WO2014009183A2 - Mehrphasen-gleichspannungswandler - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a multi-phase DC-DC converter for transporting energy between two networks
  • each converter circuit having at least one first controllable switching element and a choke
  • a PWM generator per converter circuit for generating a PWM signal for driving the first controllable switching element of the associated converter circuit, wherein the PWM generators are suitable and adapted to generate the PWM signals so that the first switching elements of the converter circuits with different Phases are switched on.
  • multiphase DC-DC converters have been developed. These have a plurality of converter circuits, sometimes called converter cells or cells, which are operated out of phase.
  • a multiphase DC-DC converter with the features listed at the beginning is disclosed in the document DE 10 2007 043 603 A1.
  • the object of the invention is to propose an alternative multiphase DC-DC converter, which prevents in particular in coupled reactors of the converter circuits equalizing currents between the converter circuits.
  • the chokes of the converter circuits are arranged on a core and are so coupled.
  • Each converter circuit has a current sensor for detecting a current through the inductor of the converter circuit or a current emulator for emulation of a current through the inductor of the converter circuit and
  • each converter circuit has a regulator which is connected to the first regulator and to the current sensor or current emulator associated with the converter circuit and to the PWM generator associated with the converter circuit,
  • controller for controlling the current through the choke of the associated converter circuits are suitable and arranged.
  • the erfindunstrae multiphase voltage converter includes converter circuits with its own controller and its own current sensors.
  • the current through the reactor of each converter circuit can be controlled by its own control loop. Compensation currents between the converter circuits can be avoided.
  • Equalizing currents can be avoided in particular even when the reactors of the converter circuits are coupled.
  • the converter circuits are preferably connected in parallel.
  • the regulators of a multiphase DC-DC converter according to the invention can be acted upon by the control or control means, each with a reference variable.
  • the controllers can be directly connected to the control or control means.
  • the control or control means generates a control variable for each control loop the to be provided by the converter circuit of the loop current.
  • the sum of the currents provided by the converter circuits corresponds to the current generated by the polyphase DC-DC converter.
  • each PWM generator can be connected directly to a manipulated variable output of the controller, which is assigned to the same converter circuit as the PWM generator.
  • the converter circuits may be boost converter circuits, ie boost converters.
  • the converter circuits may include a peak current detection and / or one or more current emulators in place of the current sensors.
  • Fig. 1 is a simplified block diagram of a multi-phase DC-DC converter according to the invention.
  • the multiphase DC-DC converter according to the invention has three converter circuits.
  • the three converter circuits are preferably constructed identically. They have a first switching element M1, M3, M5.
  • the first switching elements are normally-conductive N-channel MOSFETs whose drain terminals are brought together and connected to a first terminal BN1 of the polyphase DC-DC converter for the positive voltage of a first network.
  • the source terminals of the first switching elements M1, M3, M5 are each connected to inductors L1, L2, L3. In series, measuring resistors R1, R2, R3 are connected.
  • the terminals L1, L2, L3 facing away from the terminals of the measuring resistors R1, R2, R3 are connected to each other and to a second terminal BN2 of the polyphase DC-DC converter for the positive voltage of a second network. Both the first terminal BN1 and the second terminal BN2 of the multiphase DC-DC converter are connected to the reference potential via a capacitor C1, C2.
  • the source terminals of the first switching elements M1, M3, M5 are also connected via second switching elements M2, M4, M5 to the reference potential.
  • the drain terminals of the second switching elements M2, M4, M5 are connected to the source terminals of the first switching elements M1, M3, M5 and the source terminals of the second switching elements M2, M4, M5 are connected to the reference potential.
  • Both the gate terminals of the first switching elements M1, M3, M5 of the converter circuits and the gate terminals of the second switching elements M2, M4, M5 of the converter circuits are each connected to a control circuit 2, 3, 4 associated with each converter circuit.
  • the control circuits 2, 3, 4 include a regulator and a PWM generator.
  • the control circuits 2, 3, 4 are connected to current sensors 5, 6, 7, which detect the current through the measuring resistors R1, R2, R3 and thus through the inductors L1, L2, L3.
  • a signal indicative of the current is supplied to the control circuits 2, 3, 4.
  • the current signal is compared with a reference variable, which is specified by a control and regulation means 1 for each converter circuit.
  • the control difference between the reference variable and the current signal resulting from the comparison, i. the controlled variable is supplied in the PWM generators, which generate the signals for driving the first switching elements M1, M3, M5 and the second switching elements M2, M4, M5.
  • the first switching elements and the second switching elements of a converter circuit are preferably alternately closed and opened.
  • each a clock signal supplied which is generated by a clock generator 8, 9, 10.
  • the Clock generators 8, 9, 10 generate clock signals which are shifted from each other but have the same length and duty cycle.
  • the clock generators 8, 9, 10 may be linked together (not shown) to ensure that the phase between the clock signals is always constant, preferably 120 °, when three converter circuits are provided.
  • the first switching elements M1, M3, M5 are turned on at a rising edge of the clock signal and the second switching elements M2, M4, M5 are turned off at a rising edge of the clock signal.
  • the switching off of the first switching elements M1, M3, M5 and the switching on of the second switching elements M2, M4, M5 takes place as a function of the current which is measured by the current sensors 5, 6, 7 and in dependence on the control variables predetermined by the control means 1 ,
  • the converter circuits operate on an energy transport from the first network to the second network as an up-converter, i. the voltage in the first network is lower than the voltage in the second network. In the reverse direction of transport of energy, the converter circuits can also be operated as a buck converter.
  • the chokes L1, L2, L3 are coupled together, which is achieved by arranging the chokes on a common core.

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Description

Mehrphasen-Gleichspannungswandler
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Gleichspannungswandler zum Transportieren von Energie zwischen zwei Netzen
- mit mehreren Wandlerschaltungen, wobei jede Wandlerschaltung wenigstens ein erstes steuerbares Schaltelement und eine Drossel aufweist,
mit einem Regel- oder Steuermittel und
- mit einem PWM-Generator je Wandlerschaltung zur Erzeugung eines PWM- Signals zur Ansteuerung des ersten steuerbaren Schaltelements der zugeordneten Wandlerschaltung, wobei die PWM-Generatoren geeignet und eingerichtet sind, die PWM-Signale so zu erzeugen, dass die ersten Schaltelemente der Wandlerschaltungen mit unterschiedlichen Phasen einschaltbar sind.
Aus dem Stand der Technik sind Gleichspannungswandler mit einer Wandlerschaltung und einer Steuerung bekannt, bei denen die Steuerung ein Treibersignal zum Durchführen des Schaltbetriebs der Wand lerschaltung erzeugt. Mittels der Steuerung kann die Wand lerschaltung an die Betriebsbedingungen des Gleichspannungswandlers, insbesondere der Belastung des Gleichspannungswandlers angepasst werden. Ein Nachteil eines solchen Gleichspannungswandlers ist, dass die Wandlerschaltung bei nur geringer Belastung des Gleichspannungswandlers einen schlechten Wirkungsgrad hat. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Strom durch den Gleichspannungswandler begrenzt ist.
Um diesen Nachteilen abzuhelfen, wurden Mehrphasen-Gleichspannungswandler entwickelt. Diese weisen mehrere Wandlerschaltungen, gelegentlich auch Wandlerzellen oder Zellen genannt, auf, die phasenversetzt betrieben werden. Ein Mehrphasen- Gleichspannungswandler mit den eingangs aufgeführten Merkmalen ist in dem Dokument DE 10 2007 043 603 A1 offenbart. Aufgabe der Erfindung ist es, einen alternativen Mehrphasen- Gleichspannungswandler vorzuschlagen, der insbesondere bei gekoppelten Drosseln der Wandlerschaltungen Ausgleichströme zwischen den Wandlerschaltungen verhindert. Bei solchen Mehrphasen-Gleichspannungswandlern sind die Drosseln der Wandlerschaltungen auf einem Kern angeordnet und sind so gekoppelt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Mehrphasen- Spannungswandler
- je Wandlerschaltung einen Stromsensor zur Erfassung eines Stroms durch die Drossel der Wandlerschaltung oder einen Stromemulator zur Emulation eines Stroms durch die Drossel der Wandlerschaltung aufweist und
- je Wandlerschaltung einen Regler aufweist, der mit dem ersten Regler und mit dem der Wandlerschaltung zugeordneten Stromsensor oder Stromemulator sowie dem der Wandlerschaltung zugeordneten PWM-Generator verbunden ist,
- wobei die Regler zum Regeln des Stroms durch die Drossel der zugeordneten Wandlerschaltungen geeignet und eingerichtet sind.
Der erfindungemäße Mehrphasen-Spannungswandler umfasst Wandlerschaltungen mit einem eigenen Regler und eigenen Stromsensoren. Damit kann der Strom durch die Drossel jeder Wandlerschaltung durch einen eigenen Regelkreis geregelt werden. Ausgleichströme zwischen den Wandlerschaltungen können damit vermieden werden.
Ausgleichströme können insbesondere auch dann vermieden werden, wenn die Drosseln der Wandlerschaltungen gekoppelt sind.
Die Wandlerschaltungen sind vorzugsweise parallel geschaltet.
Die Regler eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers können vom Regel- oder Steuermittel mit je einer Führungsgröße beaufschlagt werden. Die Regler können dazu unmittelbar mit dem Regel- oder Steuermittel verbunden sein. Das Regel- oder Steuermittel erzeugt für jeden Regelkreis eine Führungsgröße für den von der Wandlerschaltung des Regelkreises bereitzustellenden Strom. Die Summe der von den Wandlerschaltungen bereitgestellten Ströme entspricht dem von dem Mehrphasen-Gleichspannungswandler erzeugten Strom.
Erfindungsgemäß kann jeder PWM-Generator unmittelbar mit einem Stellgrößen- Ausgang des Reglers verbunden sein, der der gleichen Wandlerschaltung zugeordnet ist wie der PWM-Generator.
Die Wandlerschaltungen können Aufwärtswandler-Schaltungen, also boost-converter sein.
Die Wandlerschaltungen können eine Spitzenstromerkennung und/oder eine oder mehrere Stromemulatoren anstelle der Stromsensoren umfassen.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Mehrphasen- Gleichspannungswandlers.
Der erfindungsgemäße Mehrphasen-Gleichspannungswandler weist drei Wandlerschaltungen auf. Die drei Wandlerschaltungen sind vorzugsweise identisch aufgebaut. Sie weisen ein erstes Schaltelement M1 , M3, M5 auf. Bei den ersten Schaltelementen handelt es sich um normal leitende N-Kanal MOSFETs, deren Drain-Anschlüsse zusammengeführt und mit einem ersten Anschluss BN1 des Mehrphasen- Gleichspannungswandlers für die positive Spannung eines ersten Netzes verbunden sind. Die Source-Anschlüsse der ersten Schaltelemente M1 , M3, M5 sind jeweils mit Drosseln L1 , L2, L3 verbunden. In Reihe dazu sind Messwiderstände R1 , R2, R3 geschaltet. Die den Drosseln L1 , L2, L3 abgewandten Anschlüsse der Messwiderstände R1 , R2, R3 sind miteinander und mit einem zweiten Anschluss BN2 des Mehrphasen- Gleichspannungswandlers für die positive Spannung eines zweiten Netzes verbunden. Sowohl der erste Anschluss BN1 als auch der zweite Anschluss BN2 des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers sind über einen Kondensator C1 , C2 mit dem Bezugspotential verbunden.
Die Source-Anschlüsse der ersten Schaltelemente M1 , M3, M5 sind über zweite Schaltelementen M2, M4, M5 ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden. Dazu sind die Drain-Anschlüsse der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 mit den Source- Anschlüssen der ersten Schaltelemente M1 , M3, M5 verbunden und die Source- Anschlüsse der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 sind mit dem Bezugspotential verbunden.
Sowohl die Gate-Anschlüsse der ersten Schaltelemente M1 , M3, M5 der Wandlerschaltungen als auch die Gate-Anschlüsse der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 der Wandlerschaltungen sind mit je einer jeder Wandlerschaltungen zugeordneten Steuerschaltung 2, 3, 4 verbunden. Die Steuerschaltungen 2, 3, 4 umfassen einen Regler und einen PWM-Generator.
Die Steuerschaltungen 2, 3, 4 sind mit Stromsensoren 5, 6, 7 verbunden, die den Strom durch die Messwiderstände R1 , R2, R3 und somit durch die Drosseln L1 , L2, L3 erfassen. Ein den Strom angebendes Signal wird den Steuerschaltungen 2, 3, 4 zugeführt. In dem Regler der Steuerschaltungen 2, 3, 4 wird das Stromsignal mit einer Führungsgröße verglichen, die von einem Steuer- und Regelmittel 1 für jede Wandlerschaltung vorgegeben wird. Die sich beim Vergleich ergebende Regeldifferenz zwischen der Führungsgröße und dem Stromsignal, d.h. der Regelgröße, wird in den PWM-Generatoren zugeführt, die die Signale zum Ansteuern der ersten Schaltelemente M1 , M3, M5 und der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 erzeugen. Die ersten Schaltelemente und die zweiten Schaltelemente einer Wandlerschaltung werden vorzugsweise abwechselnd geschlossen und geöffnet.
Den Steuerschaltungen 2, 3, 4 wird neben den bereits benannten Signalen auch je ein Taktsignal zugeführt, welches von einem Taktgenerator 8, 9, 10 erzeugt wird. Die Taktgeneratoren 8, 9, 10 erzeugen Taktsignale, die zueinander verschoben sind aber die gleiche Länge und Einschaltdauer haben. Die Taktgeneratoren 8, 9, 10 können miteinander verknüpft sein (nicht dargestellt), um sicherzustellen, dass die Phase zwischen den Taktsignalen stets konstant ist, vorzugsweise 120°, wenn drei Wandlerschaltungen vorgesehen sind.
Die ersten Schaltelemente M1 , M3, M5 werden bei einer steigenden Flankedes Taktsignals eingeschaltet und die zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 werden bei einer steigenden Flanke des Taktsignals ausgeschaltet.
Das Ausschalten der ersten Schaltelemente M1 , M3, M5 und das Einschalten der zweiten Schaltelemente M2, M4, M5 erfolgt in Abhängigkeit vom Strom, der durch die Stromsensoren 5, 6, 7 gemessen wird und in Abhängigkeit der vom Steuer- und Regelmittel 1 vorgegebenen Führungsgrößen.
Die Wandlerschaltungen Arbeiten bei einem Energietransport vom ersten Netz zum zweiten Netz als Aufwärts-Wandler, d.h. die Spannung im ersten Netz ist geringer als die Spannung im zweiten Netz. Bei umgekehrter Transportrichtung der Energie können die Wandlerschaltungen auch als Abwärts-Wandler betrieben werden.
Die Drosseln L1 , L2, L3 sind miteinander gekoppelt, was dadurch erreicht wird, dass die Drosseln auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
Bezugszeichenliste
1 Steuer- und Regelmittel
2 Steuermittel einer ersten Wandlerschaltung
3 Steuermittel einer zweiten Wandlerschaltung
4 Steuermittel einer dritten Wandlerschaltung
5 Stromsensor der ersten Wandlerschaltung
6 Stromsensor der zweiten Wandlerschaltung
7 Stromsensor der dritten Wandlerschaltung
M1 erstes Schaltelement der ersten Wandlerschaltung
M3 erstes Schaltelement der zweiten Wandlerschaltung
M5 erstes Schaltelement der dritten Wandlerschaltung
M2 zweites Schaltelement der ersten Wandlerschaltung
M4 zweites Schaltelement der zweiten Wandlerschaltung
M6 zweites Schaltelement der dritten Wandlerschaltung
L1 Drossel der ersten Wandlerschaltung
L2 Drossel der zweiten Wandlerschaltung
L3 Drossel der dritten Wandlerschaltung
R1 Messwiderstand der ersten Wandlerschaltung
R2 Messwiderstand der zweiten Wandlerschaltung
R3 Messwiderstand der dritten Wandlerschaltung
8 Taktgenerator der ersten Wandlerschaltung
9 Taktgenerator der zweiten Wandlerschaltung
10 Taktgenerator der dritten Wandlerschaltung
K gemeinsamer Kern der Drosseln L1 , L2, L3
BN1 erster Anschluss des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers
BN2 zweite Anschluss des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers
C1 Kondensator des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers
C2 Kondensator des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers

Claims

Patentansprüche
1. Mehrphasen-Gleichspannungswandler zum Transportieren von Energie zwischen zwei Netzen
mit mehreren Wandlerschaltungen, wobei jede Wandlerschaltung wenigstens ein erstes steuerbares Schaltelement (M1 , M3, M5) und eine Drossel (L1 , L2, L3) aufweist,
mit einem Regel- oder Steuermittel (1 ) und
mit einem PWM-Generator je Wandlerschaltung zur Erzeugung eines PWM-Signals zur Ansteuerung des ersten steuerbaren Schaltelements der zugeordneten Wandlerschaltung, wobei die PWM- Generatoren geeignet und eingerichtet sind, die PWM-Signale so zu erzeugen, dass die ersten Schaltelemente (M1 , M3, M5) der Wandlerschaltungen mit unterschiedlichen Phasen einschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass
der Mehrphasen-Spannungswandler
- je Wandlerschaltung einen Stromsensor (5, 6, 7) zur Erfassung eines Stroms durch die Drossel (L1 , L2, L3) der Wandlerschaltung oder einen Stromemulator zur Emulation eines Stroms durch die Drossel (L1 , L2, L3) der Wandlerschaltung aufweist und
- je Wandlerschaltung einen Regler aufweist, der mit dem Regel- oder Steuermittel (1 ) und mit dem der Wandlerschaltung zugeordneten Stromsensor (5, 6, 7) oder Stromemulator sowie dem der Wandlerschaltung zugeordneten PWM-Generator verbunden ist,
- wobei die Regler zum Regeln des Stroms durch die Drossel (L1 , L2, L3) der zugeordneten Wandlerschaltungen geeignet und eingerichtet sind.
2. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln (L1 , L2, L3) der Wandlerschaltungen gekoppelt sind.
3. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regler vom Regel- oder Steuermittel (1 ) mit je einer Führungsgröße beaufschlagbar sind.
4. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Generatoren unmittelbar mit einem Stellgrößen-Ausgang der der gleichen Wandlerschaltung zugeordneten Regler verbunden sind.
5. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltungen je nach Transportrichtung der Energie Aufwärtswandler-Schaltungen und Abwärtswandler- Schaltungen sind.
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