspektrum mit LLC-Jitter bezeichnet werden.
Gleiche Größen (beispielsweise Koordinatenachsen, Kennwerte und/oder Grenzwerte) sind in Fig. 5 und Fig. 6 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
An Bezugszeichen 610 in Fig. 6 ist das Spektrum der Quasi-Spitzen-Messwerte (auch: Quasi-Peak-Messwerte) am Ausgang (beispielsweise an den Anschlüssen 220 der stabilen Gleichspannungsversorgung) des LLC-Wandlers 100 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 aufgetragen. Das Spektrum der Fig. 6 umfasst im Vergleich zum herkömmlichen Spektrum der Fig 5 verbreiterte und abgeflachte Spitzenwerte, wie beispielsweise im Frequenzbereich bei ungefähr 300 kHz und bei ungefähr 500 kHz ersichtlich ist.
An Bezugszeichen 612 ist das Spektrum der Durchschnitts-Messwerte (auch: Average-Messwerte) am Ausgang (beispielsweise an den Anschlüssen 220 der stabilen Gleichspannungsversorgung) des LLC-Wandlers 100 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 aufgetragen. Auch in diesem Spektrum der Fig. 6 ist die Verbreiterung und Abflachung der Spitzen im Vergleich zu Fig. 5 ersichtlich.
Wie beispielhaft anhand des Vergleichs der Fig. 5 und 6 ersichtlich ist, ergeben sich aus einer stärkeren als der herkömmlichen Variation der Schaltfrequenz des LLC-Wandlers 100 niedrigere Quasi-Spitzenwerte (auch: Quasi-Peakwerte) und Durchschnittswerte (auch: Averagewerte) im Spektrum, da die Energie auf einen größeren Frequenzbereich verteilt wird.
Alternativ oder ergänzend können die Durchschnittswerte (auch: Averagewerte) der erfindungsgemäßen Vorrichtung (beispielsweise der Vorrichtung 200-1 ; 200- 2; 200-3 in Fig. 3, 4 bzw. 5) deutlich unterhalb der Quasi-Spitzenwerte (auch: Quasi-Peakwertes) liegen.
Somit ist bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (beispielsweise der Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 der Fig. 2A und 2B, 3 bzw. 4) und/oder der Einspeisung einer überlagernden Wechselspannung 281 in die Eingangsgleichspannung des LLC-Wandlers 100 ein geringerer Aufwand als herkömmlicherweise für EMV-Maßnahmen, insbesondere des LLC-Wandlers 100, nötig.
Durch die Eingangsgleichspannung und Ausgangsgleichspannung des LLC- Wandlers, beispielsweise des LLC-Wandlers 100 der Fig. 1 , ist dessen Schaltfrequenz festgelegt. Verändert man nun die Eingangsgleichspannung des LLC-Wandlers 100, so muss sich erfindungsgemäß auch dessen Schaltfrequenz ändern, um eine gleich hohe Ausgangsgleichspannung (beispielsweise an den Anschlüssen 220 der stabilen Gleichspannungsversorgung) zu erzeugen. Erfolgt die erfindungsgemäße Eingangsgleichspannungsänderung nur langsam, so ist die Schaltungseinheit 112 (auch: Regelung) des LLC-Wandlers 100 in der Lage, die Ausgangsgleichspannung schnell genug nachzuregeln, so dass die Störung (insbesondere in Frequenz und Amplitude der Eingangsgleichspannung) nicht auf die Ausgangsgleichspannung durchschlägt.
Die technische Lösung besteht erfindungsgemäß darin, dass zwischen der Eingangsgleichspannung und dem LLC-Wandler 100 ein Anpasswandler 206 vorhanden ist, der mit seiner Ausgangsgleichspannung den LLC-Wandler 100 versorgt. Die technische Lösung besteht ferner erfindungsgemäß darin, dass die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206 so verändert (auch: manipuliert) wird, dass ihr gezielt eine Wechselspannung 218 überlagert ist. Durch die Änderung der Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206 muss sich gleichfalls die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers 100 ändern (insbesondere bei konstanter Ausgangsgleichspannung des LLC- Wandlers 100, beispielsweise an den Anschlüssen 220 der stabilen Gleichspannungsversorgung).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur stabilen Gleichspannungsversorgung von einer dreiphasigen (auch: 3-phasigen) Wechselspannungsquelle (auch: Netzspannung) 202 gespeist, die anschließend gleichgerichtet 204 wird. Nachfolgend schließt sich ein Hochsetzsteller (auch: Aufwärtswandler; Englisch: Boost-Converter) als Anpasswandler 206 an. Dem Istwert für die Ausgangsgleichspannung des Hochsetzstellers 206 wird eine Wechselspannung (beispielsweise eine Dreieckspannung oder eine Sägezahnspannung) 218 überlagert, die dazu führt, dass die Ausgangsgleichspannung des Hochsetzstellers 206 entsprechend schwankt (z.B. um eine Amplitude von ±7 V mit einer Frequenz von 1 .2 Hz bei einem Mittelwert von 805 Volt). Die schwankende Eingangsgleichspannung führt zu einem zeitlichen Taktzittern (auch: Frequenz-Jitter) des LLC-Wandlers 100.
Die Vorrichtung des, oder eines jeden, Ausführungsbeispiels kann eine einstellbare Ausgangsgleichspannung von 22,5 V bis 29,5 V, insbesondere von 24 V, bereitstellen (beispielsweise an den Anschlüssen 220 der stabilen Gleichspannungsversorgung in Fig. 2A, 2B, 3 oder 4). Die Ausgangsströme können im Bereich zwischen 2,5 Ampere (A) und 40 A liegen. Insbesondere können die Ausgangsströme 2,5 A, 5 A, 10 A, 20 A und/oder 40 A umfassen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind Werte der Ausgangsgleichspannung von 12 V, 48 V, 120 V oder 250 V möglich. Alternativ oder ergänzend können die Ausgangsströme im Bereich von mehreren hundert Ampere liegen, z.B. bei 200 A oder 1000 A. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die Spannungswerte oder Stromwerte (kollektiv auch als Kennwerte bezeichnet) der oben genannten Ausführungsbeispiele, sondern ist auch auf andere Kombinationen von Kennwerten anwendbar.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele umfasst der Anpasswandler 206 einen Tiefsetzsteller (auch: Abwärtswandler; Englisch: Buck-Converter), einen Hochtiefsetzsteller (Englisch: Buck-Boost-Converter), einen Sperrwandler (Englisch: Flyback Converter), einen SEPIC-Wandler, einen Flußwandler und/oder einen Brückenwandler.
In jedem Ausführungsbeispiel kann der LLC-Wandler 100 einen eigenen Regelkreis, beispielsweise integriert in der (oder umfassend die) Schaltungseinheit 112, umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die überlagernde Wechselspannung 218 die Steuereinheit 208 des Anpasswandlers 206 beeinflussen.
Weiterhin alternativ oder ergänzend wird in den Regelkreis des LLC-Wandlers 100 nicht direkt eingegriffen, sondern beispielsweise nur indirekt durch die Änderung von sowohl Amplitude als auch Frequenz der Eingangsgleichspannung (insbesondere durch die Überlagerung der Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206 mit der Wechselspannung 218) am Eingang des LLC-Wandlers 100.
Wegen der Veränderung der Eingangsgleichspannung muss der LLC-Wandler 100 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung seine Schaltfrequenz verändern, damit die Ausgangsgleichspannung (beispielsweise an den Anschlüssen 220 der stabilen Gleichspannungsversorgung in Fig. 2A, 2B, 3 oder 4) stabil bleibt. Das erfolgt durch eine (beispielsweise bereits vorhandene) Schaltungseinheit 112 (auch: Regelkreis) des LLC-Wandlers 100. Die Schaltfrequenzänderung des LLC-Wandlers 100 kann also erfindungsgemäß indirekt durch den Anpasswandler 206 erzwungen werden, ohne in die Schaltungseinheit 112 (auch: den Regelkreis) des LLC-Wandlers 100 direkt einzugreifen zu müssen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 200- 1 ; 200-2; 200-3 durch eine Gleichspannungsquelle, d.h. eine Eingangsgleichspannung mit einer Frequenz von 0 Hz, gespeist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 durch eine (beispielsweise dreiphasige) Wechselspannung 202 mit einer Frequenz von 50 Hz bis 60 Hz und anschließender Gleichrichtung 204 gespeist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3 durch eine Wechselspannung (beispielsweise eines, insbesondere Flugzeug-, Bordnetzes) 202 mit einer Frequenz von 400 Hz und anschließender Gleichrichtung 204 gespeist.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele sind Frequenzen von über 400 Hz einer Wechselspannungsquelle 202 mit anschließender Gleichrichtung 204 möglich.
Alternativ oder ergänzend kann ein Spannungsrippel geringer sein je höher die Frequenz der Spannungsquelle 202 (beispielsweise mit anschließender Gleichrichtung 204) ist, aus welcher der Anpasswandler 206 gespeist wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Frequenz einer überlagernden Wechselspannung 218, beispielsweise eine Dreiecksspannung oder einer Sägezahnspannung, zwischen 0,5 Hz und 2 Hz betragen. Alternativ oder ergänzend sind weitere Frequenzen der überlagernden Wechselspannung 218 möglich, die einer deutlich langsameren Veränderung der Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers 206 und/oder der Eingangsgleichspannung des LLC-Wandlers 100 entsprechen als das Reaktionsvermögen der Schaltungseinheit (auch: des LLC-Reglers) 112 des LLC-Wandlers. So kann die Schaltungseinheit (auch: der LLC-Regler) 112 des LLC-Wandlers 112 die Ausgangsgleichspannung (beispielsweise an den Anschlüssen 220 in Fig. 2A, 2B, 3 oder 4) stabil halten.
Gemäß weiterer Ausgangsbeispiele kann eine Eingangsgleichspannung einer Spannungsquelle (auch: Netz) zwischen 12 V und 800 V betragen. Alternativ oder ergänzend kann eine Eingangswechselspannung einer Spannungsquelle 202 (beispielsweise mit anschließender Gleichrichtung 204) zwischen 100 V und 500 V, insbesondere zwischen 400 V und 500 V, umfassen. Beispielsweise kann die dreiphasige Wechselspannungsquelle 202 in den Fig. 2A, 2B, 3 und 4 jeweils eine Spannung zwischen 400 V und 500 V an den Gleichrichter 204 bereitstellen.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele beträgt die Eingangsgleichspannung Vzk des LLC-Wandlers 100 in Fig. 2A, 2B, 3 oder 4 800V, der eine niederfrequente Wechselspannung 218 mit Amplitude von ± 10 V bis ±20V und einer Frequenz von 1 Hz überlagert ist.
Die in den Ausführungsbeispielen genannten Spannungswerte und/oder Amplituden, insbesondere der (z.B. Eingangs- und/oder Ausgangs-) Gleichspannungen, sind exemplarisch. Andere Spannungswerte und/oder Amplituden können erfindungsgemäß mit einer jeweils geeignet gewählten Wechselspannung überlagert werden.
Wenn das Frequenzspektrum vollkommen unwichtig wäre, dann würde man normalerweise die Eingangsspannung des LLC-Wandlers 100 so stabil wie möglich halten. Dass nun für den Frequenz-Jitter eine Wechselspannung 218 überlagert (auch: aufmoduliert) wird, ist intuitiv das Gegenteil herkömmlicher Anforderungen, weil es die Schaltungseinheit (auch: Regler) 112 des LLC- Wandlers 100 stört. Alternativ oder ergänzend können Bauteile stärker als herkömmlicherweise belastet werden. Z.B. kann ein Eingangskondensator gemäß der Erfindung für eine höhere Spannung ausgelegt sein (beispielsweise eine Gleichspannung plus Amplitude der Wechselspannung) als herkömmlicherweise. Diese nachteiligen Effekte können insbesondere Kenngrößen der überlagernden Wechselspannung 218 im Verhältnis zu Kenngrößen der Ausgangsspannung des Anpasswandlers 206 begrenzen.
Beispielsweise kann bei einer überlagernden Wechselspannung 218 von 20 V (auch: ±20 V Spitzenspannung; kurz: ±20 Vpk) auf eine Gleichspannung von 800 V (auch: Vdc) bezogen eine starke Verbreiterung der Spitzen im Spektrum erreicht werden und trotzdem die Vorrichtung (beispielsweise die Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3) noch gut betreiben werden und die Bauteile nicht überlastet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine überlagernde Wechselspannung 218 von 10 V (auch: ±10 V Spitzenspannung; kurz: ±10 Vpk) auf eine Gleichspannung von 400 V (auch: Vdc) bezogen geeignet für eine starke Verbreiterung der Spitzen im Spektrum ohne Überlastung von Bauteilen der Vorrichtung (beispielsweise der Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3).
Gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel ist eine überlagernde Wechselspannung 218 von 4 V (auch: ±4 V Spitzenspannung; kurz: ±4 Vpk) auf eine Gleichspannung von 160 V (auch: Vdc) bezogen geeignet für eine starke Verbreiterung der Spitzen im Spektrum ohne Überlastung von Bauteilen der Vorrichtung (beispielsweise der Vorrichtung 200-1 ; 200-2; 200-3). Beispielsweise kann das Verhältnis berechnet werden ausgehend vom Ausführungsbeispiel einer Gleichspannung von 800 V mit einer überlagernden Wechselspannung 218 von 20 V als: (Wert Gleichspannung in V)/800 V x 20 V = (zulässiger und/oder geeigneter Wert überlagernde Wechselspannung in V).
Alle Ausführungsbeispiele sind, sofern nicht anderweitig spezifiziert, miteinander kombinierbar. Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist für Fachkundige ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder eine bestimmtes elektrische Leistungsanforderung an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste
LLC-Wandler 100
Transformator 102
Induktivität 104-1 ; 104-2; 104-3
Kapazität 106-1 ; 106-2; 106-3
Halbleiterschalter 108
Diode 110
Schaltungseinheit 112
Vorrichtung zur stabilen Gleichspannungsversorgung 200-1 ; 200-2; 200-3
Spannungsquelle 202
Gleichrichter 204
Anpasswandler 206
Steuereinheit 208
Sollwert der Spannung 210
Istwert der Spannung 212
Erster Widerstand der Widerstandsbrücke 214
Zweiter Widerstand der Widerstandsbrücke 216
Überlagernde Wechselspannung 218
Signalgenerator der überlagernden Wechselspannung 219
Anschlüsse für stabile Gleichspannungsversorgung 220
Widerstand 222
Frequenz (Abszisse) 502
Spannungswert (Ordinate) 504
Quasi-Spitzenkennwert 506
Durchschnittskennwert 508
Quasi-Spitzen-Messwert im Stand der Technik 510
Durchschnitts-Messwert im Stand der Technik 512
Quasi-Spitzen-Messwert gemäß Ausführungsbeispiel der Erfindung 610
Durchschnitts-Messwert gemäß Ausführungsbeispiel der Erfindung 612

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (200-1 ; 200-2; 200-3) zur stabilen Gleichspannungsversorgung (220) umfassend: einen Anpasswandler (206), der auf einer Eingangsseite des Anpasswandlers (206) mit einer Gleichspannungsquelle (202, 204) oder einer Wechselspannungsquelle (202) elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist; und einen LLC-Wandler (100), der auf einer Eingangsseite mit einer Ausgangsseite des Anpasswandlers (206) elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist, wobei der LLC-Wandler (100) dazu ausgebildet ist, auf einer Ausgangsseite eine stabile Gleichspannungsversorgung (220) bereitzustellen, wobei eine Gleichspannung der ausgangsseitigen stabilen Gleichspannungsversorgung (220) eine Funktion einer Schaltfrequenz des LLC- Wandlers (100) ist; wobei der Anpasswandler (206) eine Steuereinheit (208) umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers (206) mit einer Wechselspannung (218) zu überlagern; wobei eine Amplitude der überlagernden Wechselspannung (218) kleiner ist als die Ausgangsgleichspannung; und wobei eine Frequenz der überlagernden Wechselspannung (218) geringer ist als die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers (100).
2. Vorrichtung (200-1 -; 200-2; 200-3) nach Anspruch 1 , wobei die Gleichspannungsquelle (202, 204) eine dreiphasige Wechselspannungsquelle (202) und einen zwischen der dreiphasigen Wechselspannungsquelle (204) und der Eingangsseite des Anpasswandlers (206) angeordneten Gleichrichter (204) umfasst.
3. Vorrichtung (200-1 ; 200-2; 200-3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anpasswandler (206) einen Hochsetzsteller, einen Tiefsetzsteller, und/oder einen Hoch-Tiefsetzsteller umfasst.
4. Vorrichtung (200-1 ; 200-2; 200-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die überlagernde Wechselspannung (218) eine Dreiecksspannung, eine Sinusspannung, eine Sägezahnspannung und/oder eine Rechteckspannung umfasst.
5. Vorrichtung (200-1 ; 200-2; 200-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend zwei einen Spannungsteiler bildende in Reihe geschaltete Widerstände (214; 216), wobei der Spannungsteiler zwischen beide Pole der Ausgangsseite des Anpasswandlers (206) und/oder zwischen beide Pole der Eingangsseite des LLC-Wandlers (100) geschaltet ist, und wobei die Steuereinheit (208) des Anpasswandlers (206) dazu ausgebildet ist, die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers (206) abhängig von einer an einem Knotenpunkt zwischen dem ersten Widerstand (214) und dem zweiten Widerstand (216) des Spannungsteilers abgegriffenen Spannung zu regeln.
6. Vorrichtung (200-1 ; 200-2) nach Anspruch 5, ferner umfassend einen Signalgenerator (219), der ein Steuersignal der überlagernden Wechselspannung (218) in die abgegriffene Spannung einkoppelt, optional über einen dritten Widerstand (222), der mit einem ersten Anschluss an den Knotenpunkt zwischen dem ersten Widerstand (214) und dem zweiten Widerstand (216) des Spannungsteilers elektrisch leitend angeschlossen ist, wobei der dritte Widerstand (222) an einem zweiten Anschluss mit dem Signalgenerator (219) elektrisch leitend verbunden ist.
7. Vorrichtung (200-1 ) nach Anspruch 6, wobei der Signalgenerator (219) ferner mit einem der beiden Pole der Ausgangsseite des Anpasswandlers (206) und/oder mit einem der beiden Pole der Eingangsseite des LLC-Wandlers (100) elektrisch leitend verbunden ist, und/oder wobei der Signalgenerator (219) außerhalb des Anpasswandlers angeordnet ist (206).
8. Vorrichtung (200-1 ; 200-2) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Steuersignal der überlagernden Wechselspannung (218) auf die über den Spannungsteiler abgegriffene Spannung aufaddiert wird.
9. Vorrichtung (200-1 ; 200-2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Steuereinheit (208) dazu ausgebildet ist, die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers (206) abhängig von einer Ist-Spannung zu regeln, wobei der Signalgenerator (219) ein Steuersignal der überlagernden Wechselspannung (218) in die Ist-Spannung einkoppelt, optional wobei das Steuersignal auf einen Istwert in der Steuereinheit (208) aufaddiert wird.
10. Vorrichtung (200-3) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Steuereinheit (208) dazu ausgebildet ist, die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers (206) abhängig von einer Soll-Spannung zu regeln, wobei der Signalgenerator (219) ein Steuersignal der überlagernden Wechselspannung (218) in die Soll-Spannung einkoppelt, optional wobei das Steuersignal auf einen konstanten Sollwert in der Steuereinheit (208) aufaddiert wird.
11. Vorrichtung (200-1 ; 200-2; 200-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Überlagerung der Ausgangsspannung des Anpasswandlers (206) mit der überlagernden Wechselspannung (218) eine analoge Signaleinkopplung und/oder eine digitale Signaleinkopplung in der Steuereinheit (208) umfasst.
12. Vorrichtung (200-1 ; 200-2; 200-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die Frequenz der überlagernden Wechselspannung (218) zwischen 0,5 Hz und 2 Hz beträgt, optional wobei die Frequenz der überlagernden Wechselspannung (218) 1 Hz beträgt.
13. Vorrichtung (200-1 ; 200-2; 200-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers mindestens ein ganzzahliges Vielfaches der Amplitude der überlagernden Wechselspannung (218) beträgt; und/oder wobei die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers zwischen 400 V und 800 V beträgt; und/oder wobei die Amplitude der überlagernden Wechselspannung (218) zwischen 10 V und 20 V beträgt.
14. Verfahren zum Bereitstellen einer stabilen Gleichspannungsversorgung (220), umfassend die Schritte:
Anpassen einer Gleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle (202, 204) oder einer Wechselspannung aus einer Wechselspannungsquelle (202) mittels eines Anpasswandlers (206);
Überlagern einer Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers (206) mit einer Wechselspannung (218); wobei eine Amplitude der überlagernden Wechselspannung (218) kleiner ist als die Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers (206);
Wandeln der mit der Wechselspannung (218) überlagerten Ausgangsgleichspannung des Anpasswandlers (206) mittels eines LLC- Wandlers (100), wobei der LLC-Wandler (100) dazu ausgebildet ist, auf einer Ausgangsseite eine stabile Gleichspannungsversorgung (220) bereitzustellen, wobei eine Gleichspannung der ausgangsseitigen stabilen Gleichspannungsversorgung eine Funktion einer Schaltfrequenz des LLC- Wandlers (100) ist; wobei eine Frequenz der überlagernden Wechselspannung (218) geringer ist als die Schaltfrequenz des LLC-Wandlers (100); und Bereitstellen einer stabilen Gleichspannung an der Ausgangsseite des
LLC-Wandlers (100).
15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend die Schritte:
Gleichrichten einer Wechselspannung einer Wechselspannungsquelle (202) mittels eines Gleichrichters (204); und
Bereitstellen der gleichgerichteten Spannung als die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle an einer Eingangsseite des Anpasswandlers (206).
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EP3920389A1 (de) * 2020-06-01 2021-12-08 Murata Manufacturing Co., Ltd. Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von emi für einen frequenzmodulierten gleichspannungswandler

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EP3920389A1 (de) * 2020-06-01 2021-12-08 Murata Manufacturing Co., Ltd. Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von emi für einen frequenzmodulierten gleichspannungswandler

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