Gleichspannungswandler und Verfahren zu dessen Betrieb

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, der als ein so genannter Phase-Shifted-Full-Bridge-Wandler ausgebildet ist, d.h. als ein Vollbrücken-Gegentaktwandler mit phasenmodulierter Ansteuerung.

Ein derartiger Gleichspannungswandler weist vier zu einer Vollbrücke verschaltete Halbleiterschalter zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung, einen Transformator, an den primärseitig die Wechselspannung ange- legt wird, und einen Gleichrichter zum Gleichrichten der Sekundärspannung des Transformators auf. Die von dem Wechsel ^¬ richter erzeugte Wechselspannung nimmt abwechselnd während einer ersten Aktivphase ein oberes Spannungsniveau und wäh ^¬ rend einer zweiten Aktivphase ein unteres Spannungsniveau an. Zwischen zwei aufeinander folgenden Aktivphasen wird der

Transformator in einer Freilaufphase betrieben, in der der Transformator primärseitig kurzgeschlossen wird.

Neben den bekannten Vorteilen, insbesondere dem Nullspan- nungsschalten, hat ein derartiger Gleichspannungswandler auch Nachteile. Beispielsweise fließt während der Freilaufphasen primärseitig ein Freilaufström, der das Nullspannungsschalten ermöglichen soll. Der Betrag des FreilaufStroms , der zum Er ^¬ reichen des Nullspannungsschaltens erforderlich ist, steht in Abhängigkeit zur Eingangsgleichspannung. Der Betrag des Freilaufstroms, der sich letztlich einstellt, hängt jedoch vom Laststrom ab. Je nach Eingangsgleichspannung und Laststrom kann sich somit ein Freilaufström einstellen, dessen Betrag erheblich größer ist als es zum Erreichen des Nullspannungs- Schaltens erforderlich wäre. Dadurch wird der primärseitige Effektivstrom sehr groß, was beträchtliche Leitendverluste verursachen kann. Ebenso kann sich ein Freilaufström einstellen, der nicht ausreicht, um das Nullspannungsschalten zu ermöglichen, was erhebliche Schaltverluste verursachen kann. Ferner ergeben sekundärseitig die Streuinduktivitäten des Transformators und die parasitären Kapazitäten des Gleichrichters ein schwingfähiges System. Durch Rückströme im

Gleichrichter entsteht dadurch eine Schwingung, deren Ampli- tude je nach Aufbau des Gleichspannungswandlers weit über der transformierten Primärspannung liegen und die über eine gesamte Aktivphase anhalten kann.

US 2015/0214847 AI offenbart einen Gleichspannungswandler, bei dem zwischen Gleichstromanschlüssen eines Schaltkreises ein Glättungskondensator und eine Spannungsclampingschaltung angeschlossen sind. Die Spannungsclampingschaltung weist eine Schaltvorrichtung und einen Clampingkondensator auf. DE 10 2015 012 343 AI offenbart eine Gleichspannungswand- lungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, die dazu ausgelegt ist, eine von einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs bereitgestellte Eingangsgleichspannung in eine vorbe ^¬ stimmte Ausgangsgleichspannung für ein Bordnetz des Kraft- fahrzeugs umzuwandeln. Die Gleichspannungswandlungsvorrich- tung weist zum Erhöhen und/oder Glätten der Eingangsgleichspannung eine Impedanzquelle mit zwei Spulen und zwei Konden ^¬ satoren auf. EP 2 258 218 A2 offenbart eine Gleichstromversorgung mit ei ^¬ nem Resonanzkreis auf einer Sekundärseite eines Transforma ^¬ tors zur Unterdrückung einer Stoßspannung während der Leistungswiederherstellung von Dioden, die eine Gleichrichterschaltung bilden.

US 6 388 896 Bl offenbart einen Gleichspannungswandler mit einer Eingangsinduktionswicklung, einer Mittelinduktionswicklung und einer Ausgangsinduktionswicklung, die auf einem gemeinsamen Magnetkern angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Gleichspannungswandler, der als ein Phase-Shifted-Full- Bridge-Wandler ausgebildet ist, und ein Verfahren zu dessen Betreiben anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Gleichspan- nungswandlers durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hin ^¬ sichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler umfasst einen Wechselrichter, einen Transformator, einen Gleichrichter, eine Clampingbaugruppe und eine Steuereinheit. Der Wechselrich- ter weist vier zu einer Wechselrichter-Vollbrücke verschalte ^¬ te primäre Halbleiterschalter zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung auf. Der Transformator weist eine in dem Brückenzweig der Wechselrichter-Vollbrücke angeordnete Primärwicklung und eine Sekundärwicklung auf. Der Gleichrichter ist mit der Sekundärwicklung verbunden und zum Gleichrichten einer Sekundärspannung des Transformators ausgebildet. Die Clampingbaugruppe weist einen Zusatz-Halblei ^¬ terschalter und einen zu dem Zusatz-Halbleiterschalter in Reihe geschalteten Clampingkondensator auf. An der Clamping- baugruppe liegt die gleichgerichtete Sekundärspannung des

Transformators an. Die Steuereinheit ist zur Ansteuerung der primären Halbleiterschalter und des Zusatz-Halbleiterschalters ausgebildet. Die Formulierung, dass der Transformator eine in dem Brückenzweig der Wechselrichter-Vollbrücke angeordnete Primärwick ^¬ lung und eine Sekundärwicklung aufweist, ist dabei so zu ver ^¬ stehen, dass der Transformator wenigstens eine derartige Pri ^¬ märwicklung und wenigstens eine Sekundärwicklung aufweist, d.h. die Formulierung schließt nicht aus, dass der Transformator mehr als eine derartige Primärwicklung und/oder mehr als eine Sekundärwicklung aufweist. Entsprechend beziehen sich im Folgenden die auf die Primärwicklung und die Sekun- därwicklung bezogenen Formulierungen auf jede derartige Primärwicklung und jede Sekundärwicklung des Transformators.

Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler ist somit als ein so genannter Phase-Shifted-Full-Bridge-Wandler ausgebildet, der auf der Sekundärseite des Transformators eine

Clampingbaugruppe aufweist. Die Clampingbaugruppe ermöglicht einerseits eine Stellung eines Primärstroms, der während ei ^¬ ner Freilaufphase als ein primärer Freilaufström durch die Primärwicklung des Transformators fließt, und andererseits eine Klemmung der Sekundärspannung.

Dabei wird ausgenutzt, dass der primäre Freilaufström durch die Clampingbaugruppe beeinflusst werden kann, wenn der Zu ^¬ satz-Halbleiterschalter der Clampingbaugruppe nach dem Beginn jeder Freilaufphase abgeschaltet und nach dem Beginn jeder Aktivphase eingeschaltet wird. Dabei hängt die Höhe des pri ^¬ mären FreilaufStroms wesentlich von dem Zeitpunkt ab, zu dem der Zusatz-Halbleiterschalter nach dem Beginn einer Freilaufphase abgeschaltet wird. Über diesen Zeitpunkt kann somit der primäre Freilaufström gestellt werden, um vorteilhaft durch primäre Freilaufströme verursachte Leitendverluste der primä ^¬ ren Halbleiterschalter sowie der Primärwicklung zu reduzieren und den Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers zu erhöhen. Durch die Klemmung der Sekundärspannung mittels der

Clampingbaugruppe können ferner vorteilhaft Schwingungen der Sekundärspannung deutlich reduziert bzw. vermieden werden, wodurch der Aufbau des Gleichrichters optimiert werden kann, da dessen Komponenten nicht für Schwingungen der Sekundärspannung mit großen Amplituden ausgelegt werden müssen.

Eine Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers sieht vor, dass der Gleichrichter vier zu einer Gleichrichter-Vollbrücke verschaltete, von der Steuereinheit ansteuerbare sekundäre Halbleiterschalter aufweist, die Sekundärwicklung des Transformators in dem Brückenzweig der Gleichrichter-Vollbrücke angeordnet ist und die Clampingbaugruppe parallel zu der Gleichrichter-Vollbrücke geschaltet ist. Diese Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers sieht also einen aktiven Gleich ^¬ richter vor, der durch sekundäre Halbleiterschalter steuerbar ist. Die Ausbildung des Gleichrichters als ein aktiver

Gleichrichter ermöglicht vorteilhaft eine Optimierung der Leistung und des Wirkungsgrades des Gleichspannungswandlers durch eine geeignete Ansteuerung der sekundären Halbleiterschalter .

Eine weitere Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers sieht vor, dass der Gleichrichter ausgangsseitig ein LC-Filter mit einer Drossel und einem Filterkondensator aufweist. Das LC- Filter ermöglicht vorteilhaft eine Glättung der gleichgerichteten Sekundärspannung des Transformators, um eine möglichst konstante Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zu er- zielen.

Eine weitere Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers sieht vor, dass jeder primäre Halbleiterschalter und/oder jeder sekundäre Halbleiterschalter und/oder der Zusatz-Halbleiter- Schalter als ein Feldeffekttransistor, beispielsweise als ein MOSFET (= Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) , ausgebildet ist. Die Verwendung von Feldeffekttransistoren hat beispielsweise gegenüber der Verwendung von Bipolar- Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) den Vorteil relativ geringer Schaltverluste, insbesondere beim Abschalten der Halbleiterschalter.

Die Erfindung sieht vor, dass der Transformator ein Luftspalttransformator ist. Ein Luftspalttransformator ermöglicht gegenüber einem Transformator ohne Luftspalt eine höhere To ^¬ leranz gegenüber Asymmetrien in der Ansteuerung der primären Halbleiterschalter. Derartige Asymmetrien können bei einem Vollbrückenwandler nämlich dazu führen, dass die Primärspannung des Transformators einen Gleichanteil erhält. Ist der Gleichanteil groß genug, kann der Transformator in eine Sät ^¬ tigung geraten, die unbedingt zu vermeiden ist. Bei einem Luftspalttransformator ist der Sättigungsstrom viel höher als bei einem Transformator ohne Luftspalt. Um den Transformator in Sättigung zu bringen, muss der Primärstrom bei einem Luftspalttransformator daher einen deutlich größeren Gleichanteil aufweisen als bei einem Transformator ohne Luftspalt. Diesem Gleichanteil stehen aber die ohmschen Widerstände des Luft ^¬ transformators selbst, der Leiterbahnen auf der Platine und der primären Halbleiterschalter entgegen. Daher weist ein Gleichspannungswandler mit einem Luftspalttransformator eine höhere Toleranz gegen Asymmetrien in der Ansteuerung der primären Halbleiterschalter auf als ein Gleichspannungswandler mit einem Transformator ohne Luftspalt. Ohne die Clamping- baugruppe hätte die Verwendung eines Luftspalttransformators jedoch den gravierenden Nachteil, dass durch den höheren Magnetisierungsstrom, den ein Luftspalttransformator gegenüber einem sonst gleichartigen Transformator ohne Luftspalt aufweist, permanent ein größerer Primärstrom flösse als bei ei ^¬ nem Transformator ohne Luftspalt. Da durch die Clampingbau- gruppe aber der Freilaufström gestellt werden kann, wird dieser Nachteil in der Freilaufphase beseitigt und der Effektiv ^¬ wert des FreilaufStroms kann auf der Sekundärseite sogar ge ^¬ senkt werden. Außerdem ergeben sich im Zusammenhang mit der Clampingbaugruppe bessere Stromverläufe, so dass auch in den Aktivphasen der Effektivwert des Primärstroms nicht ansteigt und ebenfalls gesenkt werden kann. Der Vorteil der Verwendung eines Luftspalttransformators ergibt sich daher nur in Zusam ^¬ menhang mit der Clampingbaugruppe.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers wird von dem Wechsel ^¬ richter eine Wechselspannung erzeugt, die abwechselnd während einer ersten Aktivphase ein oberes Spannungsniveau und wäh ^¬ rend einer zweiten Aktivphase ein unteres Spannungsniveau an ^¬ nimmt, und der Transformator wird zwischen je zwei aufeinander folgenden Aktivphasen in einer Freilaufphase betrieben, in der die Primärwicklung kurzgeschlossenen wird. Die

Clampingbaugruppe wird durch den Zusatz-Halbleiterschalter nach dem Beginn jeder Freilaufphase abgeschaltet und nach dem Beginn jeder Aktivphase eingeschaltet. Wie oben bereits ausgeführt wurde, ermöglicht das Einschalten der Clampingbaugruppe nach dem Beginn jeder Aktivphase und das Abschalten der Clampingbaugruppe nach dem Beginn jeder Freilaufphase die Beeinflussung der primären Freilaufströme während der Freilaufphasen und dadurch die Reduktion von durch primäre Freilaufströme verursachten Leitendverlusten der primären Halbleiterschalter und der Primärwicklung.

Zusätzlich wird auch in Teillastbereichen das Nullspannungs- schalten ermöglicht, in denen ein herkömmlicher Phase-

Shifted-Full-Bridge-Wandler kein Nullspannungsschalten mehr erreichen kann. Das wird dadurch möglich, dass der primäre Freilaufström auch größer als der Primärstrom in einer Aktivphase gestellt werden kann. Dadurch können vor allem die gu- ten EMV-Eigenschaften (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) des Gleichspannungswandlers erhalten werden, weil harte Schaltflanken weiterhin vermieden werden.

Ferner können durch die Klemmung der Sekundärspannung mittels der Clampingbaugruppe vorteilhaft Schwingungen der Sekundär ^¬ spannung deutlich reduziert bzw. vermieden werden.

Das Verfahren sieht ferner vor, dass eine Abschaltverzöge- rungszeitdauer für das Abschalten der Clampingbaugruppe nach dem Beginn einer Freilaufphase als eine Stellgröße für eine Regelung eines Primärstroms verwendet wird, der während der Freilaufphase als ein primärer Freilaufström durch die Primärwicklung des Transformators fließt und der durch die Ab- schaltverzögerungszeitdauer auf einen Sollwert geregelt wird. Der Sollwert des primären FreilaufStroms wird beispielsweise in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung und/oder von einem Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers bestimmt. Diese Ausgestaltung des Verfahrens nutzt aus, dass die Höhe des primären FreilaufStroms wesentlich von dem Zeitpunkt ab- hängt, zu dem die Clampingbaugruppe nach dem Beginn einer

Freilaufphase abgeschaltet wird, denn der primäre Freilauf ^¬ strom wird umso kleiner je später dieser Zeitpunkt (innerhalb eines kleinen, sinnvollen Fensters) gelegt wird. Daher eignet sich die Abschaltverzögerungszeitdauer als Stellgröße zur Regelung eines primären FreilaufStroms auf einen Sollwert.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Clampingbaugruppe nach dem Beginn einer Aktivphase zu einem Zeitpunkt eingeschaltet wird, zu dem die gleichgerichtete Se ^¬ kundärspannung des Transformators in dieser Aktivphase einen Endwert erreicht hat. Dadurch wird der Zeitpunkt der Klemmung der Sekundärspannung zur Unterdrückung von Schwingungen der gleichgerichteten Sekundärspannung vorteilhaft eingestellt. Sobald nämlich die gleichgerichtete Sekundärspannung ihren Endwert erreicht hat, fließt ein Strom über den Zusatz-Halb ^¬ leiterschalter in den Clampingkondensator . Das ist genau der Strom, der sonst die Schwingungen der gleichgerichteten Se- kundärspannung anregen würde. Die Schwingungen werden somit vermieden bzw. stark reduziert. Durch das Einschalten der Clampingbaugruppe kann der Clampingkondensator die zuvor aufgenommene Energie wieder zurückspeisen und an den Ausgang des Gleichspannungswandlers abgeben. Je eher die Clampingbau- gruppe durch den Zusatz-Halbleiterschalter eingeschaltet wird, desto kleiner werden die Verluste. Wenn die Clampingbaugruppe jedoch zu früh eingeschaltet werden würde, würde der Clampingkondensator über den Gleichrichter kurzgeschlossen und Komponenten des Gleichrichters, beispielsweise sekun- däre Halbleiterschalter im Falle eines aktiven Gleichrichters, zerstören.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Gleichrichter nach dem Beginn jeder Aktivphase um eine Aktiv- schaltungsverzögerungszeitdauer verzögert aktiv geschaltet wird, wenn der Gleichrichter vier zu einer Gleichrichter- Vollbrücke zusammengeschaltete, von der Steuereinheit

ansteuerbare sekundäre Halbleiterschalter aufweist und die Sekundärwicklung des Transformators in dem Brückenzweig der Gleichrichter-Vollbrücke angeordnet ist. Die Aktivschaltungs- verzögerungs Zeitdauer ist dabei vorzugsweise kleiner oder gleich einer Kommutierungsdauer eines sekundärseitigen Kommutierungsvorgangs nach dem Beginn der jeweiligen Aktivphase. Die Aktivschaltungsverzögerungszeitdauer wird beispielsweise in Abhängigkeit von wenigstens einem der folgenden Parameter bestimmt :

- Eingangsgleichspannung,

- Hauptinduktivität des Transformators,

- primäre Streuinduktivität des Transformators,

- sekundäre Streuinduktivität des Transformators,

- Dauer der vorhergehenden Aktivphase,

- Ausgangsstrom des Gleichspannungswandlers zum Zeitpunkt des Beginns der Aktivphase,

- Primärstrom durch die Primärwicklung zum Zeitpunkt des Beginns der Aktivphase.

Ferner wird beispielsweise eine Passivschaltungsverzögerungs- Zeitdauer vorgegeben und der Gleichrichter wird nach jedem

Abschalten der Clampingbaugruppe um die Passivschaltungsver- zögerungszeitdauer verzögert passiv geschaltet.

Die vorgenannten Ausgestaltungen des Verfahrens beziehen sich also auf die Ausführung des Gleichspannungswandlers mit einem aktiven Gleichrichter. Unter einer Aktivschaltung des Gleichrichters wird ein Schaltzustand der sekundären Halbleiterschalter verstanden, in dem die Sekundärspannung des Transformators mit einer definierten Polarität an den Ausgang des Gleichrichters gelegt wird. Unter einer Passivschaltung des

Gleichrichters wird ein Schaltzustand der sekundären Halblei ^¬ terschalter verstanden, in dem alle sekundären Halbleiterschalter eingeschaltet sind, so dass der Brückenzweig der Gleichrichter-Vollbrücke kurzgeschlossen ist. Durch die Ver- zögerung des Aktivschaltens des Gleichrichters nach dem Be ^¬ ginn der jeweiligen Aktivphase werden vorteilhaft Leitendverluste vermieden, die bei einem zu frühen Aktivschalten des Gleichrichters durch einen Stromfluss durch Bodydioden sekundärer Halbleiterschalter entstehen würden. Durch ein Aktiv- schalten des Gleichrichters am Ende oder vor dem Ende des se ^¬ kundärseitigen Kommutierungsvorgangs wird vorteilhaft berück ^¬ sichtigt, dass ein Aktivschalten nach dem Ende des Kommutie ^¬ rungsvorgangs einem sekundärseitigen Kurzschließen des Trans- formators entspricht und zu hohen Strömen und dadurch verur ^¬ sachten Verlusten führen würde. Besonders bevorzugt wird der Gleichrichter daher möglichst kurz vor dem Ende des Kommutierungsvorgangs aktiv geschaltet. Da die Dauer des Kommutie- rungsvorgangs von den genannten Parametern abhängt, wird die Aktivschaltungsverzögerungszeitdauer vorzugsweise in Abhängigkeit von diesen Parametern bestimmt. Die Passivschaltungs- verzögerungs Zeitdauer ist vergleichsweise weniger relevant für den Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers und kann da- her fest vorgegeben und fest eingestellt werden.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 einen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers, FIG 2 ein Ersatzschaltbild eines Transformators eines

Gleichspannungswandlers ,

FIG 3 zueinander korrespondierende zeitliche Verläufe ei ^¬ ner gleichgerichteten Sekundärspannung, eines Primärstroms und von Schaltzuständen von Halbleiter-

Schaltern eines Gleichspannungswandlers,

FIG 4 zeitliche Verläufe einer Primärspannung, eines Primärstroms, eines Magnetisierungsstroms und eines transformierten Sekundärstroms bei einer Ausführung eines Gleichspannungswandlers mit einem Transforma ^¬ tor ohne einen Luftspalt, und

FIG 5 zeitliche Verläufe einer Primärspannung, eines Primärstroms, eines Magnetisierungsstroms und eines transformierten Sekundärstroms bei einer Ausführung eines Gleichspannungswandlers mit einem Transforma ^¬ tor mit einem Luftspalt.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. FIG 1 zeigt einen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers 1. Der Gleichspannungswandler 1 weist einen Wechselrichter 3, einen Transformator 5, einen Gleichrichter 7, eine Clamping- baugruppe 9 und eine Steuereinheit 11 auf.

Der Wechselrichter 3 weist vier zu einer Wechselrichter- Vollbrücke verschaltete primäre Halbleiterschalter Ql bis Q4 zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung Ui _n in eine Wechselspannung auf.

Der Gleichrichter 7 weist vier zu einer Gleichrichter-Voll ^¬ brücke zusammengeschaltete sekundäre Halbleiterschalter Q5 bis Q8 zum Gleichrichten einer Sekundärspannung des Transformators 5 und ausgangsseitig ein LC-Filter 13 mit einer Dros- sei L und einem Filterkondensator C2 auf. Durch die Drossel L fließt ein Drosselstrom I _L . Ausgangsseitig wird von dem

Gleichrichter 7 ein Ausgangsstrom I _out ausgegeben.

Der Transformator 5 weist eine Primärwicklung 15 und eine Se- kundärwicklung 17 auf. Die Primärwicklung 15 ist in dem Brückenzweig der Wechselrichter-Vollbrücke angeordnet. Die Se ^¬ kundärwicklung 17 ist in dem Brückenzweig der Gleichrichter- Vollbrücke angeordnet. Durch die Primärwicklung 15 fließt ein Primärstrom I _TR ,I- Durch die Sekundärwicklung 17 fließt ein Sekundärstrom I _TR ,2- An der Primärwicklung 15 liegt eine Pri ^¬ märspannung U _TR an.

Die Clampingbaugruppe 9 ist parallel zu der Gleichrichter- Vollbrücke zwischen die Gleichrichter-Vollbrücke und das LC- Filter 13 geschaltet und weist einen Zusatz-Halbleiterschal ^¬ ter Q9 und einen in Reihe geschalteten Clampingkondensator Cl auf. An der Clampingbaugruppe 9 liegt die gleichgerichtete Sekundärspannung U2 des Transformators 5 an. Jeder Halbleiterschalter Ql bis Q9 ist als ein Feldeffekttransistor, genauer als ein normal sperrender n-Kanal MOSFET (= Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) , ausge ^¬ bildet. Jede Halbbrücke der Wechselrichter-Vollbrücke weist einen ersten primären Halbleiterschalter Ql, Q3, dessen Sour- ce mit dem Brückenzweig der Wechselrichter-Vollbrücke verbun ^¬ den ist, und einen zweiten primären Halbleiterschalter Q2, Q4, dessen Drain mit dem Brückenzweig der Wechselrichter- Vollbrücke verbunden ist, auf. Jede Halbbrücke der Gleich ^¬ richter-Vollbrücke weist einen ersten sekundären Halbleiterschalter Q5, Q7, dessen Source mit dem Brückenzweig der

Gleichrichter-Vollbrücke verbunden ist, und einen zweiten se ^¬ kundären Halbleiterschalter Q6, Q8, dessen Drain mit dem Brü- ckenzweig der Gleichrichter-Vollbrücke verbunden ist, auf. Die Source des Zusatz-Halbleiterschalters Q9 ist mit den Drains der beiden ersten sekundären Halbleiterschalter Q5, Q7 verbunden, die Drain des Zusatz-Halbleiterschalters Q9 ist mit dem Clampingkondensator Cl verbunden.

Die Steuereinheit 11 ist zur Ansteuerung der Halbleiterschal ^¬ ter Ql bis Q9 ausgebildet. Der Übersichtlichkeit halber sind in Figur 1 die Verbindungen der Steuereinheit 11 mit den Halbleiterschaltern Ql bis Q9 nur schematisch dargestellt, indem für jeden Halbleiterschalter Ql bis Q9 lediglich eine Verbindung der Steuereinheit 11 mit dem Gate des Halbleiterschalters Ql bis Q9 dargestellt ist.

In FIG 1 ist ferner eine Last R dargestellt, an der eine Aus- gangsspannung U _ou t des Gleichrichters 7 anliegt.

FIG 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des Transformators 5 des Gleichspannungswandlers 1. Darin bezeichnen Ri einen primären ohmschen Widerstand des Transformators 5, L _a i eine primäre Streuinduktivität des Transformators 5, I _h einen Magnetisie ^¬ rungsstrom des Transformators 5, L _h eine Hauptinduktivität des Transformators 5, R _fe einen Eisenverlustwiderstand des Transformators 5, I' _TR , ₂ einen transformierten Sekundärstrom des Transformators 5, Ι _σ2 eine transformierte sekundäre Streuinduktivität des Transformators 5 und R ' ₂ einen trans ^¬ formierten sekundären ohmschen Widerstand des Transformators 5. Die transformierten Größen I' _TR , _2/ L' _G2 und R ' ₂ sind auf die Primärwicklung 15 umgerechnete entsprechende Größen der Sekundärwicklung 17 des Transformators 5.

FIG 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb des Gleichspannungswandlers 1 anhand zueinander korrespondieren ^¬ der Verläufe der gleichgerichteten Sekundärspannung U ₂ , des Primärstroms I _TR , I und von Schaltzuständen Sl bis S9 der Halb ^¬ leiterschalter Ql bis Q9 in Abhängigkeit von einer Zeit t, wobei Sn den Schaltzustand von Qn bezeichnet (für n = 1,...,9), der Wert 1 einen Einschaltzustand des jeweiligen Halbleiterschalters Ql bis Q9 bezeichnet und der Wert 0 einen Abschalt ^¬ zustand des jeweiligen Halbleiterschalters Ql bis Q9 bezeich ^¬ net . Die primären Halbleiterschalter Ql bis Q4 werden derart angesteuert, dass von dem Wechselrichter 3 eine Wechselspannung erzeugt wird, die abwechselnd während einer ersten Aktivpha ^¬ se Tl ein oberes Spannungsniveau und während einer zweiten Aktivphase T2 ein unteres Spannungsniveau annimmt. Zwischen je zwei aufeinander folgenden Aktivphasen Tl, T2 wird der

Transformator 5 in einer Freilaufphase T3 betrieben, in der die Primärwicklung 15 kurzgeschlossenen wird, d. h. in der beide Enden der Primärwicklung 15 durch die primären Halbleiterschalter Ql bis Q4 auf dasselbe elektrische Potential ge- legt werden.

In jede erste Aktivphase Tl wird durch Abschalten des zweiten primären Halbleiterschalters Q2 und Einschalten des ersten primären Halbleiterschalters Ql einer ersten Halbbrücke der Wechselrichter-Vollbrücke geschaltet. In jede zweite Aktiv ^¬ phase T2 wird durch Abschalten des ersten primären Halbleiterschalters Ql und Einschalten des zweiten primären Halblei ^¬ terschalters Q2 der ersten Halbbrücke der Wechselrichter- Vollbrücke geschaltet. Zwischen dem Abschalten eines primären Halbleiterschalters Ql, Q2 und dem Einschalten des jeweils anderen primären Halbleiterschalters Ql, Q2 der ersten Halb ^¬ brücke der Wechselrichter-Vollbrücke liegt eine erste Tot ^¬ zeit T4. In jede Freilaufphase T3 wird durch Abschalten eines primären Halbleiterschalters Q3, Q4 und Einschalten des jeweils ande ^¬ ren primären Halbleiterschalters Q3, Q4 der zweiten Halbbrü ^¬ cke der Wechselrichter-Vollbrücke geschaltet. Zwischen dem Abschalten eines primären Halbleiterschalters Q3, Q4 und dem Einschalten des jeweils anderen primären Halbleiterschal ^¬ ters Q3, Q4 der zweiten Halbbrücke der Wechselrichter-Voll ^¬ brücke liegt eine zweite Totzeit T5. Die Clampingbaugruppe 9 wird durch den Zusatz-Halbleiter ^¬ schalter Q9 nach dem Beginn jeder Freilaufphase T3 abgeschal ^¬ tet und nach dem Beginn jeder Aktivphase Tl, T2 eingeschal ^¬ tet . Die sekundären Halbleiterschalter Q5 bis Q8 werden derart angesteuert, dass der Gleichrichter 7 nach dem Beginn jeder Aktivphase Tl, T2 aktiv geschaltet wird und nach jedem Abschal ^¬ ten der Clampingbaugruppe 9 passiv geschaltet wird. In der Passivschaltung des Gleichrichters 7 sind alle Halbleiter- Schalter Q5 bis Q8 der Gleichrichter-Vollbrücke eingeschal ^¬ tet. In der Aktivschaltung des Gleichrichters 7 sind demge ^¬ genüber der erste Halbleiterschalter Q5, Q7 einer Halbbrücke und der zweite Halbleiterschalter Q6, Q8 der jeweils anderen Halbbrücke der Gleichrichter-Vollbrücke abgeschaltet.

Zwischen den Beginn jeder Aktivphase Tl, T2 und das Aktivschalten des Gleichrichters 7 wird eine Aktivschaltungsverzö- gerungszeitdauer T6 gelegt. Die Aktivschaltungsverzögerungs- zeitdauer T6 wird derart bestimmt, dass der Gleichrichter 7 zu einem Zeitpunkt aktiv geschaltet wird, zu dem ein Kommu ^¬ tierungsvorgang der sekundären Halbleiterschalter Q5 bis Q8 nach dem Beginn der jeweiligen Aktivphase Tl, T2 ganz oder fast abgeschlossen ist. Dadurch wird vorteilhaft ein Aktivschalten des Gleichrichters 7 nach dem Ende des Kommutie- rungsvorgangs verhindert, das einem sekundärseitigen Kurz ^¬ schließen des Transformators 5 entspricht und zu hohen Strö ^¬ men und dadurch verursachten Verlusten führen würde. Durch ein Aktivschalten des Gleichrichters 7 möglichst kurz vor dem Ende des Kommutierungsvorgangs werden zudem Leitendverluste vermieden, die bei einem zu frühen Aktivschalten des Gleichrichters 7 durch einen Stromfluss durch Bodydioden sekundärer Halbleiterschalter Q5 bis Q8 entstehen würden.

Die Kommutierungsdauer des Kommutierungsvorgangs lässt sich in guter Näherung durch folgende Gleichung berechnen:

wobei a das Übersetzungsverhältnis des Transformators 5 ist, I _L (to) der Drosselstrom I _L zum Zeitpunkt to des Beginns der jeweiligen Aktivphase Tl, T2 ist, I _T R,i(to) der Primärstrom I _TR , l zum Zeitpunkt to ist und t _on die Dauer der vorhergehenden Aktivphase Tl, T2 ist.

Gleichung [1] wird daher vorzugsweise verwendet, um die Ak- tivschaltungsverzögerungszeitdauer T6 zu bestimmen, wobei die Aktivschaltungsverzögerungszeitdauer T6 vorzugsweise durch Subtraktion einer vorgebbaren Sicherheitszeitdauer von der mit Gleichung [1] berechneten Kommutierungsdauer At gebildet wird. Die Subtraktion der Sicherheitszeitdauer von der mit Gleichung [1] berechneten Kommutierungsdauer berücksichtigt vorteilhaft, dass Gleichung [1] nur eine Näherung der Kommu- tierungsdauer liefert und die Werte der Induktivitäten sowie die Messwerte der Ströme Toleranzen aufweisen.

Gleichung [1] wird beispielsweise in einen Algorithmus über ^¬ führt, mit dem durch die Steuereinheit 11 die Kommutierungs- dauer laufend neu berechnet wird und daraus die Aktivschal- tungsverzögerungszeitdauer T6 bestimmt wird. Dies ermöglicht vorteilhaft, während eines Kommutierungsvorgangs die sekundä ^¬ ren Halbleiterschalter Q5 bis Q8 bis kurz vor dem Ende des Kommutierungsvorgangs voll durchgesteuert zu lassen und da- durch Leitendverluste zu vermeiden, die andernfalls durch ei- nen Strom durch Bodydioden sekundärer Halbleiterschalter Q5 bis Q8 entstehen würden.

Zwischen den Beginn jeder Freilaufphase T3 und das Abschalten der Clampingbaugruppe 9 wird eine Abschaltverzögerungszeit ^¬ dauer T7 gelegt. Die Abschaltverzögerungszeitdauer T7 wird als eine Stellgröße für eine Regelung des Primärstroms I _TR , _I verwendet, der während der Freilaufphase T3 als ein primärer Freilaufström durch die Primärwicklung 15 des Transformators 5 fließt und der durch die Abschaltverzögerungszeitdauer T7 auf einen Sollwert geregelt wird. Dabei wird ausgenutzt, dass der primäre Freilaufström durch die Clampingbaugruppe 9 be- einflusst werden kann, wobei die Abschaltverzögerungszeitdau ^¬ er T7 einen wesentlichen Einfluss auf die Höhe des primären FreilaufStroms hat, denn je größer die Abschaltverzögerungs ^¬ zeitdauer T7 ist, desto kleiner ist der primäre Freilauf ^¬ strom. Der Sollwert des primären FreilaufStroms wird dabei beispielsweise in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung Uin und/oder von dem Ausgangsstrom I _out bestimmt, um durch primäre Freilaufströme verursachte Leitendverluste der primären Halbleiterschalter Ql bis Q4 zu reduzieren und den Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 1 zu optimieren. Um die Abschaltverzögerungszeitdauer T7 einzustellen, wird beispielsweise ein MikroController mit hochauflösenden Puls- weitenmodulationsmodulen verwendet.

Neben der Regelung des primären FreilaufStroms ermöglicht die Clampingbaugruppe 9 die Klemmung der Sekundärspannung (so ge ^¬ nanntes Active Clamping) . Durch das Einschalten des Zusatz- Halbleiterschalters Q9 in einer Aktivphase Tl, T2 nimmt der Clampingkondensator Cl „überschüssige Energie" aus den

Streuinduktivitäten des Transformators 5 auf und speist sie in der zweiten Hälfte der Aktivphase Tl, T2 wieder zurück. Dadurch werden vorteilhaft Schwingungen der Sekundärspannung deutlich reduziert bzw. vermieden. Dabei geschieht die Klem ^¬ mung der Sekundärspannung fast verlustfrei, weil die Energie nicht in Wärme umgesetzt, sondern wieder zurückgespeist wird. Es fallen lediglich die Leitend- und Schaltverluste des Zu- satz-Halbleiterschalters Q9 sowie geringe Verluste im

Clampingkondensator Cl an. Gegenüber einem Gleichspannungswandler 1 ohne Clampingbaugruppe 9 können dadurch im Gleichrichter 7 vorteilhaft sekundäre Halbleiterschalter Q5 bis Q8 mit deutlich kleinerer Sperrspannung und somit wesentlich besserem Leitendwiderstand eingesetzt werden.

Die Clampingbaugruppe 9 wird nach dem Beginn einer Aktivpha ^¬ se Tl, T2 zu einem Zeitpunkt eingeschaltet, zu dem die gleichgerichtete Sekundärspannung U ₂ des Transformators 5 in dieser Aktivphase Tl, T2 einen Endwert erreicht hat, d.h. vollständig aufgebaut ist. Dazu wird zwischen das Aktivschal ^¬ ten des Gleichrichters 7 und das Einschalten der Clampingbaugruppe 9 eine Einschaltverzögerungszeitdauer T8 gelegt. Für die Einschaltverzögerungszeitdauer T8 wird beispielsweise eine Tabelle in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung Ui _n und/oder von dem Ausgangsstrom I _out vorgegeben.

Ferner wird eine Passivschaltungsverzögerungszeitdauer T9 vorgegeben und der Gleichrichter 7 wird nach jedem Abschalten der Clampingbaugruppe 9 um die Passivschaltungsverzögerungs- zeitdauer T9 verzögert passiv geschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass der Transformator 5 als ein Luftspalttransformator ausgeführt ist. Im Folgenden werden anhand der Figuren 4 und 5 Unterschiede und Vorteile einer Ausführung des Gleichspannungs ^¬ wandlers 1 mit einem als ein Luftspalttransformator ausgeführten Transformator 5 gegenüber einer Ausführung des

Gleichspannungswandlers 1 mit einem Transformator 5 ohne Luftspalt aufgezeigt.

FIG 4 zeigt zeitliche Verläufe der Primärspannung U _TR , des Primärstroms I _TR , I, des Magnetisierungsstroms Ih und des transformierten Sekundärstroms I ' _TR , ₂ bei einer Ausführung des Gleichspannungswandlers 1 mit einem Transformator 5 ohne ei ^¬ nen Luftspalt. FIG 5 zeigt zeitliche Verläufe der Primärspannung U _TR , des Primärstroms I _TR , i _/ des Magnetisierungsstroms Ih und des transformierten Sekundärstroms I' _TR , ₂ bei einer Ausführung des Gleichspannungswandlers 1 mit einem Transformator 5 mit einem Luftspalt, wobei der Gleichspannungswandler 1 abgesehen von dem Luftspalt des Transformators 5 wie der FIG 4 zugrunde liegende Gleichspannungswandler 1 ausgeführt ist und betrie ^¬ ben wird. Die Figuren 4 und 5 zeigen zunächst, dass der Betrag des Pri ^¬ märstroms I _R , _l kurz nach dem Beginn einer Aktivphase Tl, T2 sein Maximum erreicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine gewisse Zeit vergeht, bis im Gleichrichter 7 die Kommu ^¬ tierung abgeschlossen ist. Bis dahin steigt der Primärstrom I _TR , _l weiter an. Die Figuren 4 und 5 zeigen, dass das Maximum des Primärstroms I _TR , i bei einem Transformator 5 ohne Luft ^¬ spalt deutlich höher ausfällt. Das ist auf den Magnetisie ^¬ rungsstrom I _h zurückzuführen, der bei einem Transformator 5 mit Luftspalt einen deutlich größeren Betrag als bei einem Transformator 5 ohne Luftspalt hat. Zu Beginn der Aktivpha ^¬ se Tl ist der Magnetisierungsstrom I _h noch negativ und kompensiert so einen großen Teil der Stromspitze. Daraus ergeben sich zwei wesentliche Vorteile der Verwendung eines Transfor ^¬ mators 5 mit Luftspalt. Zum Einen wird dadurch der Effektiv- wert des Primärstroms I _TR , i etwas verringert. Dies ist in dem in den Figuren 4 und 5 gezeigten Beispiel vor allem deshalb vorteilhaft, da hier die höchsten Ströme im gesamten Gleichspannungswandler 1 fließen und dadurch auch die größten Leitendverluste entstehen. Zum Anderen wird durch die kleinere Stromspitze ein (in FIG 1 nicht dargestelltes) Eingangsfilter weniger stark belastet und es werden dort ebenfalls weniger Verluste verursacht. Vor allem aber kann das Eingangsfilter entsprechend kleiner ausgelegt und die leitungsgebundenen Störungen trotzdem auf dem gleichen Niveau gehalten werden.

In der auf die Aktivphase Tl, T2 folgenden Freilaufphase T3 ist den Figuren 4 und 5 eine weitere Auffälligkeit zu entneh ^¬ men. Während der Primärstrom I _TR , i in beiden Fällen gleich groß ist, weil dieser mit Hilfe der Clampingbaugruppe 9 auf einen gewünschten Wert geregelt wurde, zeigt sich ein deutli ^¬ cher Unterschied beim transformierten Sekundärstrom I ' _TR , 2 , der im Falle des Transformators 5 mit Luftspalt deutlich kleiner als im Falle des Transformators 5 ohne Luftspalt ist. Dieser Unterschied ist wieder auf den beim Luftspalttransformator deutlich höheren Magnetisierungsstrom I _h zurückzuführen, denn der Primärstrom I _TR , I setzt sich aus dem transfor ^¬ mierten Sekundärstrom I ' _TR , 2 und dem Magnetisierungsstrom I _h zusammen. Ist der Magnetisierungsstrom I _h bei gleichem Primärstrom I _R , l größer, ist I ' _TR , 2 entsprechend kleiner. Bei gleichem Primärstrom I _TR , i sorgt die kleinere Hauptinduktivi ^¬ tät L _h des Luftspalttransformators demzufolge für eine deut ^¬ liche Senkung des sekundären Transformatorstroms I _TR , 2 und da- mit auch dessen Effektivwerts. Dieser Vorteil ergibt sich nur im Zusammenhang mit der Clampingbaugruppe 9, die die Stellung des primären FreilaufStroms ermöglicht. Ohne die Clamping ^¬ baugruppe 9 hätte die kleinere Hauptinduktivität L _h lediglich zur Folge, dass primärseitig (bei sonst gleichen Verhältnis- sen) ein größerer Freilaufström flösse, während sich sekun- därseitig praktisch keine Änderung ergäbe.

Neben diesen Vorteilen hinsichtlich des Betriebs des Gleichspannungswandlers 1 hat der Luftspalttransformator einen wei- teren Nutzen in Bezug auf die Betriebssicherheit. Prinzipiell kann es bei einem Vollbrückenwandler aufgrund leichter Asymmetrien dazu kommen, dass die Primärspannung U _TR einen

Gleichanteil erhält. Dieser kann zum Beispiel durch nicht völlig symmetrische Ansteuersignale oder asymmetrisches Ver- halten der Treiber der primären Halbleiterschalter Ql bis Q4 entstehen. Ist der Gleichanteil groß genug, kann der Trans ^¬ formator 5 in Sättigung geraten, was unbedingt zu vermeiden ist . Üblicherweise wird deswegen entweder auf eine primärseitige

Spitzenstromregelung zurückgegriffen, die den Spitzenwert des Primärstroms I _TR , ₁ stellt. Oder es wird ein entsprechend di ^¬ mensionierter Kondensator in Reihe zum Transformator 5 ge- schaltet, der Gleichanteile effektiv verhindert. Ersteres ist durch die vollkommen anderen Stromverläufe, die in einem Gleichspannungswandler 1 mit der Clampingbaugruppe 9 gegenüber einem herkömmlichen Gleichspannungswandler 1 ohne

Clampingbaugruppe 9 entstehen, nicht möglich, da das Maximum des Betrags des Primärstroms I _TR , I bereits kurz nach Beginn einer Aktivphase Tl, T2 auftreten kann. Ein in Reihe zum Transformator 5 geschalteter Kondensator hat den Nachteil, dass ein weiteres Bauteil benötigt wird, welches weitere Ver- luste und Kosten verursacht und Platz auf der Baugruppe benö ^¬ tigt. Ein ausreichend dimensionierter Kondensator hätte in dieser Anwendung bereits beachtliche Ausmaße.

Stattdessen wird der Luftspalttransformator für eine größere Toleranz gegenüber Gleichanteilen genutzt. Er würde zwar theoretisch bei einer Asymmetrie der Spannungszeitflächen genauso schnell in Sättigung gehen wie der ansonsten gleich aufgebaute Transformator 5 ohne Luftspalt. Da der Sättigungsstrom viel höher ist, müsste jedoch ein deutlich größerer Gleichan- teil des Primärstroms I _TR , I fließen. Diesem Gleichstrom stehen aber die ohmschen Widerstände des Lufttransformators selbst, der Leiterbahnen auf der Platine und der primären Halbleiterschalter Ql bis Q4 entgegen. Das bedeutet, dass die Asymmet ^¬ rien umso größer sein dürfen, je größer der Sättigungsstrom des Transformators 5 ist. Die Toleranz gegenüber Asymmetrien in der Ansteuerung der primären Halbleiterschalter Ql bis Q4 wird dadurch bei der Verwendung eines Lufttransformators so groß, dass auf einen Kondensator in Reihe zu dem Lufttrans ^¬ formator verzichtet werden kann.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs ^¬ beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.