Verfahren zum Betrieb eines Spannungswandlers, Spannungswandler

Technisches Gebiet:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines bidirektionalen Spannungswandlers sowie einen bidirek tionalen Spannungswandler.

Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:

Spannungswandler zur bidirektionalen Spannungswandlung mit H-Brücken sind bekannt und werden unter anderem im Automo bilbereich verwendet.

Dabei besteht die allgemeine Anforderung, die Spannungswandler möglichst verlustleistungsarm zu betreiben.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der die Verlustleistung eines bidirektionalen Spannungswandlers reduziert werden kann.

Beschreibung der Erfindung:

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un teransprüche .

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines bidirektionalen Spannungswandlers, insb. eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers, bereitgestellt, der eine eingangsseitige Halbbrückenschaltung mit jeweils einem positivspannungsseitigen und einem negativspannungsseitigen zueinander in Reihe geschalteten Transistorschalter, eine ausgangsseitige Halbbrückenschaltung mit jeweils einem posi tivspannungsseitigen und einem negativspannungsseitigen zu einander in Reihe geschalteten Transistorschalter, sowie einen Brückenzweig zwischen Mittelabgriffen der beiden Halbbrü ckenschaltungen mit einer Brückeninduktivität L, bzw. in Form von einer Spule, umfasst.

Gemäß dem Verfahren wird für einen jeweiligen nachfolgenden Schaltzyklus TI der Transistorschalter in einem jeweiligen aktuellen Schaltzyklus TO ein Brückenstrom-Istmittelwert IL_avg_mess eines in dem jeweiligen aktuellen Schaltzyklus TO durch den Brückenzweig fließenden Brückenstromes gemessen bzw. ermittelt. Der Brückenstrom-Istmittelwert IL_avg_mess ist dabei der arithmetische Mittelwert des im aktuellen Schaltzyklus TO gemessenen Brückenstromes.

Mit (bzw. basierend auf) dem ermittelten Brücken- strom-Istmittelwert IL_avg_mess werden dann EinschaltZeitpunkte und Einschaltdauern der jeweiligen Transistorschalter für den jeweiligen nachfolgenden Schaltzyklus TI ermittelt. Die je weiligen Transistorschalter werden dann in dem jeweiligen nachfolgenden Schaltzyklus TI zu den jeweiligen ermittelten EinschaltZeitpunkten und für die jeweiligen ermittelten Ein schaltdauern eingeschaltet.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Schaltverluste bei den Transistorschaltern einen überwiegenden Anteil der gesamten Verlustleistung bei einem Spannungswandler darstellen.

Um die gesamte Verlustleistung zu reduzieren, sollten die Schaltverluste in allen Arbeitspunkten des Spannungswandlers reduziert bzw. möglichst weitgehend eliminiert werden. Da die Arbeitspunkte wiederum vom Brückenstrom abhängig sind, wird der Brückenstrom zur Ermittlung der EinschaltZeitpunkte und der Einschaltdauern herangezogen. Da der Brückenstrom wiederum über den gesamten Schaltzyklus sich verändert, wird ein

Ist-Mittelwert des Brückenstromes IL_avg_mess zur Ermittlung herangezogen. Die basierend auf diesem Brücken- strom-Istmittelwert IL_avg_mess ermittelten EinschaltZeit punkte und Einschaltdauern stellen sicher, dass bei Ausschalten eines der Transistoren ein Brückenstrom mit einem vorab de- finierten Momentanstromwert durch die Brückeninduktivität fließt, der eine natürliche Kommutierung auf einen potenti almäßig dem auszuschaltenden Transistorschalter gegenüber liegenden Transistorschalter garantiert. Das Einschalten jedes der Transistorschalter erfolgt dabei immer nach erfolgter natürlicher Kommutierung, wenn die Spannung ca. 0 Volt an dem jeweiligen einzuschalteten Transistorschalter anliegt („Zero Voltage Switching") . Das Verfahren stellt dabei das „Zero Voltage Switching" unabhängig von der Eingangsspannung, der Aus gangsspannung, der Stromrichtung und dem Strombetrag sicher.

Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, die Verlustleistung eines bidirektionalen Spannungswandlers zu reduzieren.

Insb. werden die Transistorschalter mit pulsweitenmodulierten Signalen und mit veränderlichen Signalperioden ein- und aus geschaltet .

Bspw. werden die EinschaltZeitpunkten und die Einschaltdauern ferner mit einem vorgegebenen Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll ermittelt.

Hierbei ist der Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll ein Mittelwert des Brückenstromes, der Schaltzyklus TI durch den Brückenzweig also durch die Brückeninduktivität fließen soll. Dabei wird der Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll als Regelgröße vorgegeben bzw. aus Regel- und Messgrößen, insb. aus Eingangs- und Ausgangsspannung des Spannungsreglers Ul, U2 ermittelt und vorgegebenen.

Bspw. wird zwischen dem ermittelten Brückenstrom-Istmittelwert IL_avg_mess und dem vorgegebenen Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll eine Stromdifferenz AI berechnet, wobei gilt: AI = IL_avg_soll - IL_avg_mess. Aus der Stromdifferenz AI wird dann ein Tastgradkorrekturwert ADC berechnet. Die EinschaltZeit punkte und die Einschaltdauern werden dann ferner aus dem berechneten Tastgradkorrekturwert ADC ermittelt. Bspw. wird in dem jeweiligen aktuellen Schaltzyklus TO ferner ein Brückenstrom-Momentanwert Istartla, Istartlb; Istart2a,

Istart2b; Istart3a, Istart3b des Brückenstromes gemessen bzw. ermittelt, der zum Zeitpunkt durch den Brückenzweig fließen soll, zu dem einer der Transistorschalter von einem eingeschalteten Zustand in einen ausgeschalteten Zustand umgeschaltet wird. Die EinschaltZeitpunkte und die Einschaltdauern werden dann ferner mit dem ermittelten Brückenstrom-Momentanwert Istartla,

Istartlb; Istart2a, Istart2b; Istart3a, Istart3b ermittelt. Dabei hat der Brückenstrom-Momentanwert insb. stets ein anderes Vorzeichen als der Brückenstrom-Sollmittelwert.

Hierbei ist der Brückenstrom-Momentanwert ein Augenblickswert, der im aktuellen Schaltzyklus TO unmittelbar vor Ausschalten eines der Transistorschalter erreicht wird, um die natürliche Kommutierung sicherzustellen.

Bspw. wird der Brückenstrom-Momentanwert Istartla, Istartlb; Istart2a, Istart2b; Istart3a, Istart3b aus der Brückeninduk tivität L und den Umladekapazitäten der Transistorschalter ermittelt .

Mit dem Brückenstrom-Momentanwert Istartla, Istartlb; Istart2a, Istart2b; Istart3a, Istart3b werden die Ein-und Ausschalt zeitpunkte der Transistorschalter für den nachfolgenden

Schaltzyklus TI ermittelt.

Hierbei ist eine Periodendauer Tper die Summe der Zeitdauer von der jeweiligen Ein- und Ausschaltdauer der jeweiligen einzelnen Transistorschalter .

Bspw. wird die Periodendauer ferner mit dem Brücken- strom-Istmittelwert IL_avg_mess ermittelt.

Bspw. werden in dem jeweiligen aktuellen Schaltzyklus TO eine Eingangsspannung Ul an der eingangsseitigen Halbbrücken schaltung und eine Ausgangsspannung U2 an der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung gemessen. Die gemessene Eingangs- und Ausgangsspannung Ul, U2 werden anschließend miteinander ver glichen. Die Einschaltzeitpunkte, die Einschaltdauern und/oder die Periodendauer werden dann bspw. ferner abhängig von dem Vergleichsergebnis zwischen der Eingangsspannung Ul und der Ausgangsspannung U2 ermittelt.

Bspw. wird der Brückenstrom-Momentanwert Istartla, Istartlb; Istart2a, Istart2b; Istart3a, Istart3b neben der Brückenin duktivität L und den Umladekapazitäten der Transistorschalter bspw. auch aus der Eingangs- und der Ausgangsspannung Ul, U2 ermittelt .

Fall 1:

Bei einem Verhältnis zwischen der gemessenen Eingangsspannung Ul und der gemessenen Ausgangsspannung U2, bei dem gilt:

U2 > kl *U1 , mit kl > 1, insb. kl = 1.2, werden in dem nachfolgenden Schaltzyklus bspw.:

der positivspannungsseitige Transistorschalter der ein gangsseitigen Halbbrückenschaltung durchgehend einge schaltet (also dauerhaft „high" geschaltet) ;

der negativspannungsseitige Transistorschalter der ein gangsseitigen Halbbrückenschaltung durchgehend ausge schaltet (also dauerhaft „low" geschaltet) ;

der negativspannungsseitige Transistorschalter der aus gangsseitigen Halbbrückenschaltung vom Anfang des

Schaltzyklus TI für eine erste Einschaltdauer tein_S4 eingeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI ausgeschaltet; und der positivspannungsseitige Transistorschalter der aus gangsseitigen Halbbrückenschaltung vom Anfang des

Schaltzyklus TI für die erste Einschaltdauer tein_S4 ausgeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI eingeschaltet.

Dabei gelten für die erste Einschaltdauer tein_S4: 2-L- (Istartl a - IL_avg_soll)- [U2- (i + ADC) - Ul ]

tein

bei IL_avg_soll >= 0

Ampere (wobei der vorgegebene Brückenstrom-Momentanwert

Istartla kleiner als 0 Ampere ist (bzw. ein anderes Vorzeichen als der vorgegebene Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll hat) und beim Ausschalten des positivspannungsseitigen Tran sistorschalters der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung erreicht wird) , oder soll)·[Ul -U2-(l + ADC)]

Ul - U2) , bei IL_ avg_soll < 0

Ampere (wobei der vorgegebene Brückenstrom-Momentanwert

Istartlb größer als 0 Ampere ist (bzw. ein anderes Vorzeichen als der vorgegebene Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll hat) und beim Ausschalten des negativspannungsseitigen Transis torschalters der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung erreicht wird) .

Die Periodendauer Tper für den jeweiligen nachfolgenden

Schaltzyklus TI wird im Fall 1 bspw. anhand folgender Gleichungen ermittelt :

2-L-U2-(Istart la - IL avg soll)

Tper = - ^: - ; - - -

U h(U l - U2) bei IL_avg_soll >= 0 Ampere, oder

2-L-U2-(IL avg soll - Istartlb)

Tper = - - -

Ul -(Ul - U2) ei IL_avg_soll < 0 Ampere.

Fall 2:

Bei einem Verhältnis zwischen der gemessenen Eingangsspannung Ul und der gemessenen Ausgangsspannung U2, bei dem gilt:

k2*Ul <= U2 <= kl*Ul, mit kl > 1, insb. kl = 1.2, und k2 < 1, insb. k2 = 0.8, werden in dem nachfolgenden Schaltzyklus bspw.:

der positivspannungsseitige Transistorschalter der ein gangsseitigen Halbbrückenschaltung und der negativspan nungsseitige Transistorschalter der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung vom Anfang des Schaltzyklus TI für eine zweite Einschaltdauer tein_S4 eingeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI ausgeschaltet; und

der negativspannungsseitige Transistorschalter der ein gangsseitigen Halbbrückenschaltung und der positivspan nungsseitige Transistorschalter der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung vom Anfang des Schaltzyklus TI für die zweite Einschaltdauer tein_S4 ausgeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI eingeschaltet.

Dabei gelten für die zweite Einschaltdauer tein_S4: _{teill S4} - 2 L- (IL avg soll - Istart2a)-[U2 + (U l + U2)-ADC]

U1-U2 , bei IL_avg_soll >= 0

Ampere (wobei der vorgegebene Brückenstrom-Momentanwert

Istart2a kleiner als 0 Ampere ist (bzw. ein anderes Vorzeichen als der vorgegebene Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll hat) und beim Ausschalten des negativspannungsseitigen Tran sistorschalters der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung und des positivspannungsseitigen Transistorschalters der aus gangsseitigen Halbbrückenschaltung erreicht wird) , oder bei IL_avg_soll < 0

Ampere (wobei der vorgegebene Brückenstrom-Momentanwert

Istart2b größer als 0 Ampere ist (bzw. ein anderes Vorzeichen als der vorgegebene Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll hat) und beim Ausschalten des positivspannungsseitigen Transis torschalters der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung und des negativspannungsseitigen Transistorschalters der ausgangs ^¬ seitigen Halbbrückenschaltung erreicht wird) .

Die Periodendauer Tper für den jeweiligen nachfolgenden

Schaltzyklus TI wird im Fall 2 bspw. anhand folgender Gleichungen ermittelt :

2 L- (IL avg soll - Istart2a (Ul + U2)

1 per

U1 -U2 , bei IL_avg_soll >= 0 Ampere, oder 2-L-(lstart2b - lL_avg_soll)-(U l + U2)

Tper =

U1-U2 bei IL_avg_soll < 0 Ampere.

Fall 3:

Bei einem Verhältnis zwischen der gemessenen Eingangsspannung Ul und der gemessenen Ausgangsspannung U2, bei dem gilt:

U2 < k2 *U1 , mit k2 < 1, insb. k2 = 0.8, werden in dem nachfolgenden Schaltzyklus bspw.:

der positivspannungsseitige Transistorschalter der aus ^¬ gangsseitigen Halbbrückenschaltung durchgehend einge schaltet (also dauerhaft „high" geschaltet) ;

der negativspannungsseitige Transistorschalter der aus ^¬ gangsseitigen Halbbrückenschaltung durchgehend ausge schaltet (also dauerhaft „low" geschaltet) ;

der positivspannungsseitige Transistorschalter der ein gangsseitigen Halbbrückenschaltung vom Anfang des

Schaltzyklus TI für eine dritte Einschaltdauer tein_Sl eingeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI ausgeschaltet; und der negativspannungsseitige Transistorschalter der ein gangsseitigen Halbbrückenschaltung vom Anfang des

Schaltzyklus TI für die dritte Einschaltdauer tein_Sl ausgeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI eingeschaltet.

Dabei gelten für die dritte Einschaltdauer tein Sl: _ 2-L- (IL_avg_soll - Istart3a)-(U1 -ADC + U2)

tein Sl ⁼ - ^: - -

U2-(U1 - U2) , bei IL_avg_soll >= 0 Ampere

(wobei der vorgegebene Brückenstrom-Momentanwert Istart3a kleiner als 0 Ampere ist (bzw. ein anderes Vorzeichen als der vorgegebene Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll hat) und beim Ausschalten des negativspannungsseitigen Transistor schalters der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung erreicht wird) , oder

2-L-(Istart3b - IL_avg_soii)-(Ul -ADC + U2)

tein Sl =

U2-(U1 - U2) b _ei iL_avg_soll < 0 Ampere

(wobei der vorgegebene Brückenstrom-Momentanwert Istart3b größer als 0 Ampere ist (bzw. ein anderes Vorzeichen als der vorgegebene Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll hat) und beim Ausschalten des positivspannungsseitigen Transistor schalters der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung erreicht wird) .

Die Periodendauer Tper für den jeweiligen nachfolgenden

Schaltzyklus TI wird im Fall 3 bspw. anhand folgender Gleichungen ermittelt :

2-L Ul -(Istart3a - 1L avg soll)

Tper = - ; - ; - ; -

U2-(U2 - Ul) _r b _ei iL_avg_soll >= 0 Ampere, oder

2'L'U1 -(IL avg soll— Istart3b)

Tper = - ^ - -

U2-(U2-UI) , bei IL_avg_soll < 0 Ampere .

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Span nungswandler, insb. ein Gleichspannungswandler, zur bidirek tionalen Spannungswandlung bereitgestellt.

Der Spannungswandler umfasst eine eingangsseitige Halbbrü ckenschaltung mit jeweils einem positivspannungsseitigen und einem negativspannungsseitigen zueinander in Reihe geschalteten Transistorschalter .

Der Spannungswandler umfasst ferner eine ausgangsseitige Halbbrückenschaltung mit jeweils einem weiteren positivspan nungsseitigen und einem weiteren negativspannungsseitigen zueinander in Reihe geschalteten Transistorschalter.

Der Spannungswandler umfasst außerdem einen Brückenzweig zwischen Mittelabgriffen der beiden Halbbrückenschaltungen mit einer Brückeninduktivität L, bzw. in Form von einer Spule.

Der Spannungswandler umfasst zudem eine Messanordnung, die eingerichtet ist, für einen jeweiligen nachfolgenden Schalt zyklus der vier Transistorschalter (der beiden Halbbrücken schaltungen) in einem jeweiligen aktuellen Schaltzyklus einen durch den Brückenzweig fließenden Brückenstrom über den gesamten zu aktuellen Schaltzyklus messen.

Der Spannungswandler umfasst ferner eine Ermittlungsanordnung, die eingerichtet ist, aus dem gemessenen Brückenstrom einen Brückenstrom-Istmittelwert IL_avg_mess zu ermitteln und aus dem Brückenstrom-Istmittelwert IL_avg_mess EinschaltZeitpunkte und Einschaltdauern der jeweiligen Transistorschalter für den jeweiligen nachfolgenden Schaltzyklus TI zu ermitteln.

Der Spannungswandler umfasst zudem eine Steueranordnung, die eingerichtet ist, in dem jeweiligen nachfolgenden Schaltzyklus TI die jeweiligen Transistorschalter zu den jeweiligen er mittelten EinschaltZeitpunkten und für die jeweiligen ermit telten Einschaltdauern einzuschalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens sind, soweit möglich, auf den oben genannten Spannungswandler übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Span nungswandlers anzusehen.

Beschreibung der Zeichnung:

Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Er findung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher er läutert. Dabei zeigt eine einzige Figur in einer schematischen Darstellung einen bidirektionalen H-Brücken-Spannungswandler SW gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

Der Spannungswandler SW ist stromeingangsseitig über zwei Stromeingangsanschlüsse All, A12 an einer Eingangsspannung Ul, und stromausgangsseitig über zwei Stromausgangsanschlüsse A21, A22 an einer Ausgangsspannung U2 elektrisch angeschlossen. Der Spannungswandler SW dient zur bidirektionalen Spannungsum wandlung zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung Ul, U2.

Der Spannungswandler SW umfasst eine eingangsseitige Halb brückenschaltung Hl mit jeweils einem positivspannungsseitigen und einem negativspannungsseitigen Transistorschalter Sl, S2, die zueinander in Reihe und zwischen den beiden Stromein gangsanschlüssen All, A12 elektrisch angeschlossen sind.

Der Spannungswandler SW umfasst ferner eine ausgangsseitige Halbbrückenschaltung H2 mit jeweils einem positivspannungs seitigen und einem negativspannungsseitigen Transistorschalter S3, S4, die zueinander in Reihe und zwischen den beiden

Stromausgangsanschlüssen A21, A22 elektrisch angeschlossen sind .

Der Spannungswandler SW umfasst ferner einen Brückenzweig BZ, der die beiden Halbbrückenschaltungen Hl, H2 bzw. deren Mittel abgriffe miteinander elektrisch verbindet. In dem Brückenzweig BZ ist eine Brückeninduktivität L in Form von einer Spule elektrisch angeschlossen.

Der Spannungswandler SW umfasst ferner zwei Kondensatoren CI und C2, die jeweils zwischen den beiden Stromeingangsanschlüssen All, A12 und somit parallel zur eingangsseitigen Halbbrü ckenschaltung Hl bzw. zwischen den beiden Stromausgangsan schlüssen A21, A22 und somit parallel zur ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung H2 elektrisch angeschlossen sind. Die Kondensatoren CI und C2 dienen zur Glättung der Eingangs- bzw. Ausgangsspannung Ul, U2.

Der Spannungswandler SW umfasst ferner eine Messanordnung, die einen Strommesser A und zwei Spannungsmesser VI, V2 umfasst.

Der Strommesser A ist in dem Brückenzweig BZ in Serie zur Spule angeschlossen und dient zum Messen eines durch den Brückenzweig BZ fließenden Brückenstromes IL.

Die beiden Spannungsmesser VI, V2 sind jeweils zwischen den beiden Stromeingangsanschlüssen All, A12 bzw. zwischen den beiden Stromausgangsanschlüssen A21, A22 angeschlossen und dienen jeweils zum Messen der Eingangs- bzw. Ausgangspannung Ul, U2. Der Spannungswandler SW umfasst ferner eine Ermittlungsanordnung EA, die signaleingangsseitig mit Signalausgängen der

Strom-/Spannungsmesser A, VI, V2 signaltechnisch verbunden ist. Über die Signalverbindungen erhält die Ermittlungsanordnung EA von den Strom-/Spannungsmessern A, VI, V2 die Messwerte des Brückenstromes IL und der beiden Spannungen Ul, U2. Die Er mittlungsanordnung EA ist ferner eingerichtet, anhand von gemessenen Strom- und Spannungswerten Periodendauern, Ein schaltZeitpunkte und Einschaltdauern der jeweiligen Transis torschalter Sl, S2, S3, S4 für jeweilige nachfolgende

Schaltzyklen zu ermitteln.

Der Spannungswandler SW umfasst ferner eine Steueranordnung zum Steuern der vier Transistorschalter Sl, S2, S3, S4. Die

Steueranordnung umfasst vier Gatetreiber GT1, GT2, GT3, GT4 zum Ansteuern von jeweils einem der vier Transistorschalter Sl, S2, S3 , S4.

Die Gatetreiber GT1, GT2, GT3, GT4 sind signaleingangsseitig mit jeweils einem von vier Signalausgängen der Ermittlungsanordnung EA signaltechnisch verbunden und steuersignalausgangsseitig jeweils mit dem Steueranschluss der jeweiligen Transistor schalter Sl, S2, S3, S4 verbunden. Die Gatetreiber GT1, GT2, GT3, GT4 sind eingerichtet, die jeweiligen Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 in den jeweiligen Schaltzyklen basierend auf den von der Ermittlungsanordnung EA ermittelten Periodendauern, Ein schaltZeitpunkten und Einschaltdauern gesteuert

ein- /aus zuschalten .

Nach dem die Schaltungstopologie des Spannungswandlers SW anhand der Figur beschrieben wurde, wird nachfolgend ein Verfahren zum Ansteuern des Spannungswandlers SW bzw. der vier Transistor schalter Sl, S2, S3, S4 näher beschrieben:

Zunächst messen die beiden Spannungsmesser VI, V2 und der Strommesser A in jeweiligem aktuellen Schaltzyklus TO die Eingangs- und die Ausgangsspannung Ul, U2, sowie den durch den Brückenzweig fließenden Brückenstrom IL. Dabei misst der Strommesser A den Brückenstrom IL über die gesamte Dauer des aktuellen Schaltzyklus TO.

Aus den Brückenstrommesswerten ermittelt die Ermittlungsan ordnung EA einen Brückenstrom-Istmittelwert IL_avg_mess. Ferner ermittelt die Ermittlungsanordnung EA aus der gemessenen Eingangs- und Ausgangsspannung Ul, U2 sowie weiteren Regelgrößen einen Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll und gibt diesen als Regelgröße vor.

Aus dem Brückenstrom-Istmittelwert IL_avg_mess und dem vor gegebenen Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll berechnet die Ermittlungsanordnung EA eine Stromdifferenz AI, anhand der Gleichung: AI = IL_avg_mess - IL_avg_soll. Aus der Stromdifferenz AI berechnet, die Ermittlungsanordnung EA dann ein Tastgrad korrekturwert ADC .

Ferner ermittelt die Ermittlungsanordnung EA aus der Brü ckeninduktivität L und den vorbekannten Umladekapazitäten der Transistorschalter Sl, S2, S3, S4, sowie der Eingangs- und Ausgangsspannung Ul, U2 einen Brückenstrom-Momentanwert

Istartla, Istartlb, Istart2a, Istart2b, Istart3a oder Istart3b, der zum Zeitpunkt durch den Brückenzweig BZ fließen soll, zu dem einer der Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 von einem einge schalteten Zustand in einen ausgeschalteten Zustand umgeschaltet wird .

Ferner vergleicht die Ermittlungsanordnung EA die Eingangs- und die Ausgangsspannung Ul, U2 miteinander. Abhängig von dem Vergleichsergebnis der beiden Spannungen Ul, U2 ermittelt die Ermittlungsanordnung EA die Periodendauern, EinschaltZeitpunkte und die Einschaltdauern aller vier Transistorschalter Sl , S2, S3, S4 für den nachfolgenden Schaltzyklus TI wie nachfolgend be schrieben .

Die Steueranordnung bzw. die Gatetreiber GT1, GT2, GT3 und GT4 steuern die jeweiligen Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 ba- sierend auf den ermittelten Periodendauern, EinschaltZeit punkten und den Einschaltdauern in dem jeweiligen nachfolgenden Schaltzyklus .

Fall 1: die Ausgangsspannung U2 ist größer als die Eingangs ^¬ spannung Ul, wobei gilt: U2 > kl*Ul, mit kl > 1, insb. kl = 1.2.

In diesem Fall werden die Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 in dem nachfolgenden Schaltzyklus TI wie folgt betrieben:

Der positivspannungsseitige Transistorschalter Sl der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung Hl wird durchgehend eingeschaltet (dauerhaft , high' geschaltet).

Der negativspannungsseitige Transistorschalter S2 der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung Hl wird durchgehend ausgeschaltet (dauerhaft , low' geschaltet).

Der negativspannungsseitige Transistorschalter S4 der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung H2 wird vom Anfang des Schaltzyklus TI für eine erste Einschaltdauer tein_S4 eingeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI ausgeschaltet wird.

Der positivspannungsseitige Transistorschalter S3 der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung H2 wird vom Anfang des Schaltzyklus TI für die erste Einschaltdauer tein_S4 ausgeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI eingeschaltet.

Dabei wird die erste Einschaltdauer tein_S4 anhand folgender Gleichungen ermittelt: _{tein s4} _ 2-L-(Istartla - lL_avg_soll)-[U2-(l + ADC) - Ul]

Ul-(Ul— U2) b _ei IL_avg_soll >= 0

Ampere (also der Brückenstrom IL soll von der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung Hl in die ausgangsseitige Halbbrücken schaltung H2 fließen) , oder 2- L-( Istart l b - IL_avg_soll ) [U I - U2-( 1 + ADQ]

tein S4 =

Ul -(Ul - U2 ) bei IL_avg_soll < 0

Ampere (also der Brückenstrom IL soll von der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung H2 in die eingangsseitige Halbbrücken schaltung Hl fließen) .

Die Periodendauer Tper wird anhand folgender Gleichungen er mittelt : 2- L-U2-( Istarlla - IL avg soll)

U1-(U1— U2) bei IL_avg_soll >= 0 Ampere, oder

2-L-U2-(IL ave, soll - Istartlb)

Tper = - ;— -

Ul - ⁽ Ul - U2) ' bei IL_avg_soll < 0 Ampere.

Fall 2: die Ausgangsspannung U2 ist ungefähr gleich groß wie die Eingangsspannung Ul, wobei gilt: k2*Ul <= U2 <= kl*Ul, mit kl > 1, insb. kl = 1.2, und k2 < 1, insb. k2 = 0.8.

In diesem Fall werden die Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 in dem nachfolgenden Schaltzyklus TI wie folgt betrieben:

Der positivspannungsseitige Transistorschalter Sl der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung Hl und der nega tivspannungsseitige Transistorschalter S4 der ausgangs ^¬ seitigen Halbbrückenschaltung H2 werden vom Anfang des Schaltzyklus TI für eine zweite Einschaltdauer tein_S4 eingeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI ausgeschaltet.

Der negativspannungsseitige Transistorschalter S2 der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung Hl und der posi tivspannungsseitige Transistorschalter S3 der ausgangs ^¬ seitigen Halbbrückenschaltung H2 werden vom Anfang des Schaltzyklus TI für die zweite Einschaltdauer tein_S4 ausgeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI eingeschaltet. Dabei wird die zweite Einschaltdauer tein_S4 anhand folgender Gleichungen ermittelt: _{tein S4} - 2 L-(IL avg soll - Istart2a)- [U2 + (Ul + U2)-

U1 TJ2 , bei IL_avg_soll >= 0

Ampere (also der Brückenstrom IL soll von der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung Hl in die ausgangsseitige Halbbrücken schaltung H2 fließen) , oder 2-L-[(Ul + U2)-ADC + U2] -(Istart2b - IL avg soll)

U1 -U2 , bei IL_avg_soll < 0

Ampere (also der Brückenstrom IL soll von der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung H2 in die eingangsseitige Halbbrücken schaltung Hl fließen) .

Die Periodendauer Tper wird anhand folgender Gleichungen er mittelt :

2-L-(IL_avg_soll - Istart2a)- (U1 + U2)

Tper ^;

UI -U2 , bei IL avg soll >= 0 Ampere, oder

2 L (Istart2b - IL_avg_soll)-(Ul 4 U2)

Tper ¹

U 1 -U2 , bei IL avg soll < 0 Ampere

Fall 3: die Ausgangsspannung U2 ist kleiner als die Ein gangsspannung Ul, wobei gilt: U2 < k2*Ul, mit k2 < 1, insb. k2

0.8.

In diesem Fall werden die Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 in dem nachfolgenden Schaltzyklus TI wie folgt betrieben:

Der positivspannungsseitige Transistorschalter S3 der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung H2 wird durchgehend eingeschaltet (dauerhaft , high' geschaltet).

Der negativspannungsseitige Transistorschalter S4 der ausgangsseitigen Halbbrückenschaltung H2 wird durchgehend ausgeschaltet (dauerhaft , low' geschaltet). Der positivspannungsseitige Transistorschalter S1 der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung Hl wird vom Anfang des Schaltzyklus TI für eine dritte Einschaltdauer tein_Sl eingeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI ausgeschaltet.

Der negativspannungsseitige Transistorschalter S2 der eingangsseitigen Halbbrückenschaltung Hl wird vom Anfang des Schaltzyklus TI für die dritte Einschaltdauer tein_Sl ausgeschaltet und für die restliche Zeit der Periodendauer Tper des nachfolgenden Schaltzyklus TI eingeschaltet.

Dabei wird die dritte Einschaltdauer tein_Sl anhand folgender Gleichungen ermittelt: , bei IL_avg_soll >= 0 Ampere

(also der Brückenstrom IL soll von der eingangsseitigen

Halbbrückenschaltung Hl in die ausgangsseitige Halbbrücken schaltung H2 fließen) , oder

2-L-(Istart3b - IL avg soll)·(Ul -ÄDC + U2)

tein S 1 = - ; - -

U2-(U1 - U2) , bei IL_avg_soll < 0 Ampere

(also der Brückenstrom IL soll von der ausgangsseitigen

Halbbrückenschaltung H2 in die eingangsseitige Halbbrücken schaltung Hl fließen) .

Die Periodendauer Tper wird anhand folgender Gleichungen er mittelt :

2-L Ul (Istart3a - IL avg soll)

Tper = - —— ; -

U2-(U2 - Ul) ei IL_avg_soll >= 0 Ampere, oder

2-L-UI -(IL avg soll - Istart3b)

Tper = - — =— — ; - -

U2-(U2 - Ul ) , bei IL_avg_soll < 0 Ampere.

Die zuvor beschriebenen drei Fälle decken also die drei Bereiche ab, in denen alle mögliche Verhältnisse der Eingangs- und Ausgangsspannung Ul, U2 gelten: U2 < Ul, U2 ~ Ul oder U2 > Ul. Die Verhältnisse IL_avg_soll >= 0 Ampere oder IL_avg_soll < 0 Ampere zeigen die Soll-Stromrichtung des Brückenstromes IL.

Die beiden Faktoren kl und k2 müssen so gewählt werden, dass bei der gegebenen Spannungsmessungenauigkeit bei der Eingangs- und Ausgangsspannung Ul und U2 weiterhin sichergestellt ist, dass bei Ul = U2 die Gleichung beim Fall 2 zur Anwendung kommt.

Das oben beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass der Spannungswandler SW in allen Fällen (bidirektional) und ver lustleistungsarm umwandeln kann, in denen eins der folgenden Verhältnisse gilt:

Ul > U2, bei IL_avg_soll >= 0 oder IL_avg_soll < 0 (Fall 1);

Ul = U2, bei IL_avg_soll >= 0 oder IL_avg_soll < 0 (Fall 2);

Ul < U2, bei IL_avg_soll >= 0 oder IL_avg_soll < 0 (Fall 3) ;

Das Verfahren stellt sicher, dass der Spannungswandler SW unabhängig vom Arbeitspunkt, also unabhängig von den Span nungsverhältnissen , der Stromrichtung und Stromhöhe im ZVS-Mode (auf Englisch „Zero Voltage Switching Mode") betrieben werden kann, wobei die Schaltverluste der Transistorschalter Sl, S2, S3 und S4 in allen Arbeitspunkten des Spannungswandlers SW weitgehend eliminiert werden und die gesamte Verlustleistung auf Minimum reduziert wird.

Da die Strom-/Spannungsmesser A, VI, V2, die Gatetreiber GT1, GT2, GT3, GT4, die Teil des Verfahrens durchführen, an sich als die Komponenten zur Regelung des Spannungswandlers SW bereits vorhanden sind, bedarf es lediglich der Ermittlungsanordnung EA zusätzlich zum Durchführen des Verfahrens. Da die Ermitt lungsanordnung EA auch in einem bereits vorhandenen Regler des Spannungswandlers SW funktionell implementiert werden kann, kann der Spannungswandler SW ohne zusätzlichen Schaltungskomponenten und somit ohne zusätzlichen Bauraum realisiert werden.

Da die gesamte Verlustleistung reduziert wird, bedarf es wenigem Kühlungsaufwand und somit eine entsprechend klein dimensionierte Kühlanordnung für den Spannungswandler SW. Das beschriebe Verfahren findet Anwendungen insb. in Kraft fahrzeugen, speziell Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, bei denen elektrische Leistung mittels eines oder mehreren kos tengünstigen H-Brücken-Spannungswandlern SW verlustarmt übertragen werden soll.

Beispiele für derartige Anwendungen sind:

Aufwärtswandler (auf Englisch „Boost-Converter" ) zur Anpassung einer Akkumulator-Spannung an eine Wechsel richter-Spannung (DC-DC-Anwendung, also Umwandlung einer Ausgangsspannung von einer Gleichspannungsquelle in eine Ladespannung für eine Gleichspannungs-Senke) ;

Abwärts-Aufwärtswandler (auf Englisch

„Buck-Boost-Converter" ) zur Anpassung einer Akkumula tor-Spannung an eine Spannung einer DC-Ladestation

(DC-DC-Anwendung, also Umwandlung einer Ausgangsspannung von einer Gleichspannungsladestation in eine Ladespannung für einen Akkumulator;

Abwärts-Aufwärtswandler zur Anpassung einer

AC-Ladestations-Wechselspannung an eine Akkumula

tor-Spannung (Gleichrichtung, AC-DC-Anwendung) ;

Abwärts-Aufwärtswandler zur Anpassung einer Akkumula tor-Spannung an eine Nennspannung eines AC-Betriebsmittels (z.B. E-Maschine, DC-AC-Anwendung) .

Die Reduzierung der Schaltverlustleistung wird insb. erreicht, in dem in Abhängigkeit des Arbeitspunktes (Eingangsspannung Ul, Ausgangsspannung U2, Ist-Brückenstrom und Soll-Brückenstrom) die Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 der Halbbrückenschaltung Hl, H2 für den jeweils folgenden Schaltzyklus TI eine berechnete Einschaltdauer eingeschaltet werden und eine berechnete Aus- schaltdauer ausgeschaltet werden. Die Berechnung erfolgt dabei jeweils derart, dass bei Ausschalten eines der Transistor- Schalter Sl, S2, S3, S4 ein vorher definierter Brückenstrom durch die Brückeninduktivität fließt, der eine natürliche Kommutierung auf den potentialmäßig gegenüberliegenden Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 sicherstellt. Das Einschalten eines Transistors Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 erfolgt dabei immer nach erfolgter natürlicher Kommutierung, wenn die Spannung ca. 0 Volt an diesem Transistor Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 anliegt (auf Englisch „Zero Voltage Switching") . Insb. werden die Schalthandlungen derart ausgeführt, dass jeweils bei Ausschalten eines der Transistorschalter Sl, S2, S3, S4 der Brückenstrom an der Brückeninduktivität L eine Flussrichtung und eine Min- destamplitude aufweist, sodass die Spannung durch eben diesen Brückenstrom und nicht durch das Einschalten des komplementären Transistors (der Transistor S3 ist dabei komplementär zum Transistor S4, der Transistor S4 ist komplementär zum Transistor S3, der Transistor Sl ist komplementär zum Transistor S2, der Transistor S2 ist komplementär zum Transistor Sl) kommutiert. Abweichungen zwischen dem berechneten Modell und dem realen Verhalten werden mittels eines PI-Stromreglers korrigiert.

Das beschriebene Verfahren hat den entscheidenden Vorteil, dass der ZVS-Betrieb („Zero Voltage Switching"-Betrieb) sowohl in allen stationären Arbeitspunkten als auch bei Änderungen von Arbeitspunkten aufrechterhalten werden kann, und zwar für alle Betriebszustände unter den drei möglichen Verhältnissen zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung: Ul < U2, Ul = U2, Ul > U2.

Wie bereits erwähnt, werden die Eingangs- und Ausgangsspannung Ul, U2 gemessen. Der Brückenstrom-Sollmittelwert IL_avg_soll und der Brückenstrom-Momentanwert Istartla, Istartlb; Istart2a, Istart2b; Istart3a, Istart3b werden vorgegeben. Aus diesen Werten werden die Periodendauer, der EinschaltZeitpunkt und die Einschaltdauer und somit der Tastverhältnis bestimmt. Die Unsicherheit bezüglich einer Parallelverschiebung des sich ergebenden Brückenstromverlaufs über die Schaltperiode des sich aus der Periodendauer, dem EinschaltZeitpunkt und der Ein schaltdauer ergebenden Stromdreiecks um ein beliebiges Offset kann mit dem oben beschriebenen Verfahren mit dem Brücken- strom-Sollmittelwert IL_avg_soll und dem Brücken strom-Momentanwert Istartla, Istartlb; Istart2a, Istart2b; Istart3a, Istart3b beseitigt werden.