In Bearbeitung

Bitte warten ...

Einstellungen

Einstellungen

Gehe zu Anmeldung

1. WO2020109325 - ISOLIERTER DC/DC DUAL-ACTIVE-BRIDGE WANDLER MIT DC SPERRKONDENSATOREN

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

ISOLIERTER DC/DC DUAL-ACTIVE-BRIDGE WANDLER MIT DC SPERRKONDENSATOREN

Die Erfindung betrifft einen galvanisch trennenden DC/DC-Wandler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen galvanisch trennenden DC/DC-Wandler zur Verfügung zu stellen, der eine hohe Effizienz aufweist.

Der Erfindung löst diese Aufgabe durch einen galvanisch trennenden DC/DC-Wandler nach Anspruch 1.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist eine erste H-Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen auf. Hinsichtlich des grundlegenden Aufbaus und der grundlegenden Funktionen von H-Brückenschaltungen sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist weiter eine zweite H-Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen auf.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist weiter einen, insbesondere galvanisch trennenden, Transformator mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einem ferromagnetischen Kern auf.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist weiter einen ersten Gleichstrom/Gleichspannungs(DC)-Entkopplungskondensator und einen zweiten DC-Entkopplungskondensator auf.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist weiter eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, die bzw. der dazu ausgebildet ist, Schaltmittel der ersten H-Brückenschaltung und Schaltmittel der zweiten H-Brückenschaltung anzusteuern. Ein jeweiliger Brückenzweig kann beispielsweise zwei in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltmittel aufweisen, beispielsweise in Form insulated-gate bipolar Transistoren, kurz IGBT.

Der erste DC-Entkopplungskondensator und die erste Wicklung sind in Reihe zwischen einen Mittenabgriff des ersten Brückenzweigs der ersten H-Brückenschaltung und einen Mittenabgriff des zweiten Brückenzweigs der ersten H-Brückenschaltung eingeschleift. Entsprechend sind der zweite DC-Entkopplungskondensator und die zweite Wicklung in Reihe zwischen einen Mittenabgriff des ersten Brückenzweigs der zweiten H-Brückenschaltung und einen Mittenabgriff des zweiten Brückenzweigs der zweiten H-Brückenschaltung eingeschleift. Für den Fall, dass ein jeweiliger Brückenzweig zwei in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltmittel aufweist, ist der Mittenabgriff der elektrische Verbindungspunkt der beiden Halbleiter-Schaltmittel.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Steuereinheit einen oder mehrere Stromsensoren auf, der bzw. die dazu ausgebildet ist/sind, mittelbar und/oder unmittelbar einen Strom in die erste Wicklung und/oder einen Strom in die zweite Wicklung zu messen. Die Steuereinheit ist für diesen Fall dazu ausgebildet, eine magnetische Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns basierend auf einem Verlauf des oder der gemessenen Ströme zu ermitteln, wobei oberhalb der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns eine magnetische Sättigung des ferromagnetischen Kerns auftritt. Die Sättigungsschwelle repräsentiert beispielsweise einen materialspezifischen Höchstwert der Magnetisierung M, der auch durch Erhöhen der äußeren magnetischen Feldstärke H nicht überschritten werden kann. Eine Schaltfrequenz der Schaltmittel der ersten H-Brückenschaltung und die Schaltfrequenz der Schaltmittel der zweiten H-Brückenschaltung werden basierend auf der ermittelten Sättigungsschwelle eingestellt. Typisch ist die Schaltfrequenz für alle Schaltmittel identisch. Wenn beispielsweise basierend auf der Strommessung eine magnetische Sättigung des ferromagnetischen Kerns ermittelt wird, dann wird die Schaltfrequenz der Schaltmittel so lange erhöht, bis gerade keine magnetische Sättigung mehr vorliegt.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Schaltfrequenz der Schaltmittel der ersten H-Brückenschaltung und der Schaltmittel der zweiten H-Brückenschaltung derart einzustellen, dass der ferromagnetische Kern um ein vorgebbares Maß unterhalb seiner Sättigungsschwelle bleibt.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Steuereinheit eine oder mehrere Spitzenstromerkennungseinheiten auf, die dazu ausgebildet ist/sind, zu erfassen, ob der in die erste Wicklung und/oder in die zweite Wicklung fließende Strom eine vorgebbare Stromschwelle überschreitet, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein Überschreiten der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns zu ermitteln, falls der in die erste Wicklung und/oder in die zweite Wicklung fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet. Sobald eine magnetische Sättigung eintritt, nimmt nämlich der Spitzenstrom stark zu, so dass der Spitzenstrom als Kriterium zur magnetischen Sättigungsdetektion verwendet werden kann. Der Wert des Spitzenstroms, ab dem die magnetische Sättigung detektiert wird, d.h. die Stromschwelle, kann basierend auf den verwendeten Komponenten, Kernmaterialien, einer Temperatur, etc. festgelegt, berechnet, und/oder empirisch ermittelt werden.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Spitzenstromerkennungseinheit einen oder mehrere Komparatoren mit einer vorgebbaren Komparator-Schwelle auf, der/die dazu ausgebildet ist/sind, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung und/oder in die zweite Wicklung fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet. Die Komparator-Schwelle, die mit der Stromschwelle korrespondiert, kann basierend auf den verwendeten Komponenten, Kernmaterialien, einer Temperatur, etc. festgelegt, berechnet, und/oder empirisch ermittelt werden.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Spitzenstromerkennungseinheit ein oder mehrere Hochpassfilter auf, das/die dazu ausgebildet ist/sind, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung und/oder in die zweite Wicklung fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet.

Gemäß einer Ausführungsform weisen der erste DC-Entkopplungskondensator und der zweite DC-Entkopplungskondensator jeweils eine Kapazität in einem Bereich zwischen 50 pF und 200 pF auf.

Gemäß einer Ausführungsform ist der galvanisch trennende DC/DC-Wandler zum bidirektionalen Betrieb ausgebildet, d.h. es handelt sich um einen galvanisch trennenden, bidirektionalen DC/DC-Wandler.

Erfindungsgemäß werden zur Vermeidung einer DC-Magnetisierung primärseitig und sekundärseitig in Serie zu den Wicklungen des Transformators Kondensatoren geschaltet. Dabei sind im Gegensatz zu einer LLC-Topologie, bei der ebenfalls Kondensatoren in Serie geschaltet sein können, die Kondensatoren nicht dazu vorgesehen bzw. dimensioniert, einen Resonanzkreis zu bilden, um die Schaltverluste zu reduzieren, sondern dienen ausschließlich dazu, die DC-Magnetisierung zu verhindern. Daher ist die Resonanzfrequenz nicht auf die Schaltfrequenz ausgelegt, sondern liegt deutlich unterhalb dieser (f_Res «< f_sw). Typischerweise liegen dadurch die Kapazitätswerte bei einer Dual Active Bridge mit 22 kW Leistung im Bereich von 50...200 pF.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie (hartes Schalten beim Ausschalten der Schaltmittel bzw. IGBTs) können hohe Schaltverluste entstehen, die linear mit der Frequenz ansteigen. Idealerweise sollte deshalb die Schaltfrequenz so niedrig wie möglich gewählt werden, beispielsweise 20 kHz betragen. Da jedoch in vielen Anwendungen ein hoher Spannungsbereich des DC-DC Wandlers erreicht werden soll, wird die Schaltfrequenz entsprechend höher gewählt, um das Überschreiten der Spannungszeitfläche in bestimmten Betriebspunkten (z.B. hohe Eingangsspannung) zu verhindern. Weiter weisen die üblichen Kernmaterialien, wie z.B. Ferrite, eine hohe Toleranz auf (Temperaturabhängigkeit, Bauteilstreuung...). Dadurch muss die

Schaltfrequenz noch weiter erhöht werden, um in keinem Betriebszustand in die magnetische Sättigung zu gelangen.

Erfindungsgemäß kann daher die Schaltfrequenz der Schaltmittel anhand der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns des Transformators eingestellt werden. Dazu kann beispielsweise die Schaltfrequenz so lange reduziert werden, bis mittels der Spitzenstromerkennung eine magnetische Sättigung erkannt wird. Sobald eine magnetische Sättigung eintritt, nimmt nämlich der Spitzenstrom stark zu, so dass der Spitzenstrom als Kriterium zur magnetischen Sättigungsdetektion verwendet werden kann. Sobald die magnetische Sättigung erkannt worden ist, wird die Schaltfrequenz wieder leicht erhöht, beispielsweise um + 10 %. Diese Prozedur kann wiederholt durch geführt werden, insbesondere sobald sich Umgebungsbedingungen ändern, wie beispielsweise Spannungen, Ströme, Temperatur, usw.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen, galvanisch trennenden, bidirektionalen DC/DC- Wandler und

Fig. 2 Ströme und Spannungen des in Fig. 1 gezeigten DC/DC-Wandlers.

Fig. 1 zeigt einen galvanisch trennenden, bidirektionalen DC/DC-Wandler 100, aufweisend eine erste H-Brückenschaltung 2 mit zwei Brückenzweigen 3, 4, eine zweite H-Brückenschaltung 5 mit zwei Brückenzweigen 6, 7, einen Transformator 8 mit einer ersten Wicklung 9, einer zweiten Wicklung 10 und einem ferromagnetischen Kern 1 1 , einen ersten DC-Entkopplungskondensator 12, einen zweiten DC-Entkopplungskondensator 13, und eine Steuereinheit 14, die dazu ausgebildet ist, Halbleiter-Schaltmittel S1 , S2, S3, S4 der ersten H-Brückenschaltung 2 und Halbleiter-Schaltmittel S‘1 , S‘2, S‘3, S‘4 der zweiten H-Brückenschaltung 5 anzusteuern.

Der erste Brückenzweig 3 der ersten H-Brückenschaltung 2 weist die beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltmittel S1 und S2 auf. Der zweite Brückenzweig 4 der ersten H-Brückenschaltung 2 weist die beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltmittel S3 und S4 auf.

Der erste Brückenzweig 6 der zweiten H-Brückenschaltung 5 weist die beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltmittel S‘1 und S‘2 auf. Der zweite Brückenzweig 7 der zweiten H-Brückenschaltung 5 weist die beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltmittel S‘3 und S‘4 auf.

Die Halbleiter-Schaltmittel S1 bis S4 bzw. S‘1 bis S‘4 können beispielsweise IGBTs sein.

Insoweit entspricht die dargestellte Topologie der bereits bekannten Dual Active Bridge Topologie. Daher sei insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.

Erfindungsgemäß sind der erste DC-Entkopplungskondensator 12 und die erste Wicklung 9 in Reihe zwischen Mitten abgriffe 15, 16 der beiden Brückenzweige 3, 4 der ersten H-Brückenschaltung 2 eingeschleift, und der zweite DC-Entkopplungskondensator 13 und die zweite Wicklung 10 sind entsprechend in Reihe zwischen Mittenabgriffe 17, 18 der beiden Brückenzweige 6, 7 der zweiten H-Brückenschaltung 5 eingeschleift.

Die Steuereinheit 14 weist einen Stromsensor gebildet aus zwei Teilsensoren 19a, 19b auf, der dazu ausgebildet ist, einen Strom 11 b in die erste Wicklung 9 und einen Strom I2b in die zweite Wicklung 10 zu messen. Zusätzlich können die Teilsensoren 19a, 19b auch Ströme 11a bzw. I2a messen.

Die Steuereinheit 14 weist weiter eine Spitzenstromerkennungseinheit gebildet aus zwei Spitzenstromerkennungsteileinheiten 20a, 20b auf, die dazu ausgebildet ist, zu erfassen, ob der in die erste Wicklung 9 und der in die zweite Wicklung 10 fließende Strom eine vorgebbare Stromschwelle überschreitet.

Die Steuereinheit 14 ist dazu ausgebildet, ein Überschreiten der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns 11 festzustellen, falls der in die erste Wicklung 9 und/oder der in die zweite Wicklung 10 fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet und eine Schaltfrequenz der Halbleiter-Schaltmittel S1 bis S4 und S‘1 bis S‘4 derart einzustellen, dass der ferromagnetische Kern 11 um ein vorgebbares Maß unterhalb seiner Sättigungsschwelle bleibt.

Die Spitzenstromerkennungsteileinheiten 20a, 20b können jeweils einen Komparator 21 mit einer vorgebbaren Komparator-Schwelle aufweisen, der dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung 9 und/oder der in die zweite Wicklung 10 fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet. Die Komparator-Schwelle, die mit der vorgebbaren Stromschwelle korrespondiert, kann beispielsweise für eine bestimmte Nenn-Leistung bei exemplarisch 100 A liegen.

Alternativ oder zusätzlich können die Spitzenstromerkennungsteileinheiten 20a, 20b jeweils ein Hochpassfilter 22 aufweisen, das dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung 9 und/oder der in die zweite Wicklung 10 fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet.

Die Steuereinheit 14 weist weiter eine Frequenz- und Phasenverschiebungssteuereinheit 23 auf, die dazu ausgebildet ist, basierend auf den gemessenen Signalen so genannte Gate-Treiber 24a und 24 b anzusteuern, die wiederum die Schaltmittel S1 bis S4 bzw. S‘1 bis S‘4 ansteuern.

Fig. 2 zeigt Ströme 11 a und 11 b und Spannungen UAB und UA’B‘ des in Fig. 1 gezeigten DC/DC-Wandlers 100, links oben für eine optimale Magnetisierung des Kerns 1 1 , rechts oben für eine DC-Magnetisierung des Kerns 1 1 und links unten für eine magnetische Sättigung des Kerns 1 1 . Wie aus Fig. 2 ersichtlich, steigt ein Peak-Strom für den Fall der magnetischen Sättigung stark an, so dass der entsprechende Peak-Wert zur Detektion der magnetischen Sättigung verwendet werden kann.

Dank der beiden Serienkondensatoren 12 und 13 ist der Stromverlauf und auch der Magnetisierungsfluss symmetrisch. Es würde somit ausreichen, beispielsweise nur den positiven Sättigungspuls zu erkennen. Wird aber der Strom im DC-Pfad gemessen, nämlich 11 a, I2a, so reicht pro Seite eine Spitzenstromerkennungsteileinheit 20a und 20b aus, um beide Polaritäten zu erkennen (negative Kurve wird hochgeklappt).

Die Energieflussrichtung (links nach rechts oder rechts nach links) hat keinen Einfluss auf die Sensorik.

Es können alle Ströme 11 a/l 1 b und I2a/I2b gleichzeitig überwacht werden. Der Strompeak tritt dann am jeweils einspeisenden Ort auf.

Erfindungsgemäß wird die Schaltfrequenz bei einer gemessenen Flusssättigung im Transformatorkern 1 1 erhöht. Dadurch kann der Transformator kleiner ausgelegt werden, es können Kosteneinsparungen beim Transformator und den Leistungshalbleitern S erzielt werden, eine Gerätefunktion wird auch bei extremer Alterung/Toleranz der Komponenten nicht beeinflusst und aufgrund verringerter Schaltverluste ist eine Effizienzsteigerung erzielbar. Weiter handelt es sich um eine störunempfindliche und einfach skalierbare Lösung.

Die H-Brückenschaltung 2 und/oder die H-Brückenschaltung 5 kann/können auch als Spannungsregler fungieren, falls der DC/DC-Wandler 100 anders als oben beschrieben nicht als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet ist.