AT15037U1 - DC / DC converter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Um bei einem DC/DC-Wandler (1) im gesamten Ausgangsspannungsbereich mit geringem Aufwand eine hohe Stromänderungsrate zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Induktivität (L1, L2, L3, L4) einer Phase des DC/DC-Wandlers (1) zumindest zwei Teilinduktivitäten (L11, L12, L21, L22, L31, L32, L41, L42) umfasst, wobei zumindest eine Teilinduktivität (L12, L22, L32, L42) mittels eines parallel dazu angeordneten Schalters (K1, K2, K3, K4) kurzschließbar ist.The invention relates to a DC / DC converter and a method for its operation. In order to achieve a high current change rate with little effort in a DC / DC converter (1) in the entire output voltage range, it is provided that the inductance (L1, L2, L3, L4) of one phase of the DC / DC converter (1) at least two Teilinduktivitäten (L11, L12, L21, L22, L31, L32, L41, L42), wherein at least one partial inductance (L12, L22, L32, L42) by means of a parallel arranged switch (K1, K2, K3, K4) short-circuited is.
Description
Beschreibungdescription
DC/DC-WANDLERDC / DC CONVERTER
[0001] Die gegenständliche Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler mit zumindest einer Halbbrücke mit zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern und einer mit einem ersten Ausgangsanschluss verbundenen Ausgangsleitung, die zwischen den Halbleiterschaltern abzweigt und in der zumindest eine Induktivität angeordnet ist, und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen DC/DC-Wandlers.The subject invention relates to a DC / DC converter having at least one half-bridge with two series-connected semiconductor switches and one connected to a first output terminal output line, which branches off between the semiconductor switches and is arranged in the at least one inductor, and a method for Operating such a DC / DC converter.
[0002] DC/DC-Wandler sind häufig als sogenannte Synchronwandler ausgeführt, bei denen eingangsseitig eine Halbbrücke aus zwei Halbleiterschaltern, beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), vorgesehen ist. Zwischen den beiden Halbleiterschaltern der Halbbrücke zweigt die Ausgangsleitung ab, in der eine Induktivität L angeordnet ist. Die Ausgangsspannung wird durch die Einschalt- und Ausschaltzeit der Halbleiterschalter bestimmt, wobei die Halbleiterschalter der Halbbrücke immer im Gegentakt gesteuert sind. Parallel zum Ausgang des Synchronwandlers ist häufig noch eine Ausgangskapazität zur Glättung der Ausgangsspannung angeordnet. Ein solcher Synchronwandler kann bekanntermaßen auch mehrphasig ausgeführt sein, wobei für jede Phase eine Halbbrücke und eine Induktivität vorgesehen sind. Die Halbbrücken der einzelnen Phasen werden dabei um einen Phasenwinkel versetzt gesteuert.DC / DC converters are often designed as so-called synchronous converters in which the input side, a half-bridge of two semiconductor switches, such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) is provided. Between the two semiconductor switches of the half-bridge branches off the output line, in which an inductance L is arranged. The output voltage is determined by the turn-on and turn-off of the semiconductor switch, the semiconductor switches of the half-bridge are always controlled in push-pull. Parallel to the output of the synchronous converter is often arranged an output capacitance for smoothing the output voltage. As is known, such a synchronous converter can also be multiphase, wherein a half-bridge and an inductance are provided for each phase. The half-bridges of the individual phases are controlled offset by a phase angle.
[0003] Solche DC/DC-Wandler müssen dabei mitunter auch große Ausgangsspannungsbereiche abdecken. Das Problem dabei ist, dass die mögliche Dynamik des DC/DC-Wandlers aufgrund der Induktivität L bei kleinen Spannungen durch den bekannten Zusammenhang u=Lbeschränkt ist. Wenn nur der an der Eingangsspannung UE anliegende Halbleiter- dtSuch DC / DC converters sometimes have to cover large output voltage ranges. The problem with this is that the possible dynamics of the DC / DC converter due to the inductance L at low voltages by the known relationship u = L is limited. If only the semiconductor applied to the input voltage UE dt
Schalter der Halbbrücke geschlossen ist, ändert sich der Strom über die Induktivität L mit dL/dt = Ue-Ua / L, mit der Ausgangsspannung UA des DC/DC-Wandlers. Wenn nur der andere Halbleiterschalter geschlossen ist, ändert sich der Strom mit diL/dt = -UA / L. Durch Modulation der Halbbrücke kann die Stromänderung nur zwischen diesen beiden Werten eingestellt werden. D.h. insbesondere bei kleiner Ausgangsspannung UA ist die Stromänderung nach unten mit diL/dt > -UA / L begrenzt. Dadurch ergibt sich der möglich Betriebsbereich zwischen diesen beiden Grenzen, wie in Fig.1 dargestellt.Switch of the half-bridge is closed, the current changes via the inductance L with dL / dt = Ue -Ua / L, with the output voltage UA of the DC / DC converter. When only the other semiconductor switch is closed, the current changes with diL / dt = -UA / L. By modulating the half-bridge, the current change can only be adjusted between these two values. That especially at low output voltage UA, the current change is limited downwards with diL / dt> -UA / L. This results in the possible operating range between these two limits, as shown in Fig.1.
[0004] Damit sind bei kleinen Ausgangsspannungen UA in negativer Richtung nur langsame Stromänderungen des DC/DC-Wandlers realisierbar. Für viele Anwendungen ist das aber unerwünscht. Dies trifft insbesondere auf DC/DC-Wandler zu, die als Batterietester oder Batterieemulator zum Testen von Batterien oder Hybridantriebssträngen verwendet werden, da für realitätsnahe Tests eine hohe Stromänderungsrate in allen Spannungsbereichen erwünscht bzw. erforderlich ist.Thus, at low output voltages UA in the negative direction only slow current changes of the DC / DC converter can be realized. This is undesirable for many applications. This is especially true for DC / DC converters used as a battery tester or battery emulator for testing batteries or hybrid powertrains, since a high rate of current change in all voltage ranges is desirable or required for close-to-reality testing.
[0005] Beim Betrieb eines Batterieemulators mit kleiner Ausgangsspannung UA und mit großem Laststrom kann ein plötzlicher Lastabwurf dazu führen, dass der Ausgangsstrom iA schneller abnimmt als der Strom iL in der Induktivität L abnehmen kann. Mit der resultierenden Ladungsdifferenz wird die Ausgangskapazität aufgeladen. Das hat wiederum eine Erhöhung der Ausgangsspannung UA zur Folge, die mit der Regelung des DC/DC-Wandlers nicht verhindert werden kann. Dies ist eine unerwünschte Abweichung vom Sollwert und kann zur Zerstörung des Prüflings durch Überspannung führen.When operating a battery emulator with low output voltage UA and with a large load current, a sudden load shedding can cause the output current iA decreases faster than the current iL in the inductance L can decrease. With the resulting charge difference, the output capacitance is charged. This in turn results in an increase of the output voltage UA, which can not be prevented with the regulation of the DC / DC converter. This is an undesirable deviation from the nominal value and can lead to destruction of the test object due to overvoltage.
[0006] Beim Betrieb eines Batterietesters ist es erforderlich, einen möglichst schnellen Wechsel von vollem Ladestrom zu vollem Entladestrom zu vollziehen. Bei kleiner Batteriespannung wird aber die für die Stromumkehr notwendige Stromänderungsrate von der Induktivität L begrenzt.When operating a battery tester, it is necessary to perform the fastest possible change from full charge current to full discharge. At low battery voltage but necessary for the current reversal current change rate is limited by the inductance L.
[0007] Um dieses Problem zu beheben wurden bisher im DC/DC-Wandler mehrere Garnituren von Induktivitäten L vorgesehen, die je nach Bedarf im DC/DC-Wandler zugeschaltet wurden. Das bedingt aber das Vorsehen von vielen verschiedenen Induktivitäten L in der benötigtenTo solve this problem, several sets of inductors L were previously provided in the DC / DC converter, which were switched on as needed in the DC / DC converter. However, this requires the provision of many different inductances L in the required
Anzahl (je Phase eine Anzahl verschiedener Induktivitäten L) und eine damit verbundene komplexe Verkabelung und Relaisschaltung, um die richtigen Induktivitäten L zu- und wegschalten zu können. Solche Systeme sind daher aufwendig und teuer.Number (each phase a number of different inductors L) and a complex wiring and relay circuit connected to it in order to switch on and off the right inductors L. Such systems are therefore complicated and expensive.
[0008] Die US 8,278,783 B2 beschreibt einen DC/DC-Wandler, der zwischen verschiedenen Ausgangsspannungen hin- und herschalten kann, um die Effizienz des DC/DC-Wandlers zu erhöhen. Dazu sind im Wesentlichen zwei Synchronwandler implementiert, deren Bauteile jeweils auf einen bestimmten Spannungsbereich optimiert sind. Das erfordert aber eine Verdoppelung aller elektrischen Bauteile des Synchronwandlers, was einen solchen DC/DC- Wandler ebenfalls wieder aufwendig und teurer macht.US 8,278,783 B2 describes a DC / DC converter which can switch between different output voltages to increase the efficiency of the DC / DC converter. For this purpose, essentially two synchronous converters are implemented whose components are each optimized for a specific voltage range. But this requires a doubling of all electrical components of the synchronous converter, which also makes such a DC / DC converter again consuming and more expensive.
[0009] Es ist nun eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung einen DC/DC-Wandler anzugeben, der mit geringem Aufwand im gesamten Ausgangsspannungsbereich eine hohe Stromdynamik ermöglicht.It is now an object of the subject invention to provide a DC / DC converter that enables high current dynamics with little effort in the entire output voltage range.
[0010] Diese Aufgabe wird mit einem eingangs erwähnten DC/DC-Wandler erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Induktivität zumindest zwei Teilinduktivitäten umfasst, wobei zumindest eine Teilinduktivität kurzschließbar ist.This object is achieved with an aforementioned DC / DC converter according to the invention in that the inductance comprises at least two partial inductances, wherein at least one partial inductance is short-circuited.
[0011] Durch das Kurzschließen einer Teilinduktivität wird die Induktivität der Phase des DC/DC- Wandlers verringert, womit sich die mögliche Stromänderungsrate des Induktivitätsstromes, und damit auch des Ausgangsstromes des DC/DC-Wandlers, insbesondere bei kleiner Ausgangsspannung, erhöhen lässt. Damit kann der DC/DC-Wandler sehr einfach auf einen großen Spannungsbereich der Ausgangsspannung angepasst werden und es ist eine hohe Stromdynamik über diesen ganzen Spannungsbereich garantiert. Damit kann bei Anwendung des DC/DC-Wandlers in einem Batterieemulator auch die Gefahr der Überspannung nach einem plötzlichen Lastabwurf bei Betrieb mit kleiner Ausgangspannung beseitigt werden und es ist damit auch eine schnelle Stromumkehr möglich.By short-circuiting a partial inductance, the inductance of the phase of the DC / DC converter is reduced, whereby the possible rate of change of the inductance current, and thus the output current of the DC / DC converter, in particular at low output voltage can be increased. Thus, the DC / DC converter can be easily adapted to a wide voltage range of the output voltage and it is a high current dynamics guaranteed over this entire voltage range. Thus, when using the DC / DC converter in a battery emulator and the risk of overvoltage after a sudden load shedding when operating with low output voltage can be eliminated and it is therefore also a quick power reversal possible.
[0012] Günstigerweise ist die zumindest eine kurzschließbare Teilinduktivität mittels eines parallel dazu angeordneten Schalters kurzschließbar, was eine besonders einfache Realisierung zum Kurzschließen einer Teilinduktivität ermöglicht.Conveniently, the at least one short-circuitable partial inductance can be short-circuited by means of a switch arranged in parallel therewith, which enables a particularly simple realization for short-circuiting a partial inductance.
[0013] Durch das Kurzschließen der Teilinduktivität wird außerdem die Welligkeit der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers verringert, was vorteilhaft dazu führt, dass es möglich ist, die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers zu verringern, indem beispielsweise ein Transformator mit einer kleineren Eingangsspannung verwendet wird. Darüber hinaus kann die Welligkeit der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers weiter reduziert werden, indem die Schaltfrequenz der Halbleiterschalter vergrößert wird. Das hat den Vorteil, dass die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers verringert werden kann und mit der verringerten Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers die auftretenden Schaltverluste ebenfalls verringert werden.By short-circuiting the partial inductance also the ripple of the output voltage of the DC / DC converter is reduced, which advantageously leads to it being possible to reduce the input voltage of the DC / DC converter, for example by a transformer with a smaller Input voltage is used. In addition, the ripple of the output voltage of the DC / DC converter can be further reduced by increasing the switching frequency of the semiconductor switches. This has the advantage that the input voltage of the DC / DC converter can be reduced and with the reduced input voltage of the DC / DC converter, the switching losses occurring are also reduced.
[0014] In einer Variante der Erfindung umfasst die Induktivität zumindest zwei induktiv gekoppelte Teilinduktivitäten. Bei Verwendung einer Induktivität bestehend aus zwei induktiv gekoppelten Teilinduktivitäten kann die Induktivität um einen hohen Faktor reduziert werden, wobei der Faktor einfach über den Kopplungsfaktor eingestellt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht das eine sehr kompakte, platzsparende Ausführung der Induktivität, was für den Einsatz in einem DC/DC-Wandler von Vorteil ist.In a variant of the invention, the inductance comprises at least two inductively coupled Teilinduktivitäten. When using an inductance consisting of two inductively coupled Teilinduktivitäten the inductance can be reduced by a high factor, the factor can be easily adjusted by the coupling factor. In addition, this allows a very compact, space-saving design of the inductance, which is advantageous for use in a DC / DC converter.
[0015] Vorzugsweise umfasst die Induktivität zumindest zwei Teilinduktivitäten, welche seriell oder parallel geschaltet sind. In einer weiteren Variante der Erfindung umfasst die Induktivität zumindest zwei Teilinduktivitäten, welche zwischen serieller und paralleler Verschaltung um-schaltbar ausgeführt sind.Preferably, the inductance comprises at least two partial inductances, which are connected in series or in parallel. In a further variant of the invention, the inductance comprises at least two partial inductances, which are designed to be switchable between serial and parallel connection.
[0016] Die Aufgabe der Erfindung wird weiters mit einem eingangs erwähnten Verfahren zum Betreiben eines DC/DC-Wandlers mit zumindest einer Halbbrücke mit zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern und einer mit einem ersten Ausgangsanschluss verbundenen Ausgangsleitung, die zwischen den Halbleiterschalen abzweigt und in der zumindest eine Induktivität angeordnet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Induktivität zumindest zwei Teilin duktivitäten umfasst, wobei zumindest eine Teilinduktivität kurzgeschlossen wird, um eine erreichbare Stromänderungsrate des DC/DC-Wandlers anzupassen.The object of the invention is further with a method mentioned above for operating a DC / DC converter with at least one half-bridge with two series-connected semiconductor switches and one connected to a first output terminal output line, which branches off between the semiconductor dishes and in the at least an inductance is arranged according to the invention achieved in that the inductor comprises at least two Teilin ductilities, wherein at least one partial inductance is short-circuited to adjust an achievable rate of change of the DC / DC converter.
[0017] In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit dem Kurzschließen der Teilinduktivität auch eine Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers verkleinert. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines entsprechenden Transformators realisiert werden.In a variant of the method according to the invention, an input voltage of the DC / DC converter is reduced with the short-circuiting of the partial inductance. This can be realized for example by using a corresponding transformer.
[0018] In einer weiteren Variante der Erfindung wird mit dem Kurzschließen der Teilinduktivität auch eine Schaltfrequenz der Halbleiterschalter vergrößert.In a further variant of the invention, a switching frequency of the semiconductor switch is increased with the short-circuiting of the partial inductance.
[0019] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt [0020] Fig.1 der Betriebsbereich eines DC/DC-Wandlers gemäß dem Stand der Technik, [0021] Fig.2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers, [0022] Fig.3 eine Ausführung einer induktiv gekoppelten Induktivität einer Phase eines erfin dungsgemäßen DC/DC-Wandlers, [0023] Fig.4 die mögliche Reduktion des Induktivitätswertes einer erfindungsgemäß mit induk tiv gekoppelten Teilinduktivitäten ausgeführten Induktivität und [0024] Fig.5 der Betriebsbereich eines erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers.The subject invention will be explained in more detail with reference to Figures 1 to 5, which show by way of example, schematically and not limiting advantageous embodiments of the invention. 1 shows the operating range of a DC / DC converter according to the prior art, FIG. 2 shows a circuit diagram of a DC / DC converter according to the invention, FIG. 3 shows an embodiment of an inductively coupled inductance a phase of a DC / DC converter according to the invention, FIG. 4 shows the possible reduction of the inductance value of an inductance embodied according to the invention with inductively coupled partial inductances, and [0024] FIG. 5 shows the operating range of a DC / DC converter according to the invention.
[0025] Anhand von Fig.2 wird nachfolgend eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen mehrphasigen DC/DC-Wandlers 1, hier ein DC/DC-Wandler 1 mit vier Phasen P1...P4, beschrieben. Jede Phase P1...P4 umfasst die hinlängliche bekannte Schaltung eines Synchronwandlers mit einer Halbbrücke H1...H4 bestehend jeweils aus zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern S11, S12...S41, S42. Die Halbleiterschalter S11, S12...S41, S42 sind jeweils parallel zu den Eingangsanschlüssen 4, 4‘ geschaltet, wobei der erste Eingangsanschluss 4 mit jeweils einem der Halbleiterschaltern S11, S21, S31, S41 verbunden ist und der zweite Eingangsanschluss 4‘ auf Nullpotential liegt und direkt mit einem zweiten Ausgangsanschluss 3‘ verbunden ist. Zwischen den in Serie geschaltete Halbleiterschaltern S11, S12...S41, S42 zweigt jeweils eine Ausgangsleitung A1...A4 ab, in denen jeweils eine Induktivität L1...L4 angeordnet ist. Die Ausgangsleitungen A1...A4 sind mit einem ersten Ausgangsanschluss 3 des DC/DC-Wandlers 1 verbunden. Zwischen ersten und zweiten Ausgangsanschluss 3, 3‘ des DC/DC-Wandlers 1 liegt die Ausgangsspannung UA an und es fließt der Ausgangsstrom iA. Parallel zu den Ausgangsanschlüssen 3, 3‘ kann eine Ausgangskapazität CA angeordnet sein. Zwischen den Eingangsanschlüssen 4, 4‘ des DC/DC-Wandlers 1 liegt die Eingangsspannung UE an, wobei parallel dazu eine Eingangskapazität Ce angeordnet sein kann.An advantageous embodiment of a multiphase DC / DC converter 1 according to the invention, in this case a DC / DC converter 1 with four phases P1... P4, will be described below with reference to FIG. Each phase P1... P4 comprises the well-known circuit of a synchronous converter with a half-bridge H1... H4 each consisting of two series-connected semiconductor switches S11, S12... S41, S42. The semiconductor switches S11, S12 ... S41, S42 are each connected in parallel to the input terminals 4, 4 ', wherein the first input terminal 4 is connected to one of the semiconductor switches S11, S21, S31, S41 and the second input terminal 4' to zero potential is located and connected directly to a second output terminal 3 '. Between the series-connected semiconductor switches S11, S12 ... S41, S42 branches off in each case an output line A1 ... A4, in each of which an inductance L1 ... L4 is arranged. The output lines A1... A4 are connected to a first output terminal 3 of the DC / DC converter 1. Between the first and second output terminal 3, 3 'of the DC / DC converter 1, the output voltage UA is applied and it flows, the output current iA. An output capacitance CA can be arranged in parallel with the output terminals 3, 3 '. Between the input terminals 4, 4 'of the DC / DC converter 1 is applied to the input voltage UE, wherein an input capacitance Ce may be arranged in parallel thereto.
[0026] Die Halbbrücken H1...H4, bzw. die darin angeordneten Halbleiterschalter S11, S12...S41, S42 werden in bekannterWeise von einer Steuereinheit 2 phasenverschoben, hier z.B. mit 90° Phasenverzug, angesteuert, um die gewünschte Ausgangsspannung UA zu erzeugen. Durch jede Phase P1...P2 des DC/DC-Wandlers 1 fließt ein Phasen-Induktivitätsstrom iL1...iL4, die sich zum Induktivitätsstrom iL überlagern. Der Ausgangsstrom iA des DC/DC- Wandlers 1 ergibt sich dann aus dem Induktivitätsstrom iL und dem Strom iCA über die Ausgangskapazität CA zu iA = iL - icA- Falls keine Ausgangskapazität CA vorgesehen ist, entspricht der Ausgangsstrom iA natürlich dem Induktivitätsstrom iL, also iA = i|_.The half-bridges H1 ... H4, or the semiconductor switches S11, S12 ... S41, S42 arranged therein are phase-shifted in a known manner by a control unit 2, here e.g. with 90 ° phase delay, driven to produce the desired output voltage UA. Through each phase P1 ... P2 of the DC / DC converter 1, a phase inductance current iL1 ... iL4 flows, which overlap to the inductor current iL. The output current iA of the DC / DC converter 1 then results from the inductor current iL and the current iCA via the output capacitance CA to iA = iL - icA- If no output capacitance CA is provided, the output current iA of course corresponds to the inductance current iL, ie iA = i | _.
[0027] Die Welligkeit ÄUA der Ausgangsspannung UA des DC/DC-Wandlers 1 ist bekanntermaßen abhängig von der Eingangsspannung Ue, der Induktivität L1...L4 und von der Schaltfrequenz fsw mit der die Halbleiterschalter S11, S12...S41, S42 geschaltet werden, gemäß derThe ripple ÄUA the output voltage UA of the DC / DC converter 1 is known to be dependent on the input voltage Ue, the inductance L1 ... L4 and the switching frequency fsw with the semiconductor switches S11, S12 ... S41, S42 connected be, according to the
Beziehung ΔυΑ Ebenso ist die Welligkeit ΔϊΑ des Ausgangsstromes iA von diesen Grö-Relationship ΔυΑ Similarly, the ripple ΔϊΑ of the output current iA is of this magnitude
Lfl ßen abhängig, gemäß der Beziehung AiL Die Änderungsrate — des Induktivitätsstro-Depending on the relationship AiL The rate of change - of the inductance current - depends on
Lfsw dt mes ii_, und damit indirekt auch des Ausgangsstromes iA, ergibt sich während der aktiven positiven Schaltphase (Schalter S11, S21, S31, S41 geschlossen) zuLfsw dt mes ii_, and thus indirectly the output current iA, results during the active positive switching phase (switch S11, S21, S31, S41 closed) too
und während der negativen Schaltphase (Schalter S12, S22, S32, S42) geschlossen zuand closed during the negative switching phase (switches S12, S22, S32, S42)
. Daraus ist ersichtlich, dass die Stromänderungsrate — des Induktivitätsstromes iL insbesondere in der dt negativen Schaltphase bei kleiner Ausgangsspannung UA klein ist, was die erzielbare Dynamik des DC/DC-Wandlers 1 bei kleinen Ausgangsspannungen UA reduziert., It can be seen that the current change rate of the inductance current i L is small, in particular in the dt negative switching phase at low output voltage UA, which reduces the achievable dynamics of the DC / DC converter 1 at low output voltages UA.
[0028] Aus den obigen Beziehungen ist aber auch ersichtlich, dass die Dynamik des DC/DC-However, it can also be seen from the above relationships that the dynamics of the DC / DC
Wandlers 1 hinsichtlich der Stromänderungsrate — verbessert werden kann, wenn die Induk- dt tivität L1 ...L4 reduziert wird.Converter 1 with respect to the rate of change of current - can be improved if the Indutt ttivity L1 ... L4 is reduced.
[0029] Nachdem in der Regel auch kleine Welligkeiten ÄiA, ÄUA von Ausgangsstrom iA und Ausgangsspannung UA angestrebt werden, wird bevorzugt mit der Verkleinerung der Induktivität L1...L4 auch gleichzeitig die Eingangsspannung UE reduziert, was keine Verschlechterung derAfter generally small ripples ÄAA, ÄUA of output current iA and output voltage UA are generally sought, preferably with the reduction of the inductance L1 ... L4 also reduces the input voltage UE, which does not cause deterioration of
StromänderungsrateCurrent change rate
des Ausgangsstromes bewirkt. Mit einer kleineren Eingangsspannung UE könnte ohne Einfluss auf die Stromänderungsrate — zu nehmen auch die Schaltfrequenz dt fsw der Halbleiterschalter S11, S12...S41, S42 erhöht werden, da die Schaltverluste proportional zu Eingangsspannung UE und umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz fsw sind.the output current causes. With a smaller input voltage UE, the switching frequency dt fsw of the semiconductor switches S11, S12... S41, S42 could also be increased without influencing the rate of change of the current, since the switching losses are proportional to the input voltage UE and inversely proportional to the switching frequency fsw.
[0030] Mit diesen Überlegungen könnte die Stromänderungsrate — bei kleiner Ausgangs- dtWith these considerations, the rate of change of current could - at low output dt
Spannung UA um beispielsweise einen Faktor Acht erhöht werden, wenn die Induktivität L1...L4 um einen Faktor Acht verkleinert wird. Wird dabei gleichzeitig auch die Eingangsspannung UE um einen Faktor Vier verkleinert und die Schaltfrequenz fsw um einen Faktor zwei erhöht, würde sich dabei die Welligkeit ÄUA der Ausgangsspannung UA auf ungefähr die Hälfte reduzieren und die Welligkeit ÄiL des Induktivitätsstroms iL ungefähr gleich bleiben.Voltage UA can be increased by, for example, a factor of eight, if the inductance L1 ... L4 is reduced by a factor of eight. If, at the same time, the input voltage UE is reduced by a factor of four and the switching frequency fsw is increased by a factor of two, the ripple ΔUA of the output voltage UA would reduce to about half and the ripple ΔiL of the inductance current iL would remain approximately the same.
[0031] U m die Induktivität L1...L4 bei kleiner Ausgangsspannung UA zu verkleinern ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Induktivität L1...L4 aus zumindest zwei separaten, Teilinduktivitäten L11, L12...L41, L42 bestehen, wobei zumindest eine der Teilinduktivitäten L11, L12...L41, L42 jeder Induktivität L1...L4, vorzugsweise mit einem Schalter K1 ... K4, kurzschließbar ist, wie anhand von Fig.3 für die Induktivität L1 und seriell verschalteter Teilinduktivitäten L11, L12...L41, L42 näher veranschaulicht wird. Dieser Schalter K1 ... K4 kann beispielsweise als elektromechanischer Schalter oder als elektrischer oder elektronischer Schalter K1 ... K4 ausgeführt sei. Um eine entsprechende Funktionalität des Schalters K1 ... K4 zu erreichen, ist der Schalter K1 ... K4 vorteilhafterweise bidirektional schaltbar ausgeführt, d.h., dass der Schalter K1 ... K4 abwechselnd geöffnet und geschlossen werden kann.U m to reduce the inductance L1 ... L4 at low output voltage UA is now provided according to the invention that the inductance L1 ... L4 consist of at least two separate, Teilinduktivitäten L11, L12 ... L41, L42, wherein at least one of the partial inductances L11, L12 ... L41, L42 of each inductance L1 ... L4, preferably with a switch K1 ... K4, can be short-circuited, as with reference to FIG. 3 for the inductance L1 and series-connected partial inductances L11, L12 ... L41, L42 is illustrated in more detail. This switch K1 ... K4 can be designed, for example, as an electromechanical switch or as an electrical or electronic switch K1 ... K4. In order to achieve a corresponding functionality of the switch K1... K4, the switch K1... K4 is advantageously designed bidirectionally switchable, that is to say that the switch K1... K4 can be alternately opened and closed.
[0032] Die Induktivität L1 besteht hier aus zwei Teilinduktivitäten L11, L12, die als induktiv gekoppelte Wicklungen mit einem Kopplungsfaktor k ausgeführt sind. Dazu sind die, die Induktivitäten L11, L12 ausbildenden Wicklungen z.B. auf einen gemeinsamen Eisenkern 5 gewickelt, wobei jede Wicklung jeweils auf einem Schenkel des Kerns angeordnet ist und der Kern die induktive Kopplung bewirkt. Natürlich sind auch andere Ausführungen einer gekoppelten Induktivität bekannt, beispielsweise mit einem Kern mit drei Schenkeln, wobei einzelne Schenkel zur Einstellung der Kopplung auch einen Luftspalt aufweisen können. Aufgrund der induktiven Kopplung wirkt jede Teilinduktivität L11, L12 über die Gegeninduktivität M=k*L auf die jeweils andere Teilinduktivität L11, L12. Die zweite Teilinduktivität L12 ist hier über einen parallelen Schalter K1 überbrückbar, wodurch die zweite Teilinduktivität L12 bei geschlossenem Schalter K1 kurzgeschlossen wird. Daraus ergeben sich unter der Annahme gleicher Teilinduktivitäten L11=L12=Lx die folgenden Zusammenhänge: BEI OFFENEM SCHALTER K1: [0033] U1 = -U2 = U, i1 =-i2 [0034] U = L diL1/dt = 2(Lx-M) diLi/dt => L1Ki0ffen = 2Lx (1 - k) BEI GESCHLOSSENEM SCHALTER K1: [0035] U2 = 0 [0036] U = L diu/dt = (Lx2-M2)/Lx diLi/dt => L1Kigeschlossen = Lx (1 - k2) [0037] Daraus ergibt sich das Verhältnis V der Induktivität L1 bei offenen und geschlossenenThe inductance L1 here consists of two Teilinduktivitäten L11, L12, which are designed as inductively coupled windings with a coupling factor k. For this purpose, the windings forming inductors L11, L12 are e.g. wound on a common iron core 5, wherein each winding is disposed respectively on a leg of the core and the core causes the inductive coupling. Of course, other embodiments of a coupled inductance are known, for example with a core with three legs, wherein individual legs can also have an air gap for adjusting the coupling. Due to the inductive coupling, each partial inductance L11, L12 acts via the mutual inductance M = k * L on the respective other partial inductance L11, L12. The second partial inductance L12 can be bridged here via a parallel switch K1, as a result of which the second partial inductance L12 is short-circuited when the switch K1 is closed. From this, assuming identical partial inductances L11 = L12 = Lx, the following relationships result: For an open switch K1: U1 = -U2 = U, i1 = -i2 [0034] U = L diL1 / dt = 2 (Lx-) M) diLi / dt => L1Ki0ffen = 2Lx (1 - k) CLOSED SWITCH K1: U2 = 0 U = L diu / dt = (Lx2-M2) / Lx diLi / dt => L1Kig closed = Lx (1-k2) This results in the ratio V of the inductance L1 at open and closed
Schalter K1 zuSwitch K1 to
. Dieser Zusammenhang ist in Fig.4 dargestellt. Handelsübliche gekoppelte Induktivitäten sind mit einem Kopplungsfaktor k im Bereich von -0.7 bis -0.9 erhältlich. Mit einer solchen handelsüblichen gekoppelten Induktivität könnte man folglich gemäß dem Verhältnis V (Fig.4) die Induktivität L1 um einen Faktor im Bereich von sechs bis elf reduzieren. Für eine erwünschte Reduzierung der Induktivität L1 um einen Faktor Acht müsste der Kopplungsfaktor k bei gleich großen Teilinduktivitäten L11, L12 ungefähr im Bereich von -0,75 liegen., This relationship is shown in FIG. Commercially available coupled inductors are available with a coupling factor k in the range of -0.7 to -0.9. Consequently, according to the ratio V (FIG. 4), inductance L1 could be reduced by a factor in the range of six to eleven with such a commercially coupled coupled inductance. For a desired reduction of the inductance L1 by a factor of eight, the coupling factor k for approximately equal partial inductances L11, L12 should be approximately in the range of -0.75.
[0038] Anstelle von induktiv gekoppelten Teilinduktivitäten L11, L12 können natürlich auch nicht induktiv gekoppelte Teilinduktivitäten L11, L12 verwendet werden, wobei wiederum zumindest eine der Teilinduktivitäten L11, L12 der Induktivität L1, vorzugsweise mittels Schalter K1, kurzschließbar ist. Auch hier kann am Beispiel seriell verschalteter Teilinduktivitäten L11, L12 einfach das Verhältnis V für die Induktivität L1 bei offenen und geschlossenen Schalter K1 (bzw. bei kurzgeschlossener und nicht kurzgeschlossener Teilinduktivitäten L12) zu V=(1+L12/L11) abgeleitet werden. Auch daraus könnten nun einfach die Teilinduktivitäten L11, L12 dimensioniert werden, um durch Kurzschließen einer Teilinduktivität L11, L12 eine erwünschte Reduzierung einer Induktivität L1 zu erzielen.Of course, inductively coupled Teilinduktivitäten L11, L12 can not be used instead of inductively coupled Teilinduktivitäten L11, L12, again at least one of the Teilinduktivitäten L11, L12 of the inductor L1, preferably by means of switch K1, short-circuited. Here, too, the ratio V for the inductance L1 can be derived in the case of open and closed switches K1 (or in the case of short-circuited and non-short-circuited partial inductances L12) to V = (1 + L12 / L11) using the example of series-connected partial inductances L11, L12. From this, too, the partial inductances L11, L12 could simply be dimensioned in order to achieve a desired reduction of an inductance L1 by short-circuiting a partial inductance L11, L12.
[0039] Anstelle einer seriellen Verschaltung der Teilinduktivitäten L11, L12, wie anhand der Fig.3 erläutert, ist es aber natürlich auch denkbar, die Teilinduktivitäten L11, L12 parallel zu schalten. Auch für eine parallele Verschaltung der Teilinduktivitäten L11, L12 kann in gleicher Weise ein Verhältnis V für die Induktivität L1 bei kurzgeschlossener und nicht kurzgeschlossener Teilinduktivitäten L12 ermittelt werden. Gleichfalls könnte vorgesehen sein, die Verschaltung der Teilinduktivitäten L11, L12 zwischen einer seriellen und parallelen Verschaltung um-schaltbar auszuführen.Instead of a series connection of the partial inductances L11, L12, as explained with reference to FIG. 3, it is of course also conceivable to connect the partial inductances L11, L12 in parallel. For a parallel connection of the partial inductances L11, L12, a ratio V for the inductance L1 for short-circuited and non-short-circuited partial inductances L12 can likewise be determined. Likewise, it could be provided that the interconnection of the partial inductances L11, L12 between a serial and a parallel interconnection can be performed in a switchable manner.
[0040] Dasselbe gilt natürlich analog auch für die Induktivitäten L2, L3, L4 der anderen Phasen P2, P3, P4 des DC/DC-Wandlers 1, die ebenfalls aus seriell oder parallel geschalteten oder zwischen seriell und parallel umschaltbar ausgeführten Teilinduktivitäten L21, L22, L31, L32, L41, L42, mit oder ohne induktiver Kopplung, gebildet werden.The same naturally also applies analogously to the inductances L2, L3, L4 of the other phases P2, P3, P4 of the DC / DC converter 1, which likewise comprise partial inductors L21, L22 connected in series or in parallel or connected in series and in parallel , L31, L32, L41, L42, with or without inductive coupling.
[0041] Werden mehrere Teilinduktivitäten L11,L12...L41,L42 je Induktivität L1...L4 vorgesehen, wobei mehrere der Teilinduktivitäten L11,L12...L41,L42, vorzugsweise durch Schalter K1...K4, kurzschließbar sind, so können die Induktivitäten L1...L4 natürlich noch weiter abgestuft werden.If several partial inductances L11, L12... L41, L42 are provided per inductance L1... L4, wherein a plurality of the partial inductances L11, L12... L41, L42 are preferably short-circuitable by switches K1. so the inductors L1 ... L4 can of course be further graduated.
[0042] U m den DC/DC-Wandler 1 auf eine kleinere Ausgangspannung UA umzustellen, kann das im Betrieb des DC/DC-Wandlers 1 erfolgen, oder auch außerhalb des Betriebes des DC/DC- Wandlers 1. Hierzu werden die Schalter K1...K4 von der Steuereinheit 2 je nach Bedarf angesteuert, wobei natürlich bei einem mehrphasigen DC/DC-Wandler 1 die Induktivitäten L1 ...L4 aller Phasen P1 ...P4 gemeinsam umgestellt werden.To change over the DC / DC converter 1 to a smaller output voltage UA, this can be done during operation of the DC / DC converter 1, or outside the operation of the DC / DC converter 1. For this purpose, the switch K1 ... K4 of the control unit 2 is controlled as needed, of course, in a multi-phase DC / DC converter 1, the inductors L1 ... L4 all phases P1 ... P4 are changed together.
[0043] In Fig.5 ist der geänderte Betriebsbereich des DC/DC-Wandlers 1 bei kurzgeschlossener Teilinduktivität L12, L22, L32, L42 dargestellt, woraus unmittelbar die erreichbare größere Stro- mänderungsrateFIG. 5 shows the changed operating range of the DC / DC converter 1 when the partial inductance L12, L22, L32, L42 is short-circuited, from which immediately the achievable larger current change rate
ersichtlich ist.is apparent.
[0044] Ist dabei noch eine gleichzeitige Reduzierung der Eingangsspannung UE und/oder eine Erhöhung der Schaltfrequenz fsw vorgesehen, so kann es auch erforderlich sein in einem übergeordneten Regler 6 zur Regelung der Ausgangsspannung UA Anpassungen vorzunehmen, vor allem um die geänderte Dynamik der Stromänderungsrate — zu berücksichtigen, z.B. durch dtIf a simultaneous reduction of the input voltage UE and / or an increase in the switching frequency fsw is also provided, then it may also be necessary to make adjustments in a higher-level regulator 6 for regulating the output voltage UA, above all by changing the dynamics of the current change rate. to take into account, eg through dt
Anpassen der Parameter des implementierten Regelgesetzes. Dem Regler 6 können dazu in bekannter Weise ein Sollwert UAsoii der Ausgangsspannung UA und ein Istwert UAist der Ausgangsspannung UA, z.B. erhalten durch Messen der Ausgangsspannung UA, zugeführt sein. Der Sollwert UAsoii der Ausgangsspannung UA kann z.B. von einer übergeordneten Steuereinheit, z.B. ein Batteriemanagementsystem, vorgegeben werden. Der Regler 6 berechnet daraus anhand des implementieren Regelgesetzes eine Stellgröße R für die Steuereinheit 2, die diese Stellgröße R in eine geeignete Ansteuerung der Halbleiterschaltern S11, S12...S41, S42 und der Schalter K1...K4 umsetzt, wie in Fig.2 angedeutet. Der Regler 6 könnte aber die Schalter K1...K4 natürlich genauso direkt ansteuern.Adapt the parameters of the implemented rule law. For this purpose, the regulator 6 can receive in a known manner a desired value UAsoii of the output voltage UA and an actual value UAist of the output voltage UA, e.g. obtained by measuring the output voltage UA, be supplied. The target value UAsoii of the output voltage UA may be e.g. from a higher-level control unit, e.g. a battery management system, be specified. The controller 6 calculates therefrom on the basis of the implemented control law a manipulated variable R for the control unit 2, which converts this manipulated variable R in a suitable control of the semiconductor switches S11, S12 ... S41, S42 and the switch K1 ... K4, as shown in FIG. 2 indicated. The controller 6 could, of course, the switches K1 ... K4 directly control as well.
[0045] Beispielsweise kann der Regler 6 oder die Steuereinheit 2, eine Schaltschwelle UAgrenz überwachen und bei Unterschreiten dieser Schaltschwelle UAgrenz durch die Ausgangsspannung UA die Induktivitäten L1...L4 des DC/DC-Wandlers 1 wie oben erläutert reduzieren, die Stromänderungsrate des Induktivitätsstromes iL an die kleine Ausgangsspannung UA anzupassen.For example, the controller 6 or the control unit 2, monitor a switching threshold UAgrenz and reduce falls below this threshold UAgrenz by the output voltage UA, the inductors L1 ... L4 of the DC / DC converter 1 as explained above, the rate of change of the inductor current iL to adapt to the small output voltage UA.
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