AT515242A1 - Verfahren zum Steuern eines Vollbrücken DC/DC-Wandlers - Google Patents

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AT515242A1
AT515242A1 ATA50845/2013A AT508452013A AT515242A1 AT 515242 A1 AT515242 A1 AT 515242A1 AT 508452013 A AT508452013 A AT 508452013A AT 515242 A1 AT515242 A1 AT 515242A1
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Abstract

Um bei einem Vollbrücken DC/DC-Wandler (1) mit Phasenlagensteuerung Schalten bei Nullspannung (ZVS) zu ermöglichen, ohne dafür eine zusätzliche Induktivität vorsehen zu müssen, ist vorgesehen, dass vor dem Umschalten in eine passive Phase der Vollbrücke (2) im sekundärseitigen Ausgangsgleichrichter (5) ein Kurzschluss erzeugt wird, der durch den entstehenden Kurzschlussstrom (ik) über die Sekundärseite des Transformators (T) eine Er- höhung des Primärstromes (ip) über die Primärseite des Transformators (T) bewirkt.

Description

Verfahren zum Steuern eines Vollbrücken DC/DC-Wandlers
Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Vollbrücken DC/DC-Wandlers mit einer primärseitigen Vollbrücke und einem sekundärseitigen Ausgangsgleich¬richter, die durch einen Transformator miteinander verbunden sind, wobei die Vollbrücke mitden jeweils in den beiden Brückenzweigen angeordneten zwei in Serie geschalteten Schal¬tern zeitlich hintereinander folgend und wiederholend durch eine positive aktive Phase, einepositive passive Phase, eine negative aktive Phase und eine negative passive Phase durch¬geschalten wird, wobei sich aktive und passive Phasen abwechseln.
Vollbrücken DC/DC-Wandler (sogenannte full-bridge converter) bestehen primärseitig auseiner Vollbrücke mit zwei Brückenzweigen mit jeweils zwei Halbleiterschaltern (in der Regelals FET, MOSFET oder IGBT ausgeführt). Zwischen den Halbleiterschaltern jedes Brücken¬zweiges ist die Primärseite eines Transformators angeschlossen. Die Sekundärseite desTransformators ist mit einem sekundärseitigen Gleichrichter in beliebiger Ausführung, z.B.als Synchrongleichrichter mit Mittelpunkt-Schaltung und aktiven Schaltern oder als Mittel¬punktgleichrichter mit Dioden, verbunden. An den sekundärseitigen Gleichrichter ist eineLast angeschlossen. Solche Vollbrücken DC/DC-Wandler sind hinlänglich bekannt. Bei ei¬nem Vollbrücken DC/DC-Wandler mit Phasenlagensteuerung (sogenannte full-bridge phaseshift converter) wird die Ausgangsspannung gesteuert, indem die Phasenlage der rechteck¬förmigen Spannungen der beiden Brückenzweige der primärseitigen Vollbrücke zueinandergeregelt wird. Die Einschaltdauer der beiden Brückenzweige ist dabei bevorzugt 50%, ver¬ringert um eine konstante oder variable Totzeit. Um den Schaltverlust der Halbleiterschalterzu reduzieren, kann auch Schalten bei Nullspannung (sogenanntes zero voltage switching,ZVS) vorgesehen sein. Die Funktionsweise von ZVS ist dabei hinlänglich bekannt, weshalbhier nicht näher darauf eingegangen wird. Dazu werden an den einzelnen Halbleiterschalternder Vollbrücke parallel jeweils ein Kondensator und eine Diode geschaltet. Ein FET Halb¬leiterschalter einer Vollbrücke hat bekannterWeise eine parallele intrinsische Body-Diodeund eine parasitäre Ausgangskapazität, die auch für Schalten bei Nullspannung genutztwerden können. Ein solcher Vollbrücken DC/DC-Wandler mit Phasenlagensteuerung undZVS geht z.B. aus der US 2013/0223103 A1 hervor.
Bei niedriger Last und daraus resultierendem geringen Primärstrom iP ist in herkömmlichenVollbrücken DC/DC-Wandler mit Phasenlagensteuerung und ZVS das Schalten beiNullspannung bekanntermaßen nicht oder nur eingeschränkt möglich. Dies rührt davon, dassbei niedriger Last nicht genügend Energie (durch Primärstrom iP gemäß E=1/2-L-iP2 in Induk¬tivität L gespeichert) vorhanden ist, um die Schalterkapazitäten vollständig zu laden und zuentladen, was für ZVS notwendig ist. Um dieses Problem zu beheben, werden im Stand der
Technik verschiedenste Maßnahmen vorgeschlagen. Einige basieren darauf, in irgendeinerArt und Weise eine zusätzliche Induktivität als Energiespeicher einzubringen, um die daringespeicherte zusätzliche Energie bei niedriger Last zum Schalten bei Nullspannung zu ver¬wenden. Beispiele dafür sind die bereits oben erwähnte US 2013/0223103 A1 oder die US5,563,775 A. Die zusätzliche Induktivität benötigt aber in der Regel zusätzlichen Bauraum,verursacht zusätzlichen Kosten und ist daher nachteilig.
Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, einen Vollbrücken DC/DC-Wandler mit Phasenlagensteuerung und ZVS anzugeben, der für die Halbleiterschalter derVollbrücke ohne zusätzliche Induktivität das Schalten bei Nullspannung (ZVS) auch bei nied¬rigen Lasten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass vor dem Umschalten in einepassive Phase im sekundärseitigen Ausgangsgleichrichterein Kurzschluss erzeugt wird, derdurch den entstehenden Kurzschlussstrom über die Sekundärseite des Transformators eineErhöhung des Primärstromes über die Primärseite des Transformators bewirkt. Dieser Kurz¬schlussstrom erzwingt auf der Primärseite des Transformators eine Erhöhung des Primär¬stromes, was wiederum eine Erhöhung der Ströme durch die Kapazitäten der Schalter be¬wirkt. Der zusätzliche Strom ist ausreichend, um die Kapazitäten der Schalter vollständig zuladen und zu entladen und daher um ZVS zu realisieren. Die Erhöhung des Primärstromesbeeinflusst dabei die Last L des Vollbrücken DC/DC-Wandlers nicht.
Um schädliche Spannungsspitzen an den Schaltern des Ausgangsgleichrichters zu verhin¬dern, wird der Kurzschluss im Ausgangsgleichrichter vorteilhafterweise vor dem Umschaltenin die folgende aktive Phase aufgehoben.
Vorzugsweise wird der Kurzschluss während der passiven Phase aufrechterhalten, um durchden erhöhten Primärstrom für die folgende Schalthandlung in der Vollbrücke ausreichendEnergie in der Streuinduktivität des Transformators zu speichern, sodass dafür Schalten beiNullspannung sichergestellt ist.
Um eine zu große Erhöhung des Primärstromes zu verhindern, wird der Kurzschluss vor¬zugsweise nach dem Beenden der vorangehenden aktiven Phase erzeugt.
Im Falle negativer Ausgangströme kann für einen Übergang in einen Sperrmodus des Voll¬brücken DC/DC-Wandlers die Einschaltzeitdauer der Schalter des ersten Brückenzweigesoder des zweiten Brückenzweiges reduziert werden. Damit kann auf einfache Weise dieGröße der negativen Ausgangsströme auf ein akzeptables und sicheres Maß begrenzt wer¬den.
Vorzugsweise wird im Sperrmodus der Kurzschluss im sekundärseitigen Ausgangsgleich¬richter während einer passiven Phase erzeugt, um sicher zu stellen, dass die aktive Phasedurch das Schalten im Ausgangsgleichrichter nicht unterbrochen wird, was nachteilig für denSperrmodus wäre. Für einen Übergang vom Sperrmodus in einen Normalbetrieb des Vollbrücken DC/DC-Wandlers wird vorteilhafterweise die Einschaltzeitdauer der Schalter des ersten Brücken¬zweiges oder des zweiten Brückenzweiges erhöht. Damit kann einfach von Sperrmodus aufVolllast des Vollbrücken DC/DC-Wandlers umgeschaltet werden. Für Teillast wird für einen Übergang vom Sperrmodus in den Normalbetrieb des VollbrückenDC/DC-Wandlers die Einschaltzeitpunkte der Schalter des ersten Brückenzweiges oder deszweiten Brückenzweiges vorteilhafterweise zeitlich früher gesetzt. Das verkürzt die aktivenSchaltphasen des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 verkürzen, was die Steuereinheit desVollbrücken DC/DC-Wandlers dazu zwingt, die Phasenlage zu korrigieren, um die angestreb¬te Ausgangsspannung zu erreichen. Das kann wiederholt werden, bis die angestrebte Ein¬schaltdauer in der Vollbrücke des Vollbrücken DC/DC-Wandlers von 50% erreicht ist.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis ...näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestal¬tungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Vollbrücken DC/DC-Wandler,
Fig.2 eine typische Charakteristik des Ausgangsstromes und des Primärstromes einesVollbrücken DC/DC-Wandlers in Abhängigkeit von der Phasenlage,
Fig.3 bis 9 Schaltphasen des Vollbrücken DC/DC-Wandlers in Normalbetrieb bei einererfindungsgemäßen Steuerung,
Fig.10 die Schaltpunkte der Schalter des Ausgangsgleichrichters bei einer erfindungs¬gemäßen Steuerung,
Fig. 11 eine für gewisse Anwendungen erwünschte Charakteristik des Ausgangsstro¬mes und des Primärstromes eines Vollbrücken DC/DC-Wandlers in Abhängigkeit vonder Phasenlage,
Fig.12 die reduzierte Einschaltdauer der Schalter eines Brückenzweiges der Vollbrückeim Sperrmodus,
Fig. 13 bis 20 Schaltphasen des Vollbrücken DC/DC-Wandlers im Sperrmodus bei einererfindungsgemäßen Steuerung und
Fig.21 das Umschalten des Vollbrücken DC/DC-Wandlers aus dem Sperrmodus in denNormalbetrieb.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Vollbrücken DC/DC-Wandler 1 mit Phasenlagensteuerungund Schalten bei Nulllage (ZVS) dargestellt. Die primärseitige Vollbrücke 2 ist eingangsseitigan eine DC-Spannungsquelle VDC angeschlossen und es kann am Eingang auch ein Glät¬tungskondensator Cin vorgesehen sein. Die Vollbrücke 2 besteht aus zwei Brückenzweigen3a, 3b mit zwei in Serie geschalteten Schaltern S1, S2 im Brückenzweig 3a und zwei in Seriegeschalteten Schaltern S3, S4 im Brückenzweig 3b. Die Schalter S1, S2, S3, S4 können alsHalbleiterschalter, wie z.B. als FET, MOSFET, IGBT, etc. ausgeführt sein. Die Schalter S1,S2, S3, S4 werden von einer Steuereinheit S, wie in Fig. 1 angedeutet gesteuert. Parallel zuden Schaltern S1, S2, S3, S4 ist jeweils eine Diode D1, D2, D3, D4 und eine Kapazität C1,C2, C3, C4 angeordnet (bei Halbleiterschaltern in der Regel gebildet aus der intrinsischenBody-Diode und parasitären Ausgangskapazität), um in Verbindung mit der StreuinduktivitätL|k und der Hauptinduktivität Lh des Transformators T, Schalten bei Nulllage (ZVS) zu reali¬sieren. Zwischen den Schaltern S1, S2 und S3, S4 jedes Brückenzweiges 3a, 3b sind Brü¬ckenabgriffspunkte A, B vorgesehen.
Die Primärseite des Transformators T ist wie üblich an den Brückenabgriffspunkten A, B zwi¬schen die beiden Brückenzweige 3a, 3b geschaltet, sodass der Primärstrom iP über die zwi¬schen die Brückenabgriffspunkte A, B geschaltete Primärwicklung des Transformators Tfließt. Die Sekundärseite des Transformators T ist mit einem Ausgangsgleichrichter 5, hier inForm eines Synchrongleichrichters, verbunden. Der Ausgangsgleichrichter 5 ist hier als Mit¬telpunkt-Schaltung 4 mit zwei Gleichrichterzweigen 4a, 4b mit jeweils einem Schalter S5, S6und mit einer Ausgangsinduktivität L0 ausgeführt. Die Schalter S5, S6 können wiederum alsHalbleiterschalter, wie z.B. als FET, MOSFET, IGBT, etc. ausgeführt sein und können wiedervon einer Steuereinheit S angesteuert werden. Optional, aber in der Regel, z.B. als Filter,erwünscht, kann im Ausgangsgleichrichter 5 nach der Ausgangsinduktivität L0 auch ein Glät¬tungskondensator C0 vorgesehen sein. An den sekundärseitigen Ausgangsgleichrichter 5wird eine elektrische Last L angeschlossen, durch die der Ausgangsstrom lout fließt.
Bei Phasenlagensteuerung wird die Einschaltdauer der Schalter S1, S2, S3, S4 der beidenBrückenzweige 3a, 3b der Vollbrücke 2 vorzugsweise konstant bei 50% (abzüglich einer Tot¬zeit) gehalten. Durch die Phasenlage PS der rechteckförmigen Spannungen in den Brücken¬zweigen 3a, 3b wird die Ausgangsspannung Uout eingestellt, die in Abhängigkeit von der LastL, wie z.B. eine Batterie, ein Schweißlichtbogen, ein elektrisches Gerät, etc., zu einem Aus¬gangstrom lout und zu einem Primärstrom iP führt.
Ein solcher Vollbrücken DC/DC-Wandler 1 mit Phasenlagensteuerung und ZVS kann z.B. ineinem Schaltnetzteil, als Stromquelle für ein Schweißgerät oder in einem Batterieladegeräteingesetzt werden. Fig.2 zeigt beispielhaft die typische Charakteristik des Ausgangsstromes
L... rnhptn'i nnrl Hps PrimärstrnmPR In, UintprO ipwpilR in Ahhänninkpit \/nn rlpr Phacpnlanp PR bei Verwendung des Vollbrücken DC/DC-Wandler 1 mit Phasenlagensteuerung und ZVS alsBatterieladegerät, also mit einer kapazitiven Last L. Der signifikante Knick in der Ausgangs-stromcharakterisitik ergibt sich aus dem Übergang von diskontinuierlichem Stromfluss in derAusgangsdrossel L0 (discontinuous conduction modus, DCM) zum kontinuierlichen Strom¬fluss in der Ausgangsdrossel L0 (continuous conduction modus, CCM). DCM entsteht bei¬spielsweise, weil ein Ladegerät die Batteriespannung auch nach der Hauptladesequenz auf¬rechterhalten muss. Deshalb muss das Ladegerät und damit der Vollbrücken DC/DC-Wandler 1 in der Lage sein, auch kleine Ausgangsströme lout (DCM) zu liefern. Solche nied¬rigen Ströme reichen aber nicht aus, um Schalten bei Nullspannung in den Schaltern S1, S2,S3, S4 der Vollbrücke 2 zu realisieren. Gleiche Probleme können natürlich auch bei anderenAnwendungen eines Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 mit Phasenlagensteuerung und ZVSauftreten.
Im nachfolgenden werden die einzelnen Schaltphasen eines Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1mit Phasenlagensteuerung und ZVS anhand der Figuren 3 bis 9 beschrieben und dabei auchdie gegenständliche Erfindung erläutert. Grundsätzlich wird bekannterWeise bei der aktivenSchaltphase Leistung von der Primärseite des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 auf die Se¬kundärseite des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 übertragen und bei der passiven Schalt¬phase (auch Freilaufphase genannt) keine Leistung übertragen. In den Figuren 3, 5 bis 9,und auch 13, 14 bis 20, wir der Transformator T der Einfachheit halber geteilt dargestellt,also die Primärseite des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1, getrennt von der Sekundärseitedes Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1.
Fig.3 zeigt die positive aktive Schaltphase des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 zwischen derZeit ti und t2 und Fig.4 die zugehörigen Schalterstellungen der Schalter S1, S2, S3, S4, S5,S6, sowie den zeitlichen Verlauf des Primärstromes ip. Hier sind die Schalter S1 und S4 derVollbrücke 2 geschlossen und der Schalter S5 des Ausgangsgleichrichters 5 geschlossenund der Schalter S6 des Ausgangsgleichrichters 5 geöffnet. Zur besseren Visualisierung,sind in Fig.4 die Schalter S5, S6 mit unterschiedlichen Amplituden dargestellt. Damit kommtes zu einem Stromfluss des Primärstromes iP durch die Primärseite des Transformators Tund zu einem Ausgangstrom lout.
Der Übergang von der aktiven zur passiven positiven Schaltphase zum Zeitpunkt t2 ist in denFig.5 und 6 in Verbindung mit Fig.4 dargestellt. Diese Übergangsphase wird zum Zeitpunkt t2durch Öffnen des Schalters S1 des ersten Brückenzweiges 3a eingeleitet. Bei niedriger LastL würde der Primärstrom iP zu niedrig sein, um die Kapazität C1 am Schalter S1 durch denentstehenden Strom iCi vollständigen zu laden und die Kapazität C2 am Schalter S2 durchden entstehenden Strom iC2 vollständig zu entladen. Damit könnte ZVS bei niedriger Last L nirht rpalisiprt wprrlpn Ilm rlpm \/nr7i ihpi inpn wirrl in rlipspr I Ihprnannsnhasp 71 im 7pitnnnkt t2 auf der Sekundärseite des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1, im sekundärseitigen Aus¬gangsgleichrichter 5 ein Kurzschluss erzeugt, der einen zusätzlichen Kurzschlussstrom iK aufder Sekundärseite des Transformators T bewirkt. Der Kurzschlussstrom iK zirkuliert im Aus¬gangsgleichrichter 5 über die Gleichrichterzweige 4a, 4b und der Sekundärseite des Trans¬formators T. Das wird im gezeigten Ausführungsbeispiel erreicht, indem auch der SchalterS6 des Ausgangsgleichrichters 5 geschlossen wird (Fig.6). Der zusätzliche Kurzschluss¬strom iK zirkuliert hier durch die Sekundärseite des Transformators T, den Schalter S5 undden Schalter S6. Wenn die Kapazitäten C1, C2 nicht vollständig entladen bzw. geladen sind,liegt der Kurzschluss an, wenn noch Spannung an der Primärseite des Transformators Tanliegt. Dieser Kurzschlussstrom iK erzwingt daher auf der Primärseite des Transformators Teine Erhöhung des Primärstromes ip um den Strom iP‘, was wiederum eine Erhöhung derStröme durch die Kapazitäten C1 und C2 um iCi‘ und \C2 bewirkt. Der zusätzliche Strom iP‘wird durch die Streuinduktivität L|k begrenzt. Die entstehenden Ströme (iCi + ici‘) und (ic2 + ic2‘)über die Kapazitäten C1, C2 sind ausreichend, um diese vollständig zu laden und zu entla¬den und daher um ZVS zu realisieren. Die Erhöhung des Primärstromes iP auf iP‘ beeinflusstdabei die Last L nicht, da der zusätzliche Kurzschlussstrom iK auf der Sekundärseite im Aus¬gangsgleichrichter 5 zirkuliert.
In der folgenden positiven passiven Phase im Zeitraum t2 bis t3 ist der Schalter S2 des erstenBrückenzweiges 3a geschlossen und die Kapazität C1 vollständig geladen (Fig.7, Fig.4). DerKurzschluss auf der Sekundärseite durch beide geschlossenen Schalter S5, S6 des Aus¬gangsgleichrichters 5 bleibt aber vorzugsweise aufrecht, wodurch der Kurzschlussstrom iKweiter fließt. Damit wird durch den auch weiter fließenden zusätzlichen Primärstrom iP‘ zu¬sätzliche Energie in der Streuinduktivität Lik des Transformators T gespeichert. In dieserPhase ist der Transformator T der Vollbrücke 2 aufgrund des durchgeschalteten SchaltersS2 und der leitenden Diode D2 in der Kurzschlussphase, wie in Fig.7 dargestellt.
Beim Übergang von der positiven passiven Phase zur negativen aktiven Phase zum Zeit¬punkt t3 wird im zweiten Brückenzweig 3b der Schalter S4 geöffnet und der Schalter S3 ge¬schlossen, wie anhand von Fig.8 beschrieben wird. Gleichzeitig wird der Schalter S5 imAusgangsgleichrichter 5 auf der Sekundärseite des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 geöffnetund der Schalter S6 bleibt geschlossen. Damit wird der Kurzschluss im sekundärseitigenAusgangsgleichrichter 5 beendet. Die in der vorigen Phase durch den erhöhten PrimärstromiP‘ in der Streuinduktivität Lik auf der Primärseite des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 gespei¬cherte zusätzliche Energie wird dabei verwendet, um die Kapazität C3 sicher vollständig zuentladen und die Kapazität C4 sicher vollständig zu laden, um damit ZVS beim Schalten,auch bei niedrigen Lasten L, zu realisieren.
In der nach dem Schalten der Schalter S4, S3 anschließenden negativen aktiven Phase imZeitraum zwischen t3 und t4 (Fig.9) sind die Schalter S3, S2 in der Vollbrücke 2 geschlossenund der Schalter S6 des Ausgangsgleichrichters 5 geschlossen.
Beim nun folgenden umgekehrten Übergang von der negativen aktiven Phase in die negativepassive Phase und weiter in die positive aktive Phase (wie in Fig.3) wird im Zeitraum U bis t5in analoger Weise wie oben beschrieben ein Kurzschluss im sekundärseitigen Gleichrichter 5bewirkt, um ZVS beim Schalten der Schalter S1, S2, S3, S4 auch bei niedrigen Lasten Lrealisieren zu können. Damit kann der Schaltzyklus wiederholt werden.
Um die Erfindung realisieren zu können, muss der Ausgangsgleichrichter 5 in Abhängigkeitvom Schaltzustand der Vollbrücke 2 aktiv gesteuert werden, um den Kurzschluss zu denbenötigten Zeiten herzustellen. Grundsätzlich muss beim Übergang von einer aktivenSchaltphase, charakterisiert durch diametral (bezogen auf die Brückenabgriffspunkte A, B) inden Brückenzweigen 3a, 3b geschlossenen Schalter S1 und S4 oderS2 und S3, auf einepassive Schaltphase, charakterisiert durch nebeneinander (bezogen auf den Brückenab¬griffspunkte A, B) geschlossene Schalter S1 und S3 oder S2 und S4, ein Kurzschluss er¬zeugt werden. Beim umgekehrten Übergang von einer passiven Schaltphase auf eine aktiveSchaltphase muss der Kurzschluss wieder aufgehoben werden. Während einer passivenSchaltphase bleibt der Kurzschluss vorzugsweise aufrecht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Schalter S5, S6 des sekundärseitigen Aus¬gangsgleichrichters 5, hier in Form eines Synchrongleichrichters, aktiv gesteuert, z.B. voneiner Steuereinheit S. Hierbei werden die Einschaltpunkte der Schalter S5, S6 mit denSchaltpunkten der Schalter S1, S2, S3, S4 der Vollbrücke 2 wie nachfolgend beschriebensynchronisiert, um ZVS umsetzen zu können.
Die Schalter S1, S2 und S3, S4 der beiden Brückenzweige 3a, 3b schalten bekanntermaßennicht exakt zur gleichen Zeit, sondern mit einem Schaltverzug V, typischerweise im ns-Bereich, z.B. 100ns bis 300ns, wie in Fig.10 dargestellt. Der Einschaltpunkt des SchaltersS5, S6 des Ausgangsgleichrichters 5, der den Kurzschluss auf der Sekundärseite bewirkt,muss dabei mit dem Abschaltzeitpunkt des jeweiligen Schalters S1, S2, S3, S4 der Vollbrü¬cke 2 synchronisiert sein, wie in Fig.10 anhand der Schalter S1, S2 und S6 beschrieben ist.Der optimale Einschaltpunkt SP1 für den Schalter S6 des sekundärseitigen Ausgangsgleich¬richters 5 liegt im Bereich des Schaltverzugs V zwischen den Schaltern S1, S2 des erstenBrückenzweiges 3a (korrespondierend mit Fig.6, Fig.4). Der optimale Einschaltpunkt SP1liegt somit in der Übergangsphase von der aktiven in die passive Phase, also nachdem dieaktive Phase durch Öffnen des Schalters S1 beendet wurde und bevor die passive Phasedurch Schließen des Schalters S2 begonnen hat. Ein Einschaltzeitpunkt SP2 vordem Aus¬ schalten des Schalters S1, also bevor die aktive Phase beendet wurde, würde zu einem hö¬heren zusätzlichen Primärstrom iP‘ führen. Ein Einschaltzeitpunkt SP3 nachdem der SchalterS2 eingeschaltet wurde, also nachdem die passive Phase begonnen wurde, würde ZVS beiniedrigen Lasten verhindern und ist daher jedenfalls zu vermeiden. Dasselbe gilt in analogerWeise auch für die Einschaltpunkte des Schalters S5.
Die Ausschaltzeitpunkte der Schalter S5, S6 des sekundärseitigen Ausgangsgleichrichters 5werden bevorzugt bei oder in der Nähe eines Stromnulldurchganges des Stromes durch dieSchalter S5, S6 gesetzt. Ein zu früher Ausschaltzeitpunkt würde den Zeitraum, in dem dieBody-Diode der Schalter S5, S6 leitet, erhöhen, was sich in einem Wirkungsgradverlust auf¬grund von höheren Leitendverlusten manifestieren würde, und würde weiters zu einer Erhö¬hung der Sperrverzugszeit der Body-Diode der Schalter S5, S6 führen, was zu höheren Ver¬lusten und zu höheren Spannungsspitzen an den Schaltern S5, S6 führen würde. Ein zu spä¬ter Ausschaltpunkt würde zu einem sekundarseitigen Kurzschluss führen, während die Pri¬märseite in der positiven oder negativen aktiven Phase ist. Das würde zu hohem Primär¬strömen iP und hohem diP/dt führen, was wiederum zu unerwünschten Spannungsspitzen anden Schaltern S5, S6 des sekundärseitigen Gleichrichters führen würde, die die Schalter S5,S6 auch zerstören können.
Im Falle einer Last L, die auch als Spannungsquelle dienen kann, z.B. eine Batterie, kannsich auch ein negativer Ausgangsstrom lout ergeben, wie in Fig.11 mit Ausgangsstrom loutiund Primärstrom IP1 dargestellt. Dabei fließt Strom vom Ausgang des Vollbrücken DC/DC-Wandler 1 zur Spannungsquelle VDC, bzw. zum Glättungskondensator 0,η. Das kann auchzu einer Überspannung am Glättungskondensator Cin führen, was unerwünscht ist. Abgese¬hen davon ist es unmittelbar einsichtig, dass ein solcher Betriebsmodus insbesondere beider Verwendung des Vollbrücken DC/DC-Wandler 1 in einem Batterieladegerät durch dieEntladung der Batterie kontraproduktiv wäre und daher vermieden werden sollte.
Es gibt daher Anwendungen eines Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1, bei dem ein negativerAusgangstrom lout, der sogenannte regenerative Betriebsmodus, grundsätzlich vermiedenoder zumindest reduziert werden soll. Erwünscht ist hierbei also eine Ausgangstromcharak¬teristik wie in Fig. 11 mit lout2 und lP2 dargestellt ist. Diese ist durch einen Sperrmodus BM(Blocking Mode) des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 charakterisiert, der dafür sorgt, dassder negative Ausgangsstrom lout auf eine akzeptable und sichere Größe reduziert wird.
Um die erwünschte Ausgangsstromcharakteristik wie in Fig. 11 gezeigt zu erzielen, wird imSperrmodus BM des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 die Einschaltdauer der Schalter S1, S2im ersten Brückenzweig 3a der Vollbrücke 2 drastisch reduziert, vorzugsweise auf einenWert zwischen Null und der minimal möglichen Einschaltdauer Dmin, die im Wesentlichen von der Spezifikation des Schalters S1, S2 in Form der Schaltzeit vorgegeben ist. Normale Ein¬schaltdauern D von eingesetzten Schaltern S1, S2 liegen im Bereich von >70ns. Die SchalterS3, S4 des zweiten Brückenzweiges 3b arbeiten weiterhin wie oben beschrieben. Das istbeispielhaft in Fig.12 dargestellt. Die Einschaltzeitpunkte und Ausschaltzeitpunkte der Schal¬ter S5, S6 des Gleichrichters 5 werden ebenfalls wie oben beschrieben gesetzt, also auf dieSchalter S1, S2 synchronisiert. Anstelle der Einschaltdauer D der Schalter S1, S2 des erstenBrückenzweiges 3a, könnte aber natürlich auch die Einschaltdauer der Schalters S3, S4, deszweiten Brückenzweiges 3b reduziert werden. In diesem Fall würden die Schalter S1, S2 desersten Brückenzweiges 3a wie bei einer Standard Vollbrücke 2 mit Phasenlagensteuerunggeschaltet werden.
Die Wirkung dieser Maßnahme wird nun im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Figu¬ren 13 bis 20 unter der Annahme eines negativen Ausgangsstromes lout beschrieben.
In Fig. 13 ist die positive aktive Schaltphase im Sperrmodus BM im Zeitraum zwischen U undt2 dargestellt. In Fig. 14 ist dazu wieder der zeitliche Verlauf des Ausgangsstromes Ut, desPrimärstromes iP und der Schaltstellungen der Schalter S3, S4, S5, S6 dargestellt. DieSchalter S1, S2 sind hier für die Beschreibung der Einfachheit halber als durchgehend offen(Einschaltdauer D=0) angenommen. Der Schalter S4 des zweiten Brückenzweiges 3b undder Schalter S5 des Ausgangsgleichrichters 5 sind bei offenen Schalter S3 geschlossen. Über die leitende Diode D1 des ersten Schalters S1 fließt der vom negativen Ausgangsstromlout getriebene Primärstrom lP zur DC-Spannungsquelle VDC. Die am GlättungskondensatorCin anliegende Spannung liegt aber auch an der Primärseite des Transformators T an, waseine positive Steigung des Ausgangstromes lout erzwingt, wodurch dieser abnimmt. Gleich¬falls sinkt der negative Primärstrom iP in diesem Zeitraum ti -12, was letztendlich dazu führt,dass der Primärstrom iP das Vorzeichen wechselt, wie in Fig. 15 angedeutet ist. Da der Schal¬ter S1 offen ist, wird die Kapazität C1 durch den Primärstrom iP geladen und die Kapazität C2entladen. Durch das Entladen der Kapazität C2 wird die Diode D2 des Schalters S2 leitend,was zum Zeitpunkt t2 den Übergang von der aktiven positiven in die positive passive Schalt¬phase des Sperrmodus BM, die in Fig. 16 im Zeitraum von t2 bis t3 dargestellt ist, einleitet.Sobald der Primärstrom iP die Richtung gewechselt hat, kann der Schalter S6 des Aus¬gangsgleichrichters 5, bei geschlossenem Schalter S5 geschlossen werden (Fig.16), womitein Teil des Ausgangsstromes lout und der Kurzschlusstrom iK, über den Schalter S6 geleitetwird. Damit wird zum Zeitpunkt t2‘ im sekundärseitigen Ausgangsgleichrichter 5 auch einKurzschluss erzeugt. Mit dem folgenden Öffnen des Schalters S5 des Ausgangsgleichrich¬ters 5 zum Zeitpunkt t3 wird nun der fließende negative Ausgangsstrom lout zur Gänze überden Schalter S6 geleitet, was zu einer Erhöhung des Primärstromes (iP+iP‘) führt (Fig. 17).
Nachdem Schalter S5 des Gleichrichters 5 geöffnet wurde wird zum Zeitpunkt t3 durch Öff¬nen des Schalters S4 der Übergang von der positiven passiven Schaltphase zur negativenaktiven Schaltphase eingeleitet, wie in Fig.18 dargestellt. Dabei wird die Kapazität C4 desSchalters S4 geladen und die Kapazität C3 des Schalters S3 entladen. Zum Zeitpunkt U wirdder Schalter S3 ohne Spannung geschlossen, wodurch wiederum Schalten bei Nulldurch¬gang (ZVS) realisiert wird.
Darauf folgt zwischen Zeitpunkt U und t5 die negative aktive Schaltphase (Fig.19), bis zumZeitpunkt t5 das Vorzeichen des Primärstromes ip wieder wechselt, womit der Übergang vonder negativen aktiven Schaltphase zur negativen passiven Schaltphase (Fig.20) eingeleitetwird, auf die dann wieder der Übergang auf die positive aktive Schaltphase folgt, womit eingesamter Schaltzyklus abgeschlossen ist.
Die Schalter S1, S2 werden im Sperrmodus BM mit sehr kurzer Einschaltdauer D geschaltet,wie anhand von Fig.12 erläutert, und der Einschaltzeitpunkt der Schalter S5, S6 wird mit denSchaltern S1, S2 synchronisiert, wie oben beschrieben. Der Einschaltzeitpunkt des SchaltersS6 wird wieder im Bereich des Schaltverzugs V zwischen den Schaltern S1, S2 gewählt. Fürden Sperrmodus BM ist es vorteilhaft, wenn der Einschaltzeitpunkt des Schalters S6 wäh¬rend der positiven passiven Schaltphase im Zeitraum von t2 bis t3 gewählt wird, jedenfallsaber nicht in der positiven aktiven Schaltphase, wenn Spannung an der Primärseite desTransformators T anliegt. Das gilt analog für die negative passive Phase und auch für dieSteuerung des Schalters S5 für den Sperrmodus BM.
Um einen sicheren Übergang vom Normalbetrieb zum Sperrmodus BM, und umgekehrt, si¬cherzustellen, ist ein geregelter Übergang vorteilhaft. Für den Übergang vom Normalbetriebin den Sperrmodus BM wird die Einschaltdauer der Schalter S1, S2 reduziert wie oben be¬schrieben. Der Übergang vom Sperrmodus BM in den Normalbetrieb des VollbrückenDC/DC-Wandlers 1 wird nachfolgend anhand der Fig.21 beispielhaft erläutert.
Wenn aus dem Sperrmodus BM direkt in Volllast des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 umge¬schaltet werden soll, dann kann das einfach dadurch erreicht werden, indem die Einschalt¬dauer D der Schalter S1, S2 wieder vergrößert wird, bis die angestrebte Einschaltdauer von50% (abzüglich notweniger Totzeiten) erreicht ist. Das ist in Fig.21 mit dem Modus M1 dar¬gestellt.
Wenn beim Umschalten in den Normalbetrieb eine niedrigere Last L angestrebt wird, dannwürde diese mit dem Modus M1 schon vor dem Erreichen der angestrebten 50% Einschalt¬dauer erreicht werden. Daher wird in diesem Fall der Modus M2 wie in Fig.21 dargestellt ge¬wählt werden. Hierbei werden die Einschaltzeitpunkte der Schalter S1, S2 zeitlich früher ge¬ setzt, z.B. um eine Zeitdauer Ät, womit gleichzeitig auch die Einschaltzeitpunkte der SchalterS5, S6 im Ausgangsgleichrichter 5 (die ja auf die Schalter S1, S2 synchronisiert sind) frühergesetzt werden. Das würde die aktiven Schaltphasen des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1verkürzen, was zu einer Verringerung der Ausgangsspannung führen würde. Das zwingt dieSteuereinheit S des Vollbrücken DC/DC-Wandlers 1 dazu, die Phasenlage PS zu korrigieren,um die angestrebte Ausgangsspannung zu erreichen bzw. aufrecht zu erhalten. Das kannnun wiederholt werden, bis die angestrebte Einschaltdauer von 50% erreicht ist. Durch dieSteuereinheit S wird die dazu notwendige Phasenlage PS eingestellt.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Steuern eines Vollbrücken DC/DC-Wandlers (1) mit einer primärseiti¬gen Vollbrücke (2) und einem sekundärseitigen Ausgangsgleichrichter (5), die durch einenTransformator (T) miteinander verbunden sind, wobei die Vollbrücke (2) mit den jeweils inden beiden Brückenzweigen (3a, 3b) angeordneten, zwei in Serie geschalteten Schaltern(S1, S2, S3, S4) zeitlich hintereinander folgend und wiederholend durch eine positive aktivePhase, eine positive passive Phase, eine negative aktive Phase und eine negative passivePhase durchgeschalten wird, wobei sich aktive und passive Phasen abwechseln, dadurchgekennzeichnet, dass vor dem Umschalten in eine passive Phase im sekundärseitigenAusgangsgleichrichter (5) ein Kurzschluss erzeugt wird, der durch den entstehenden Kurz¬schlussstrom (ik) über die Sekundärseite des Transformators (T) eine Erhöhung des Primär¬stromes (ip) über die Primärseite des Transformators (T) bewirkt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschluss im Aus¬gangsgleichrichter (5) vor dem Umschalten in eine folgende aktive Phase aufgehoben wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschluss wäh¬rend der passiven Phase aufrechterhalten wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass derKurzschluss nach dem Beenden der vorangehenden aktiven Phase erzeugt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für ei¬nen Übergang in einen Sperrmodus (BM) des Vollbrücken DC/DC-Wandlers (1) die Ein¬schaltzeitdauer der Schalter (S1, S2, S3, S4) des ersten Brückenzweiges (3a) oder deszweiten Brückenzweiges (3b) reduziert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Sperrmodus (BM) derKurzschluss im sekundärseitigen Ausgangsgleichrichter (5) während einer passiven Phaseerzeugt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Über¬gang vom Sperrmodus (BM) in einen Normalbetrieb des Vollbrücken DC/DC-Wandlers (1)die Einschaltzeitdauer der Schalter (S1, S2, S3, S4) des ersten Brückenzweiges (3a) oderdes zweiten Brückenzweiges (3b) erhöht wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Über¬gang vom Sperrmodus (BM) in einen Normalbetrieb des Vollbrücken DC/DC-Wandlers (1)die Einschaltzeitpunkte der Schalter (S1, S2, S3, S4) des ersten Brückenzweiges (3a) oderdes zweiten Brückenzweiges (3b) zeitlich früher gesetzt werden.
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