WO2010124988A1 - Control device for controlling at least one rectifier element of a voltage converter - Google Patents

Control device for controlling at least one rectifier element of a voltage converter Download PDF

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WO2010124988A1
WO2010124988A1 PCT/EP2010/055363 EP2010055363W WO2010124988A1 WO 2010124988 A1 WO2010124988 A1 WO 2010124988A1 EP 2010055363 W EP2010055363 W EP 2010055363W WO 2010124988 A1 WO2010124988 A1 WO 2010124988A1
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WO
WIPO (PCT)
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voltage converter
rectifying element
control device
rectifying
switching
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/055363
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German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Ehret
Peter Maisel
Martin Saliternig
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic Gmbh
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer

Definitions

  • Control device for controlling at least one rectifying element of a voltage converter
  • the invention relates to a control device for controlling at least one rectifying element of a voltage converter.
  • the invention further relates to a vehicle.
  • the invention further relates to a method for controlling at least one rectifying element of a voltage converter.
  • the invention further relates to a computer-readable storage medium.
  • the invention further relates to a program element for controlling at least one rectifying element of a voltage converter.
  • Voltage transformers can be designed with galvanic isolation or without galvanic isolation.
  • a voltage converter with a galvanic isolation on a switching unit with switching elements a transformer unit for transforming a voltage of the switching unit and a downstream rectifying unit with at least one rectifying element.
  • An input DC voltage of the voltage converter is converted via the switching elements of the switching unit into an AC voltage.
  • the generated AC voltage is transmitted via the transformer unit to the rectifier unit, which converts the transformed AC voltage into a DC output voltage whose magnitude is different from a magnitude of the input voltage.
  • Voltage transformers without galvanic isolation have a switching unit with a switching element and a downstream Rectifying unit with a rectifying element on.
  • An input DC voltage of a certain size is converted into a DC output voltage of a different size by means of the switching element and the rectification element.
  • the output voltage is reduced with respect to the input voltage.
  • the input voltage of the voltage converter is converted into a larger output voltage.
  • a switching element of the switching unit and / or a rectifying element of the rectifying unit are usually used as semiconductor switches, for example MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors) or IGBTs (bipolar transistors).
  • MOSFETs metal oxide semiconductor field effect transistors
  • IGBTs bipolar transistors
  • Insulated gate transistors Insulated gate transistors
  • ZVS zero voltage switching
  • ZCS zero current switching
  • US Pat. No. 7,443,142 B2 discloses an electrical system for a vehicle which has a battery and a generator for generating electricity and a rectification unit with a plurality of rectifying elements.
  • the rectifier elements can be controlled by a microprocessor which uses an output voltage and an output current of the electrical system as measurement parameters.
  • the known electrical system is not a voltage converter with a switching unit.
  • the invention has for its object to provide a driving a rectifying element of a voltage converter in the simplest possible way.
  • a control device for controlling at least one rectifying element of a voltage converter, wherein the voltage converter has a switching unit and a rectifying unit with the at least one rectifying element, wherein the control device is designed to separate the at least one rectifying element independently of the switching unit head for .
  • a vehicle including such a control device has at least one rectifying element of a voltage converter of the vehicle.
  • a method of controlling at least one rectifying element of a voltage converter comprising a switching unit and a rectifying unit having the at least one rectifying element, the at least one rectifying element being controlled independently of the switching unit.
  • a computer-readable storage medium having stored thereon a program for controlling at least one rectifying element of a voltage converter which, when supplied from a
  • Processor is executed, for performing the method for controlling at least one rectifying element of a voltage converter is set up.
  • a program element for controlling at least one rectifying element of a voltage converter which, when executed by a processor, is adapted to perform the method of controlling at least one rectifying element of a voltage converter.
  • the vehicle, the method, the computer-readable storage medium, and the program element according to the further aspects of the invention may have the same effects and advantages as the control device according to the one aspect of the invention.
  • the control device may be adapted to the switching unit, for example at least one switching element of Switching unit, and to drive the at least one rectifying element of the rectifying unit.
  • the control device may be designed to control the at least one rectifying element of the rectifying unit, but not the switching unit.
  • a “driving of the at least one rectifying element” is understood to mean that the control device generates a control signal for switching the rectification element on and / or off, which is supplied to the rectifying element.
  • One of the switching unit for example of at least one switching element of the switching unit, "independent" driving the rectifying element is to be understood that the control device generates such a control signal for the at least one rectifying element that the switching times of the rectifying element of the rectifying unit not with the switching times of the switching unit are coupled.
  • the ability to control the rectifying element independently of the switching unit causes an increase in the efficiency of the voltage converter, since a time unfavorable or incorrect switching of the rectifying element is avoided due to a combination of the control signals of the switching unit and the rectifying element, which could lead to line losses.
  • a material stress of the rectifying element which is based for example on a semiconductor material, is avoided in the case of its unfavorable or false switching, so that the life of the rectifying element is achieved. is increased. In this sense, also reduce the cost of replacing individual components or the total cost of a system in which the voltage converter is integrated.
  • the control device also allows a high degree of flexibility in the setting of the control of the at least one rectifying element, since the control of the at least one rectifying element is adjustable independently of the control of the switching unit.
  • the voltage converter is also structurally very simple, since signal processing elements omitted, which usually ensure a logical connection of the switching signals of the switching unit with those of the rectifying element of the rectification unit.
  • the voltage converter can be used in many ways, since the voltage converter can be designed, for example, with or without galvanic isolation.
  • the controller may also be readily implemented in all actively switched voltage transformer topologies, such as hard-switching, soft-switching or resonant-switching voltage transformer topologies, with active (synchronous) rectification.
  • the control device can be designed to control the at least one rectifying element with a time delay to the switching unit.
  • a time offset between, for example, the switching times of the switching unit and the rectifying element ensures that an actuation of the switching unit does not provide optimal control of the rectifying element. can affect, so that the operation of the voltage converter is not adversely affected.
  • the time offset can be a dead time.
  • a time offset between a driving of the switching unit and a driving of the at least one rectifying element may be a time-fixed time offset. This allows a particularly simple control of the rectifying element, since a once predetermined control signal during the entire operation of the voltage converter does not need to be changed in order to achieve optimum control of the at least one rectifying element.
  • a time offset between a driving of the switching unit and a driving of the at least one rectifying element may be a time-variable time offset depending on a characteristic of the voltage converter. This measure offers a possibility of readjusting the rectifier element if a parameter of the voltage converter changes.
  • a parameter may be selected from a group consisting of an input voltage of the voltage converter, an input current of the voltage converter, an output voltage of the voltage converter, an output current of the voltage converter and a
  • Duty cycles of the at least one rectifying element to be selected.
  • These parameters represent typical values of the voltage converter which are easily detectable and thus available as control parameters for controlling the at least rectifying element.
  • the control device may comprise an element for generating a control of the switching unit and an element for generating a control of the at least one rectifying element. point.
  • This structurally very simple embodiment of the control device can generate a control signal for the switching unit and a time-offset control signal for the at least one rectifying element.
  • the element for generating an activation of the at least one rectification element can be based on digital and / or use information about the actuation of the switching unit in order to provide the drive of the at least one rectification element.
  • the element for generating a control of the switching unit and / or the element for generating a control of the at least one rectifying element can be designed based on digital.
  • the rectification unit may have at least one further rectifying element, wherein the control device is designed to control the at least one further rectifying element independently of the switching unit.
  • Voltage transformers can have a rectification unit with a plurality of rectifier elements, for example semiconductor switches. Actuation of the at least one and the at least one further rectifying element, independently of a triggering of the switching unit, causes both rectifying elements to switch to an optimum time. This can significantly increase the efficiency of the voltage converter.
  • the control device can be designed to control the at least one further rectifying element independently of the at least one rectifying element. As a result, the efficiency of the voltage converter is increased because each rectifying element can be optimally controlled.
  • control device may additionally or alternatively be connected to a Characteristic of the voltage converter to use information about a control of the at least one rectifying element.
  • FIG. 1 shows a voltage converter in the low setting position with a control device according to a first exemplary embodiment.
  • FIG. 2 shows time profiles of voltages and currents of a transformer unit and of rectifier elements of the voltage converter in FIG. 1 in an operation of the control device.
  • FIG. 3 shows the control device in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows time profiles of voltages of switching elements and the rectification elements of the voltage converter in FIG. 1.
  • FIG. 5 shows a further voltage converter with a control device according to a second exemplary embodiment.
  • FIG. 6 shows time profiles of voltages of a switching and rectifying element of the voltage converter in FIG. 5 in an operation of the control device.
  • FIG. 7 shows further time profiles of voltages of the switching and rectifying element of the voltage converter in FIG. 5 in a further operation of the control device.
  • FIG. 1 shows a voltage converter 10 with a switching unit 12, a transformer unit 14 and a rectifying unit 16.
  • the switching unit 12 has four switching elements 18-24 in full-bridge topology, which are designed as field-effect transistors.
  • Rectifying unit 16 are also formed as field effect transistors. Usually, the timing of the rectification elements 26, 28 connected via a logical link with the timing of the switching elements 18-24. A time profile of voltages and currents of the rectification elements 26, 28 thus results from the temporal
  • Fig. 2 transmits the transformer unit 14 at a drive (push-pull, Phaseshift, etc.) of the switching elements 18-24 an AC voltage 30 and a
  • the rectifying elements 26, 28 are driven so that shown in Fig. 2 temporal courses of gate voltages 34a, b and currents 36a, b of the rectifying elements 26, 28.
  • the voltage converter 10 has time periods t 2 ⁇ t ⁇ t 3 and t 5 ⁇ t ⁇ t ⁇ current peaks of the rectifying elements 26, 28, which indicate short circuits of the voltage converter 10 during these time periods. Thereby, the semiconductor rectifying elements 26, 28 and in addition the semiconductor switching elements 18-24 and the windings of the transformer unit 14 are excessively stressed and the efficiency of the voltage converter 10 is reduced.
  • the voltage converter 10 has a control device 38 which has an element 40 for generating a control of the switching unit 12, in this case of control signals for the switching elements 18-24, as well as an electric motor.
  • ment 42 for generating a control of the rectifying elements 26, 28, here a time offset of the control signals for the rectifying elements 26, 28 with respect to the control signals for the formwork elements 18-24, has (Fig. 1, 3).
  • FIG. 4 shows the time profile of the voltages 44a-d of the switching elements 18-24, which result from the activation by the element 40.
  • the control signals generated by the element 40 cause switching of the switching elements 18-24 in the voltage zero crossing.
  • the control signals for the switching elements 18-24 are selected such that a fixed time offset T AB or T CD between the switch-on and switch-off of the switching elements 18, 20 and 22, 24 result.
  • the voltages 44a, b and 44c, d of the switching elements 18, 20 and 22, 24 are shifted in time according to each other.
  • a signal with information about the control signals for the switching elements 18-24 is transmitted to the element 42 for generating the time offset of the drive signals for the rectifier elements 26, 28, so that the element 42 generate such drive signals for the rectifier elements 26, 28 can be that the voltages 46a, b of the rectifying elements 26, 28 are offset by T 0n and T off with respect to the voltages 44a-d of the switching elements 18-24 and the transformer unit 14, respectively.
  • the time offset T 0n and T off is a fixed, predetermined value that is manually selected based on the circuit topology of the voltage converter 10.
  • the value of the time offset T 0n and T off can also be determined from a voltage and current pattern of the components of the voltage converter 10 or from an input and output voltage V H v and V LV in an earlier operation of the voltage converter 10.
  • FIG. 5 shows a further voltage converter 10 in the step-down position, which has no galvanic insulation, so that a switching unit 12 is connected directly to a rectification unit 16.
  • Switching unit 12 and a rectifying element 26 of the rectifying unit 16 are formed as a MOSFET.
  • a control device 38 of the voltage converter 10 has an element 40 for generating a control of the switching element 18, as well as an element 42 for generating a control of the rectifying element 26.
  • the elements 40, 42 work digitally based.
  • the control signals for the switching element 18 cause such a switching of the switching unit 12, that results in a voltage waveform 44 of the switching element 18 shown in FIG. 6.
  • the element 42 generates for the rectification element 26 such a clock signal that a voltage curve 34 of the rectification element 26 is displaced by a fixed time offset T 0n , T off to the voltage curve 44 of the switching element 18.
  • these time offsets (dead times) T 0n , T off are fixed values for switching the rectification element 26 on and off.
  • these values are T 0n , T off for the switch-on and switch-off times of the switching element 18 and the rectifying element 26 the same.
  • the element 42 can control the rectification element 26 in such a way that switching on and off of the switching element 18 and of the switching element 18 switched on and off by time-variable values T 0n , T off
  • Rectifying element 28 takes place (FIG. 7).
  • T 0n and T off are different in length.
  • the time offsets (dead times) T 0n and T off can be determined depending on the power, so that they are determined for example by an output current of the voltage converter 10, an input or output voltage of the voltage converter 10 or a duty cycle of the switching element 18 or the rectifying element 26.
  • the separate time-digital displacement of the control signals for the rectifying element 26 causes an intrinsic diode of the rectifying element 26 to participate only minimally in the rectification in the voltage converter 10.

Abstract

The invention relates to a control device (38) for controlling at least one rectifier element (26, 28) of a voltage converter (10), the voltage converter (10) comprising a control unit (12) and a rectifier unit (16) having the at least one rectifier element (26, 28). Said control device is designed to control the at least one rectifier element (26, 28) independently from the control unit (12).

Description

Beschreibungdescription
Steuervorrichtung zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines SpannungswandlersControl device for controlling at least one rectifying element of a voltage converter
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers.The invention relates to a control device for controlling at least one rectifying element of a voltage converter.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug.The invention further relates to a vehicle.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers.The invention further relates to a method for controlling at least one rectifying element of a voltage converter.
Die Erfindung betrifft ferner ein computerlesbares Speicher- medium.The invention further relates to a computer-readable storage medium.
Die Erfindung betrifft ferner ein Programmelement zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers.The invention further relates to a program element for controlling at least one rectifying element of a voltage converter.
Spannungswandler können mit einer galvanischen Isolation oder ohne galvanische Isolation ausgebildet sein. Üblicherweise weist ein Spannungswandler mit einer galvanischen Isolation eine Schalteinheit mit Schaltelementen, eine Transformatoreinheit zum Transformieren einer Spannung der Schalteinheit und eine nachgeschaltete Gleichrichteinheit mit zumindest einem Gleichrichtelement auf. Eine Eingangsgleichspannung des Spannungswandlers wird über die Schaltelemente der Schalteinheit in eine Wechselspannung umgewandelt. Die erzeugte Wechselspannung wird über die Transformatoreinheit an die Gleich- richteinheit übermittelt, die die transformierte Wechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung umwandelt, deren Größe von einer Größe der Eingangsspannung verschieden ist. Spannungswandler ohne galvanische Isolation weisen eine Schalteinheit mit einem Schaltelement und eine nachgeschaltete Gleichrichteinheit mit einem Gleichrichtelement auf. Eine Eingangsgleichspannung einer bestimmten Größe wird mittels des Schaltelements und des Gleichrichtelements in eine Ausgangsgleichspannung anderer Größe umgewandelt.Voltage transformers can be designed with galvanic isolation or without galvanic isolation. Typically, a voltage converter with a galvanic isolation on a switching unit with switching elements, a transformer unit for transforming a voltage of the switching unit and a downstream rectifying unit with at least one rectifying element. An input DC voltage of the voltage converter is converted via the switching elements of the switching unit into an AC voltage. The generated AC voltage is transmitted via the transformer unit to the rectifier unit, which converts the transformed AC voltage into a DC output voltage whose magnitude is different from a magnitude of the input voltage. Voltage transformers without galvanic isolation have a switching unit with a switching element and a downstream Rectifying unit with a rectifying element on. An input DC voltage of a certain size is converted into a DC output voltage of a different size by means of the switching element and the rectification element.
Wird der Spannungswandler in TiefSetzstellung betrieben, wird die Ausgangsspannung bezüglich der Eingangsspannung verkleinert. In einem Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers wird die Eingangsspannung des Spannungswandlers in eine größere Aus- gangsspannung umgewandelt.If the voltage converter is operated in the low setting position, the output voltage is reduced with respect to the input voltage. In a step-up operation of the voltage converter, the input voltage of the voltage converter is converted into a larger output voltage.
Ein Schaltelement der Schalteinheit und/oder ein Gleichrichtelement der Gleichrichteinheit sind üblicherweise als Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs (Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistoren) oder IGBTs (Bipolar-A switching element of the switching unit and / or a rectifying element of the rectifying unit are usually used as semiconductor switches, for example MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors) or IGBTs (bipolar transistors).
Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode), ausgebildet.Insulated gate transistors).
Um einen Wirkungsgrad des Spannungswandlers zu steigern, ist es allgemein bekannt, das Schaltelement der Schalteinheit durch Schalten im Spannungsnulldurchgang („zero voltage swit- ching", ZVS) oder durch Schalten im Stromnulldurchgang („zero current switching", ZCS) zu betreiben. Bei diesen beiden Techniken wird das Schaltelement derart angesteuert, dass es jeweils zum Zeitpunkt des Spannungs- bzw. Stromnulldurchgangs ein- bzw. ausgeschaltet wird. Eine durch diese Techniken induzierte Verschiebung von Schaltzeitpunkten des Schaltelements überträgt sich auf Schaltzeitpunkte des Gleichrichtelements, da eine Ansteuerung des Schaltelements üblicherweise durch eine logische Verknüpfung mit einer Ansteuerung des Gleichrichtelements verbunden ist. Diese Verknüpfung kann beispielsweise bewirken, dass das Gleichrichtelement zu einem ungünstigen bzw. falschen Zeitpunkt ein- bzw. ausgeschaltet wird, so dass Kurzschlüsse in dem Spannungswandler und/oder eine hohe Beanspruchung des Halbleitergleichrichtelements auftreten können.To increase the efficiency of the voltage converter, it is well known to operate the switching element of the switching unit by zero voltage switching (ZVS) or zero current switching (ZCS) switching. In these two techniques, the switching element is driven so that it is switched on or off at the time of voltage or current zero crossing. A shift in switching times of the switching element induced by these techniques is transferred to switching times of the rectification element, since a drive of the switching element is usually connected by a logic operation to a drive of the rectification element. This linkage can, for example, cause the rectification element to be switched on or off at an unfavorable or incorrect time, so that short circuits in the voltage converter and / or high stress of the semiconductor rectification element may occur.
Aus US 7,443,142 B2 ist ein elektrisches System für ein Fahr- zeug bekannt, das eine Batterie und einen Generator zum Erzeugen von Strom und eine Gleichrichteinheit mit mehreren Gleichrichtelementen aufweist. Die Gleichrichtelemente sind durch einen Mikroprozessor ansteuerbar, der eine Ausgangsspannung sowie einen Ausgangsstrom des elektrischen Systems als Messparameter verwendet.US Pat. No. 7,443,142 B2 discloses an electrical system for a vehicle which has a battery and a generator for generating electricity and a rectification unit with a plurality of rectifying elements. The rectifier elements can be controlled by a microprocessor which uses an output voltage and an output current of the electrical system as measurement parameters.
Das bekannte elektrische System ist kein Spannungswandler mit einer Schalteinheit.The known electrical system is not a voltage converter with a switching unit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ansteuern eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers auf möglichst einfache Weise bereitzustellen.The invention has for its object to provide a driving a rectifying element of a voltage converter in the simplest possible way.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa- tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben .This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Steuervor- richtung zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers bereitgestellt, wobei der Spannungswandler eine Schalteinheit und eine Gleichrichteinheit mit dem zumindest einen Gleichrichtelement aufweist, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, das zumindest eine Gleichrichtelement unabhängig von der Schalteinheit anzusteuern .According to a first aspect of the invention, a control device is provided for controlling at least one rectifying element of a voltage converter, wherein the voltage converter has a switching unit and a rectifying unit with the at least one rectifying element, wherein the control device is designed to separate the at least one rectifying element independently of the switching unit head for .
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das eine solche Steuervorrichtung zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers des Fahrzeugs aufweist.According to another aspect of the invention, there is provided a vehicle including such a control device has at least one rectifying element of a voltage converter of the vehicle.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Ver- fahren zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers bereitgestellt, wobei der Spannungswandler eine Schalteinheit und eine Gleichrichteinheit mit dem zumindest einen Gleichrichtelement aufweist, wobei das zumindest eine Gleichrichtelement unabhängig von der Schalteinheit an- gesteuert wird.According to yet another aspect of the invention, there is provided a method of controlling at least one rectifying element of a voltage converter, the voltage converter comprising a switching unit and a rectifying unit having the at least one rectifying element, the at least one rectifying element being controlled independently of the switching unit.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, in dem ein Programm zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers gespeichert ist, das, wenn es von einemAccording to yet another aspect of the invention, there is provided a computer-readable storage medium having stored thereon a program for controlling at least one rectifying element of a voltage converter which, when supplied from a
Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers eingerichtet ist.Processor is executed, for performing the method for controlling at least one rectifying element of a voltage converter is set up.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Programmelement zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Spannungswandlers bereitgestellt, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements eines Span- nungswandlers eingerichtet ist.In accordance with yet another aspect of the invention, there is provided a program element for controlling at least one rectifying element of a voltage converter which, when executed by a processor, is adapted to perform the method of controlling at least one rectifying element of a voltage converter.
Das Fahrzeug, das Verfahren, das computerlesbare Speichermedium und das Programmelement gemäß den weiteren Aspekten der Erfindung können die gleichen Wirkungen und Vorteile wie die Steuervorrichtung gemäß dem einen Aspekt der Erfindung aufweisen .The vehicle, the method, the computer-readable storage medium, and the program element according to the further aspects of the invention may have the same effects and advantages as the control device according to the one aspect of the invention.
Die Steuervorrichtung kann dazu ausgelegt sein, die Schalteinheit, beispielsweise zumindest ein Schaltelement der Schalteinheit, und das zumindest eine Gleichrichtelement der Gleichrichteinheit anzusteuern.The control device may be adapted to the switching unit, for example at least one switching element of Switching unit, and to drive the at least one rectifying element of the rectifying unit.
Die Steuervorrichtung kann dazu ausgelegt sein, das zumindest eine Gleichrichtelement der Gleichrichteinheit, nicht aber die Schalteinheit anzusteuern.The control device may be designed to control the at least one rectifying element of the rectifying unit, but not the switching unit.
Unter einem „Ansteuern des zumindest einen Gleichrichtelements" ist zu verstehen, dass die Steuervorrichtung ein Steu- ersignal zum Ein- und/oder Ausschalten des Gleichrichtelements erzeugt, das dem Gleichrichtelement zugeführt wird. Die Steuervorrichtung kann die Zeitpunkte bestimmen, zu denen das Gleichrichtelement schaltet.A "driving of the at least one rectifying element" is understood to mean that the control device generates a control signal for switching the rectification element on and / or off, which is supplied to the rectifying element.
Unter einem von der Schalteinheit, beispielsweise von zumindest einem Schaltelement der Schalteinheit, „unabhängigen" Ansteuern des Gleichrichtelements ist zu verstehen, dass die Steuervorrichtung ein solches Steuersignal für das zumindest eine Gleichrichtelement erzeugt, dass die Schaltzeitpunkte des Gleichrichtelements der Gleichrichteinheit nicht mit den Schaltzeitpunkten der Schalteinheit gekoppelt sind.One of the switching unit, for example of at least one switching element of the switching unit, "independent" driving the rectifying element is to be understood that the control device generates such a control signal for the at least one rectifying element that the switching times of the rectifying element of the rectifying unit not with the switching times of the switching unit are coupled.
Die Möglichkeit, das Gleichrichtelement unabhängig von der Schalteinheit anzusteuern, bewirkt eine Wirkungsgraderhöhung des Spannungswandlers, da ein zeitlich ungünstiges bzw. falsches Schalten des Gleichrichtelements aufgrund einer Verknüpfung der Steuersignale der Schalteinheit und des Gleichrichtelements vermieden wird, das zu Leitungsverlusten führen könnte .The ability to control the rectifying element independently of the switching unit causes an increase in the efficiency of the voltage converter, since a time unfavorable or incorrect switching of the rectifying element is avoided due to a combination of the control signals of the switching unit and the rectifying element, which could lead to line losses.
Darüber hinaus wird eine Materialbeanspruchung des beispielsweise auf einem Halbleitermaterial basierenden Gleichrichtelements bei dessen ungünstigen bzw. falschen Schalten vermieden, so dass die Lebensdauer des Gleichrichtelements er- höht wird. In diesem Sinne verringern sich ebenfalls die Kosten für einen Austausch einzelner Bauteile bzw. die Gesamtkosten eines Systems, in dem der Spannungswandler integrierbar ist.In addition, a material stress of the rectifying element, which is based for example on a semiconductor material, is avoided in the case of its unfavorable or false switching, so that the life of the rectifying element is achieved. is increased. In this sense, also reduce the cost of replacing individual components or the total cost of a system in which the voltage converter is integrated.
Die Steuervorrichtung ermöglicht ferner eine hohe Flexibilität bei der Einstellung der Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements, da die Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements unabhängig von der Ansteuerung der Schalteinheit einstellbar ist.The control device also allows a high degree of flexibility in the setting of the control of the at least one rectifying element, since the control of the at least one rectifying element is adjustable independently of the control of the switching unit.
Der Spannungswandler ist ferner konstruktiv sehr einfach ausgebildet, da Signalverarbeitungselemente entfallen, die üblicherweise eine logische Verknüpfung der Schaltsignale der Schalteinheit mit denen des Gleichrichtelements der Gleichrichteinheit gewährleisten.The voltage converter is also structurally very simple, since signal processing elements omitted, which usually ensure a logical connection of the switching signals of the switching unit with those of the rectifying element of the rectification unit.
Der Spannungswandler ist vielseitig einsetzbar, da der Spannungswandler beispielsweise mit oder ohne galvanische Isola- tion ausgebildet sein kann.The voltage converter can be used in many ways, since the voltage converter can be designed, for example, with or without galvanic isolation.
Die Steuervorrichtung kann ferner einfach in allen aktiv geschalteten Spannungswandlertopologien, beispielsweise hart schaltenden, soft schaltenden oder resonant schaltenden Span- nungswandlertopologien, mit einer aktiven (synchronen) Gleichrichtung implementiert werden.The controller may also be readily implemented in all actively switched voltage transformer topologies, such as hard-switching, soft-switching or resonant-switching voltage transformer topologies, with active (synchronous) rectification.
Die Steuervorrichtung kann dazu ausgelegt sein, das zumindest eine Gleichrichtelement zeitversetzt zur Schalteinheit anzu- steuern. Ein solcher Zeitversatz zwischen beispielsweise den Schaltzeitpunkten der Schalteinheit und des Gleichrichtelements gewährleistet, dass eine Ansteuerung der Schalteinheit nicht eine optimale Ansteuerung des Gleichrichtelements be- einträchtigen kann, so dass die Funktionsweise des Spannungswandlers nicht nachteilig beeinträchtigt ist.The control device can be designed to control the at least one rectifying element with a time delay to the switching unit. Such a time offset between, for example, the switching times of the switching unit and the rectifying element ensures that an actuation of the switching unit does not provide optimal control of the rectifying element. can affect, so that the operation of the voltage converter is not adversely affected.
Der Zeitversatz kann eine Totzeit sein.The time offset can be a dead time.
Ein Zeitversatz zwischen einem Ansteuern der Schalteinheit und einem Ansteuern des zumindest einen Gleichrichtelements kann ein zeitlich fester Zeitversatz sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ansteuerung des Gleichrichtelements, da ein einmal vorgegebenes Steuersignal während des gesamten Betriebs des Spannungswandlers nicht verändert werden muss, um eine optimale Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements zu erreichen.A time offset between a driving of the switching unit and a driving of the at least one rectifying element may be a time-fixed time offset. This allows a particularly simple control of the rectifying element, since a once predetermined control signal during the entire operation of the voltage converter does not need to be changed in order to achieve optimum control of the at least one rectifying element.
Ein Zeitversatz zwischen einem Ansteuern der Schalteinheit und einem Ansteuern des zumindest einen Gleichrichtelements kann ein zeitlich variabler Zeitversatz in Abhängigkeit einer Kenngröße des Spannungswandlers sein. Diese Maßnahme bietet eine Möglichkeit einer Nachsteuerung des Gleichrichtelements, falls sich ein Parameter des Spannungswandlers ändert.A time offset between a driving of the switching unit and a driving of the at least one rectifying element may be a time-variable time offset depending on a characteristic of the voltage converter. This measure offers a possibility of readjusting the rectifier element if a parameter of the voltage converter changes.
Eine Kenngröße kann aus einer Gruppe bestehend aus einer Eingangsspannung des Spannungswandlers, einem Eingangsstrom des Spannungswandlers, einer Ausgangsspannung des Spannungswand- lers, einem Ausgangsstrom des Spannungswandlers und einesA parameter may be selected from a group consisting of an input voltage of the voltage converter, an input current of the voltage converter, an output voltage of the voltage converter, an output current of the voltage converter and a
Tastgrads des zumindest einen Gleichrichtelements ausgewählt sein. Diese Kenngrößen stellen typische Werte des Spannungswandlers dar, die leicht erfassbar sind und somit als Steuerparameter für die Ansteuerung des zumindest Gleichrichtele- ments zur Verfügung stehen.Duty cycles of the at least one rectifying element to be selected. These parameters represent typical values of the voltage converter which are easily detectable and thus available as control parameters for controlling the at least rectifying element.
Die Steuervorrichtung kann ein Element zum Erzeugen einer Ansteuerung der Schalteinheit und ein Element zum Erzeugen einer Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements auf- weisen. Diese konstruktiv sehr einfache Ausgestaltung der Steuervorrichtung kann ein Steuersignal für die Schalteinheit und ein zeitlich versetztes Steuersignal für das zumindest eine Gleichrichtelement erzeugen. Das Element zum Erzeugen einer Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements kann digital basiert sein und/oder eine Information über die Ansteuerung der Schalteinheit verwenden, um die Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements bereitzustellen.The control device may comprise an element for generating a control of the switching unit and an element for generating a control of the at least one rectifying element. point. This structurally very simple embodiment of the control device can generate a control signal for the switching unit and a time-offset control signal for the at least one rectifying element. The element for generating an activation of the at least one rectification element can be based on digital and / or use information about the actuation of the switching unit in order to provide the drive of the at least one rectification element.
Das Element zum Erzeugen einer Ansteuerung der Schalteinheit und/oder das Element zum Erzeugen einer Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements können digital basiert ausgestaltet sein.The element for generating a control of the switching unit and / or the element for generating a control of the at least one rectifying element can be designed based on digital.
Die Gleichrichteinheit kann zumindest ein weiteres Gleichrichtelement aufweisen, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, das zumindest weitere Gleichrichtelement unabhängig von der Schalteinheit anzusteuern. Spannungswandler können eine Gleichrichteinheit mit mehreren Gleichrichtelemen- ten, beispielsweise Halbleiterschaltern, aufweisen. Eine Ansteuerung des zumindest einen und des zumindest weiteren Gleichrichtelements unabhängig von einer Ansteuerung der Schalteinheit bewirkt, dass beide Gleichrichtelemente zu einem optimalen Zeitpunkt schalten. Hierdurch kann der Wir- kungsgrad des Spannungswandlers signifikant erhöht werden.The rectification unit may have at least one further rectifying element, wherein the control device is designed to control the at least one further rectifying element independently of the switching unit. Voltage transformers can have a rectification unit with a plurality of rectifier elements, for example semiconductor switches. Actuation of the at least one and the at least one further rectifying element, independently of a triggering of the switching unit, causes both rectifying elements to switch to an optimum time. This can significantly increase the efficiency of the voltage converter.
Die Steuervorrichtung kann dazu ausgelegt sein, das zumindest weitere Gleichrichtelement unabhängig von dem zumindest einen Gleichrichtelement anzusteuern. Hierdurch wird der Wirkungs- grad des Spannungswandlers erhöht, da jedes Gleichrichtelement optimal angesteuert werden kann.The control device can be designed to control the at least one further rectifying element independently of the at least one rectifying element. As a result, the efficiency of the voltage converter is increased because each rectifying element can be optimally controlled.
Um das zumindest weitere Gleichrichtelement anzusteuern, kann die Steuervorrichtung zusätzlich oder alternativ zu einer Kenngröße des Spannungswandlers eine Information über eine Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements verwenden .In order to control the at least one further rectifying element, the control device may additionally or alternatively be connected to a Characteristic of the voltage converter to use information about a control of the at least one rectifying element.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrie- ben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unter- schiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.It should be noted that embodiments of the invention have been described with reference to different subject matters. In particular, some embodiments of the invention are described with apparatus claims and other embodiments of the invention with method claims. However, it will be readily apparent to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, in addition to a combination of features belonging to a type of subject matter, any combination of features is possible to differentiate Types of inventions include.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.Further advantages and features of the present invention will become apparent from the following exemplary description of presently preferred embodiments. The individual figures of the drawing of this application are merely to be regarded as schematic and not to scale.
Fig. 1 zeigt einen Spannungswandler in TiefSetzstellung mit einer Steuervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbei- spiel.1 shows a voltage converter in the low setting position with a control device according to a first exemplary embodiment.
Fig. 2 zeigt zeitliche Verläufe von Spannungen und Strömen einer Transformatoreinheit und von Gleichrichtelementen des Spannungswandlers in Fig. 1 in einem Betrieb der Steuervor- richtung.FIG. 2 shows time profiles of voltages and currents of a transformer unit and of rectifier elements of the voltage converter in FIG. 1 in an operation of the control device.
Fig. 3 zeigt die Steuervorrichtung in Fig. 1. Fig. 4 zeigt zeitliche Verläufe von Spannungen von Schaltelementen und den Gleichrichtelementen des Spannungswandlers in Fig. 1.3 shows the control device in FIG. 1. FIG. 4 shows time profiles of voltages of switching elements and the rectification elements of the voltage converter in FIG. 1.
Fig. 5 zeigt einen weiteren Spannungswandler mit einer Steuervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.5 shows a further voltage converter with a control device according to a second exemplary embodiment.
Fig. 6 zeigt zeitliche Verläufe von Spannungen eines Schalt- und Gleichrichtelements des Spannungswandlers in Fig. 5 in einem Betrieb der Steuervorrichtung.FIG. 6 shows time profiles of voltages of a switching and rectifying element of the voltage converter in FIG. 5 in an operation of the control device.
Fig. 7 zeigt weitere zeitliche Verläufe von Spannungen des Schalt- und Gleichrichtelements des Spannungswandlers in Fig, 5 in einem weiteren Betrieb der Steuervorrichtung.FIG. 7 shows further time profiles of voltages of the switching and rectifying element of the voltage converter in FIG. 5 in a further operation of the control device.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten des Ausführungsbeispiels nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand eines vorher beschriebenen Ausführungsbeispiels erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.It should be noted that features or components of different embodiments that are the same or at least functionally identical with the corresponding features or components of the embodiment, are provided with the same reference numerals. In order to avoid unnecessary repetitions, features or components already explained on the basis of a previously described exemplary embodiment will not be explained in detail later.
Fig. 1 zeigt einen Spannungswandler 10 mit einer Schalteinheit 12, einer Transformatoreinheit 14 und einer Gleichrichteinheit 16. Die Schalteinheit 12 weist vier Schaltelemente 18-24 in Vollbrückentopologie auf, die als Feldeffekttransis- toren ausgebildet sind. Zwei Gleichrichtelemente 26, 28 der1 shows a voltage converter 10 with a switching unit 12, a transformer unit 14 and a rectifying unit 16. The switching unit 12 has four switching elements 18-24 in full-bridge topology, which are designed as field-effect transistors. Two rectifying elements 26, 28 of
Gleichrichteinheit 16 sind ebenfalls als Feldeffekttransistoren ausgebildet. Üblicherweise ist die zeitliche Ansteuerung der Gleichrichtelemente 26, 28 über eine logische Verknüpfung mit der zeitlichen Ansteuerung der Schaltelemente 18-24 verbunden. Ein zeitlicher Verlauf von Spannungen und Strömen der Gleich- richtelemente 26, 28 ergibt sich somit aus dem zeitlichenRectifying unit 16 are also formed as field effect transistors. Usually, the timing of the rectification elements 26, 28 connected via a logical link with the timing of the switching elements 18-24. A time profile of voltages and currents of the rectification elements 26, 28 thus results from the temporal
Verlauf von Spannungen und Strömen der Schaltelemente 18-24, die mittels der Transformatoreinheit 16 an die Gleichrichtelemente 26, 28 übertragen werden. Um in der Schalteinheit 12 keine bzw. geringe Schaltverlustverluste zu erzeugen, sind die Schaltelemente 18-24 in ihrem jeweiligen Spanungsnull- durchgang (ZVS) geschaltet.Course of voltages and currents of the switching elements 18-24, which are transmitted by means of the transformer unit 16 to the rectifying elements 26, 28. In order to produce no or low switching loss losses in the switching unit 12, the switching elements 18-24 are connected in their respective voltage zero crossing (ZVS).
Wie in Fig. 2 dargestellt, überträgt die Transformatoreinheit 14 bei einer Ansteuerung (Gegentakt, Phaseshift etc.) der Schaltelemente 18-24 eine Wechselspannung 30 sowie einenAs shown in Fig. 2, transmits the transformer unit 14 at a drive (push-pull, Phaseshift, etc.) of the switching elements 18-24 an AC voltage 30 and a
Wechselstrom 32. Um diese rechteckförmige Spannung 30 bzw. diesen Strom 32 bei gleichzeitiger Ansteuerung der Schaltelemente 18-24 gleichzurichten, werden die Gleichrichtelemente 26, 28 so angesteuert, dass sich in Fig. 2 gezeigten zeitli- che Verläufe von Gate-Spannungen 34a, b und Strömen 36a, b der Gleichrichtelemente 26, 28 ergeben. Der Spannungswandler 10 weist in Zeitbereichen t2 < t < t3 und t5 < t < tβ Stromspitzen der Gleichrichtelemente 26, 28 auf, die auf Kurzschlüsse des Spannungswandlers 10 während dieser Zeitbereiche hinweisen. Dadurch werden die Halbleitergleichrichtelemente 26, 28 und zusätzlich die Halbleiterschaltelemente 18-24 und die Wicklungen der Transformatoreinheit 14 übermäßig beansprucht und der Wirkungsgrad des Spannungswandlers 10 ist verringert .AC 32. In order to rectify this rectangular voltage 30 or this current 32 with simultaneous driving of the switching elements 18-24, the rectifying elements 26, 28 are driven so that shown in Fig. 2 temporal courses of gate voltages 34a, b and currents 36a, b of the rectifying elements 26, 28. The voltage converter 10 has time periods t 2 <t <t 3 and t 5 <t <tβ current peaks of the rectifying elements 26, 28, which indicate short circuits of the voltage converter 10 during these time periods. Thereby, the semiconductor rectifying elements 26, 28 and in addition the semiconductor switching elements 18-24 and the windings of the transformer unit 14 are excessively stressed and the efficiency of the voltage converter 10 is reduced.
Um diesen Kurzschlüssen zu begegnen, weist der Spannungswandler 10 eine Steuervorrichtung 38 auf, die ein Element 40 zum Erzeugen einer Ansteuerung der Schalteinheit 12, hier von Steuersignalen für die Schaltelemente 18-24, sowie ein EIe- ment 42 zum Erzeugen einer Ansteuerung der Gleichrichtelemente 26, 28, hier eines Zeitversatzes der Steuersignale für die Gleichrichtelemente 26, 28 bezüglich der Steuersignale für die Schalelemente 18-24, aufweist (Fig. 1, 3) .In order to counteract these short circuits, the voltage converter 10 has a control device 38 which has an element 40 for generating a control of the switching unit 12, in this case of control signals for the switching elements 18-24, as well as an electric motor. ment 42 for generating a control of the rectifying elements 26, 28, here a time offset of the control signals for the rectifying elements 26, 28 with respect to the control signals for the formwork elements 18-24, has (Fig. 1, 3).
Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen 44a-d der Schaltelemente 18-24, die sich durch die Ansteuerung durch das Element 40 ergeben. Die durch das Element 40 erzeugten Steuersignale bewirken ein Schalten der Schaltelemente 18-24 im Spannungsnulldurchgang. Hierbei sind die Steuersignale für die Schaltelemente 18-24 so gewählt, dass sich ein fester Zeitversatz TAB bzw. TCD zwischen den Ein- und Ausschaltzeitpunkten der Schaltelemente 18, 20 bzw. 22, 24 ergeben. Die Spannungen 44a, b bzw. 44c, d der Schaltelemente 18, 20 bzw. 22, 24 sind entsprechend zueinander zeitlich verschoben.4 shows the time profile of the voltages 44a-d of the switching elements 18-24, which result from the activation by the element 40. The control signals generated by the element 40 cause switching of the switching elements 18-24 in the voltage zero crossing. In this case, the control signals for the switching elements 18-24 are selected such that a fixed time offset T AB or T CD between the switch-on and switch-off of the switching elements 18, 20 and 22, 24 result. The voltages 44a, b and 44c, d of the switching elements 18, 20 and 22, 24 are shifted in time according to each other.
Ein Signal mit einer Information über die Steuersignale für die Schaltelemente 18-24 wird an das Element 42 zum Erzeugen des zeitlichen Versatzes der Ansteuersignale für die Gleich- richtelemente 26, 28 übermittelt, so dass das Element 42 solche Ansteuersignale für die Gleichrichtelemente 26, 28 erzeugen kann, dass die Spannungen 46a, b der Gleichrichtelemente 26, 28 jeweils um T0n bzw. Toff bezüglich der Spannungen 44a-d der Schaltelemente 18-24 und der Transformatoreinheit 14 ver- setzt sind.A signal with information about the control signals for the switching elements 18-24 is transmitted to the element 42 for generating the time offset of the drive signals for the rectifier elements 26, 28, so that the element 42 generate such drive signals for the rectifier elements 26, 28 can be that the voltages 46a, b of the rectifying elements 26, 28 are offset by T 0n and T off with respect to the voltages 44a-d of the switching elements 18-24 and the transformer unit 14, respectively.
Der zeitliche Versatz T0n und Toff ist ein fester, vorgegebener Wert, der basierend auf der Schaltungstopologie des Spannungswandlers 10 manuell gewählt wird. Der Wert des zeitli- chen Versatzes T0n und Toff kann auch aus einem Spannungs- und Strommuster der Bauteile des Spannungswandlers 10 oder aus einer Eingangs- und Ausgangsspannung VHv und VLV in einem zeitlich früheren Betrieb des Spannungswandlers 10 ermittelt werden . In Fig. 5 ist ein weiterer Spannungswandler 10 in Tiefsetzstellung dargestellt, der keine galvanische Isolation aufweist, so dass eine Schalteinheit 12 direkt mit einer Gleich- richteinheit 16 verbunden ist. Ein Schaltelement 18 derThe time offset T 0n and T off is a fixed, predetermined value that is manually selected based on the circuit topology of the voltage converter 10. The value of the time offset T 0n and T off can also be determined from a voltage and current pattern of the components of the voltage converter 10 or from an input and output voltage V H v and V LV in an earlier operation of the voltage converter 10. FIG. 5 shows a further voltage converter 10 in the step-down position, which has no galvanic insulation, so that a switching unit 12 is connected directly to a rectification unit 16. A switching element 18 of the
Schalteinheit 12 sowie ein Gleichrichtelement 26 der Gleichrichteinheit 16 sind als MOSTFET ausgebildet.Switching unit 12 and a rectifying element 26 of the rectifying unit 16 are formed as a MOSFET.
Eine Steuervorrichtung 38 des Spannungswandlers 10 weist ein Element 40 zum Erzeugen einer Ansteuerung des Schalelements 18, sowie ein Element 42 zum Erzeugen einer Ansteuerung des Gleichrichtelements 26 auf. Die Elemente 40, 42 arbeiten digital basiert.A control device 38 of the voltage converter 10 has an element 40 for generating a control of the switching element 18, as well as an element 42 for generating a control of the rectifying element 26. The elements 40, 42 work digitally based.
Die Ansteuersignale für das Schalelement 18 bewirken ein solches Schalten der Schalteinheit 12, dass sich ein in Fig. 6 dargestellter Spannungsverlauf 44 des Schaltelements 18 ergibt. Das Element 42 erzeugt für das Gleichrichtelement 26 ein solches Taktsignal, dass ein Spannungsverlauf 34 des Gleichrichtelements 26 um einen festen Zeitversatz T0n, Toff zu dem Spannungsverlauf 44 des Schaltelements 18 verschoben ist. Diese Zeitversätze (Totzeiten) T0n, Toff sind im Betrieb des Spannungswandlers 10 feste Werte für das Ein- und Ausschalten des Gleichrichtelements 26. Darüber hinaus sind die- se Werte T0n, Toff für die An- bzw. Ausschaltzeitpunkte des Schaltelements 18 und des Gleichrichtelements 26 gleich.The control signals for the switching element 18 cause such a switching of the switching unit 12, that results in a voltage waveform 44 of the switching element 18 shown in FIG. 6. The element 42 generates for the rectification element 26 such a clock signal that a voltage curve 34 of the rectification element 26 is displaced by a fixed time offset T 0n , T off to the voltage curve 44 of the switching element 18. During operation of the voltage converter 10, these time offsets (dead times) T 0n , T off are fixed values for switching the rectification element 26 on and off. Moreover, these values are T 0n , T off for the switch-on and switch-off times of the switching element 18 and the rectifying element 26 the same.
Alternativ kann das Element 42 das Gleichrichtelement 26 so ansteuern, dass ein um zeitlich variable Werte T0n, Toff ver- setztes Ein- und Ausschalten des Schaltelements 18 und desAlternatively, the element 42 can control the rectification element 26 in such a way that switching on and off of the switching element 18 and of the switching element 18 switched on and off by time-variable values T 0n , T off
Gleichrichtelements 28 stattfindet (Fig. 7) . In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind T0n und Toff unterschiedliche lang. Die Zeitversätze (Totzeiten) T0n bzw. Toff können leistungsabhängig bestimmt werden, so dass diese beispielsweise von einem Ausgangsstrom des Spannungswandlers 10, einer Ein- bzw. Ausgangsspannung des Spannungswandlers 10 oder einem Tastgrad des Schaltelements 18 oder des Gleichrichtelements 26 bestimmt werden.Rectifying element 28 takes place (FIG. 7). In the illustrated embodiment, T 0n and T off are different in length. The time offsets (dead times) T 0n and T off can be determined depending on the power, so that they are determined for example by an output current of the voltage converter 10, an input or output voltage of the voltage converter 10 or a duty cycle of the switching element 18 or the rectifying element 26.
Die gesonderte zeitliche digitale Verschiebung der Steuersignale für das Gleichrichtelement 26 bewirkt, dass eine intrin- sische Diode des Gleichrichtelements 26 nur minimal an der Gleichrichtung in dem Spannungswandler 10 beteiligt ist. The separate time-digital displacement of the control signals for the rectifying element 26 causes an intrinsic diode of the rectifying element 26 to participate only minimally in the rectification in the voltage converter 10.

Claims

Patentansprüche claims
1. Steuervorrichtung zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements (26, 28) eines Spannungswandlers (10), wo- bei der Spannungswandler (10) eine Schalteinheit (12) und eine Gleichrichteinheit (16) mit dem zumindest einen Gleichrichtelement (26, 28) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (38) dazu ausgelegt ist, das zumindest eine Gleichrichtelement (26, 28) unabhängig von der Schalt- einheit (12) anzusteuern.A control device for controlling at least one rectifying element (26, 28) of a voltage converter (10), wherein the voltage converter (10) has a switching unit (12) and a rectifying unit (16) with the at least one rectifying element (26, 28), wherein the control device (38) is designed to control the at least one rectifying element (26, 28) independently of the switching unit (12).
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (38) dazu ausgelegt ist, das zumindest eine Gleichrichtelement (26, 28) zeitversetzt zur Schalteinheit (12) anzusteuern.2. Control device according to claim 1, wherein the control device (38) is adapted to control the at least one rectifying element (26, 28) offset in time to the switching unit (12).
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Zeitversatz (T0n, Toff) zwischen einem Ansteuern der Schalteinheit (12) und einem Ansteuern des zu- mindest einen Gleichrichtelements (26, 28) ein zeitlich fester Zeitversatz ist.3. Control device according to claim 1 or 2, wherein a time offset (T 0n , T off ) between a driving of the switching unit (12) and a driving of the at least one rectifying element (26, 28) is a time-fixed time offset.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Zeitversatz (T0n, Toff) zwischen einem Ansteu- ern der Schalteinheit (12) und einem Ansteuern des zumindest einen Gleichrichtelements (26, 28) ein zeitlich variabler Zeitversatz in Abhängigkeit einer Kenngröße des Spannungswandlers (10) ist.4. Control device according to claim 1 or 2, wherein a time offset (T 0n , T off ) between a driving of the switching unit (12) and a driving of the at least one rectifying element (26, 28) a time-variable time offset depending on a characteristic of the Voltage converter (10) is.
5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kenngröße aus einer Gruppe bestehend aus einer Eingangsspannung (VHv) des Spannungswandlers (10), einem Eingangsstrom des Spannungswandlers (10), einer Ausgangsspannung (VLV) des Spannungswandlers (10), einem Ausgangsstroms des Spannungswandlers (10) und eines Tastgrads des zumindest einen Gleichrichtelements (26, 28) ausgewählt ist.5. Control device according to claim 4, wherein the characteristic variable from a group consisting of an input voltage (V H v) of the voltage converter (10), an input current of the voltage converter (10), an output voltage (V LV ) of the voltage converter (10), a Output current of the voltage converter (10) and a duty cycle of the at least one rectifying element (26, 28) is selected.
6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuervorrichtung (38) ein Element (40) zum Erzeugen einer Ansteuerung der Schalteinheit (12) und ein Element (42) zum Erzeugen einer Ansteuerung des zumindest einen Gleichrichtelements (26, 28) aufweist.6. Control device according to one of claims 1 to 5, wherein the control device (38) comprises a member (40) for generating a control of the switching unit (12) and an element (42) for generating a control of the at least one rectifying element (26, 28). having.
7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gleichrichteinheit (16) zumindest ein weiteres Gleichrichtelement (26, 28) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (38) dazu ausgelegt ist, das zumindest wei- tere Gleichrichtelement (26, 28) unabhängig von der Schalteinheit (12) anzusteuern.7. Control device according to one of claims 1 to 6, wherein the rectification unit (16) has at least one further rectifying element (26, 28), wherein the control device (38) is adapted to the at least further rectifying element (26, 28) independently to be controlled by the switching unit (12).
8. Steuervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung (38) dazu ausgelegt ist, das zumindest weitere Gleichrichtelement (26, 28) unabhängig von dem zumindest einen Gleichrichtelement (26, 28) anzusteuern .8. Control device according to claim 7, wherein the control device (38) is adapted to control the at least one further rectifying element (26, 28) independently of the at least one rectifying element (26, 28).
9. Fahrzeug, mit einer Steuervorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Steuern zumindest eines9. vehicle, with a control device (38) according to one of claims 1 to 8 for controlling at least one
Gleichrichtelements (26, 28) eines Spannungswandlers (10) des Fahrzeugs.Rectifying element (26, 28) of a voltage converter (10) of the vehicle.
10. Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei das Fahrzeug aus einer Gruppe bestehend aus einem Automobil, einem Personenkraftfahrzeug, einem Lastkraftfahrzeug, einem Bus, einem Zug, einem Luftfahrzeug und einem Schiff ausgewählt ist. 10. The vehicle of claim 9, wherein the vehicle is selected from the group consisting of an automobile, a passenger car, a truck, a bus, a train, an aircraft and a ship.
11. Verfahren zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements (26, 28) eines Spannungswandlers (10), wobei der Spannungswandler (10) eine Schalteinheit (12) und eine Gleichrichteinheit (16) mit dem zumindest einen Gleich- richtelement (26, 28) aufweist, wobei das zumindest eine Gleichrichtelement (26, 28) unabhängig von der Schalteinheit (12) angesteuert wird.11. A method for controlling at least one rectifying element of a voltage converter, wherein the voltage converter has a switching unit and a rectifying unit with the at least one rectification element, wherein the at least one rectifying element (26, 28) is controlled independently of the switching unit (12).
12. Computerlesbares Speichermedium, in dem ein Programm zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements (26, 28) eines Spannungswandlers (10) gespeichert ist, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 11 eingerichtet ist.A computer readable storage medium storing a program for controlling at least one rectifying element (26, 28) of a voltage converter (10) adapted to perform the method of claim 11 when executed by a processor.
13. Programmelement zum Steuern zumindest eines Gleichrichtelements (26, 28) eines Spannungswandlers (10), das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 11 eingerichtet ist. A program element for controlling at least one rectifying element (26, 28) of a voltage converter (10) adapted to perform the method of claim 11 when executed by a processor.
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