Steuern eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers

Die Erfindung betri f ft die Steuerung eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers .

Genauer betri f ft die Erfindung einen Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandler, der zwei von j eweils vier Schaltgliedern gebildete H-Brücken aufweist , die elektrisch miteinander gekoppelt sind . Typischerweise sind die H-Brücken induktiv gekoppelt über einen Trans formator mit zwei Spulen, die j eweils in dem Brückenzweig einer der H-Brücken angeordnet sind . Ein derartiger Gleichspannungswandler ermöglicht einen bidirektionalen Energietransport zwischen den beiden H-Brücken . Die Schaltglieder werden dabei typischerweise j eweils von einem Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode ( engl . Insulated-Gate Bipolar Transistor, abgekürzt IGBT ) mit einer dazu antiparallel geschalteten Diode oder einem Metalloxid-Halbleiter-Feldef fekttransistor ( engl . Metal Oxide Semiconductor Field-Ef fect Transistor, abgekürzt MOSFET ) gebildet .

Im Betrieb eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers werden die Schaltglieder der H-Brücken moduliert angesteuert , das heißt Schaltglieder werden ein- und ausgeschaltet , so dass eine Brückenspannung j eder H-Brücke zwischen drei voneinander verschiedenen Spannungswerten wechselt . Jedoch können parasitäre Eigenschaften des Gleichspannungswandlers , die beispielsweise durch Schaltverluste beim Ein- und Ausschalten der Schaltglieder entstehen, dazu führen, dass die tatsächlichen Wellenformen der wechselnden Brückenspannungen von den erwünschten, theoretisch berechneten Wellenformen signi fikant abweichen . Dies kann die Charakteristik der Energieübertragung zwischen den Brückenzweigen nachteilig beeinflussen . Insbesondere kann dies dazu führen, dass kurz zeitig ein Energiefluss in einer unerwünschten Richtung erfolgt , wodurch ungünstige Schaltbedingungen für die Schaltglieder verursacht werden . Letzteres kann die Ef fi zienz des Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers signi fikant beeinträchtigen .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , die Steuerung eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers zu verbessern .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern eines Dual- Active-Bridge Gleichspannungswandlers mit zwei von j eweils vier Schaltgliedern gebildeten H-Brücken wird eine zwischen drei voneinander verschiedenen Spannungswerten wechselnde Brückenspannung j eder H-Brücke durch Einschalten und Ausschalten j eweils verschiedener Schaltglieder erzeugt , wobei wenigstens ein Spannungswert wenigstens einer H-Brücke mit nur höchstens einem eingeschalteten Schaltglied der H-Brücke bei ausgeschalteten anderen Schaltgliedern der H-Brücke erzeugt wird .

Erfindungsgemäß werden also die verschiedenen Spannungswerte der Brückenspannungen eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers mit zwei H-Brücken, die j eweils vier Schaltglieder aufweisen, erzeugt , wobei wenigstens ein Spannungswert wenigstens einer H-Brücke durch Einschalten nur höchstens eines Schaltgliedes der H-Brücke erzeugt wird . Demgegenüber werden bei einem herkömmlichen Verfahren die verschiedenen Spannungswerte der Brückenspannungen erzeugt , indem j eweils zwei Schaltglieder j eder H-Brücke eingeschaltet und die anderen beiden Schaltglieder j eder H-Brücke ausgeschaltet werden, wobei j eweils ein Schaltglied j eder Halbbrücke einer H-Brücke eingeschaltet und das andere Schaltglied der Halbbrücke ausgeschaltet wird . Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem herkömmlichen Verfahren den Vorteil , dass durch das Einschalten nur höchstens eines Schaltgliedes einer H-Brücke in mindestens einem Schalt zustand ein in dem Brückenzweig der H-Brücke fließender Brückenstrom seine Stromrichtung in diesem Schaltzustand nicht ändern kann, da alle anderen Schaltglieder der H-Brücke ausgeschaltet sind und dadurch eine Änderung der Stromrichtung verhindert wird . Dadurch erfordert das erfindungsgemäße Verfahren weniger präzise Kenntnis parasitärer Parameter des Gleichspannungswandlers , so dass diese Parameter nicht vorher aufwändig bestimmt und berücksichtigt werden müssen . Dies spart Zeit und Kosten bei der Produktion und Inbetriebnahme des Gleichspannungswandlers . Außerdem kann dies die Ef fektivität des erf indungsmäßen Verfahrens gegenüber einem herkömmlichen Verfahren der Steuerung des Gleichspannungswandlers erhöhen, da das erf indungsmäße Verfahren weniger anfällig für Fehler bei der Charakterisierung parasitärer Parameter ist . Des Weiteren vereinfacht das erf indungsmäße Verfahren aus den genannten Gründen die Bestimmung der Schaltzeiten für das Schalten der Schaltglieder .

Dabei wird j eder Spannungswert einer der beiden H-Brücken mit nur höchstens einem eingeschalteten Schaltglied der H-Brücke bei ausgeschalteten anderen Schaltgliedern der H-Brücke erzeugt . Diese Ausgestaltung der Erfindung sieht also vor, alle Spannungswerte einer der beiden H-Brücken mit j eweils nur höchstens einem eingeschalteten Schaltglied der H-Brücke zu erzeugen .

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird j eder Spannungswert einer H-Brücke mit mindestens einem eingeschalteten Schaltglied der H-Brücke bei ausgeschalteten anderen Schaltgliedern der H-Brücke erzeugt . Diese Ausgestaltung berücksichtigt , dass sich herausgestellt hat , dass ein Schaltzustand, bei dem alle Schaltglieder ausgeschaltet sind, tendenziell sehr kurze Schaltimpulse für einzelne Schaltglieder und dadurch bewirkte höhere Schaltverluste verursachen kann . Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hängt für j eden Spannungswert einer H-Brücke , der mit nur einem eingeschalteten Schaltglied erzeugt wird, das j eweils eingeschaltete Schaltglied von einer Stromrichtung eines durch den Brückenzweig der j eweiligen H-Brücke fließenden Brückenstroms ab . Diese Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt , dass eine mit nur höchstens einem Schaltglied erzeugbare Brückenspannung einer H-Brücke von der Stromrichtung eines durch den Brückenzweig der H-Brücke fließenden Brückenstroms abhängt , so dass diese Stromrichtung bei der Auswahl des Schaltgliedes für die Erzeugung der j eweiligen Brückenspannung berücksichtigt werden muss .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Brückenspannung einer H-Brücke zwischen verschiedenen Spannungswerten derart geändert , dass die Änderungen der Brückenspannung eine Änderung der Schalt zustände von möglichst wenigen Schaltgliedern der H-Brücke erfordern . Diese Ausgestaltung der Erfindung zielt auf eine Minimierung der Schaltverluste beim Ändern der Schalt zustände durch eine Minimierung der Anzahl der Schaltzustände , die geändert werden müssen . Konkret wird dies erreicht , indem redundante Schalt zustände geeignet gewählt werden und eine geeignete Sequenz aufeinander folgender Schalt zustände gewählt wird .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist j edes Schaltglied einen Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode ( IGBT ) und eine dazu antiparallel geschaltete Diode auf . Alternativ weist j edes Schaltglied beispielsweise einen Metalloxid-Halbleiter-Feldef f ekttransistor (MOSFET ) auf . Diese Ausgestaltungen der Erfindung berücksichtigen, dass sich Schaltglieder mit IGBTs und MOSFETs besonders für die Realisierung eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers eignen .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Brückenzweig j eder H-Brücke eine Spule angeordnet und die Spulen der beiden Brückenzweige sind Spulen eines Trans forma- tors . Dies ermöglicht vorteilhaft eine induktive Kopplung der H-Brücken des Gleichspannungswandlers .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird wenigstens ein Spannungswert j eder H-Brücke mit nur höchstens einem eingeschalteten Schaltglied der H-Brücke bei ausgeschalteten anderen Schaltgliedern der H-Brücke erzeugt . Diese Ausgestaltung der Erfindung sieht also vor, für beide H-Brücken j eweils mindestens einen Schalt zustand mit nur höchstens einem eingeschalteten Schaltglied der H-Brücke zu erzeugen .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird wenigstens ein Spannungswert einer H-Brücke mit nur höchstens einem eingeschalteten Schaltglied der H-Brücke bei ausgeschalteten anderen Schaltgliedern der H-Brücke erzeugt , und alle Spannungswerte der anderen H-Brücke werden j eweils mit zwei eingeschalteten Schaltgliedern der anderen H-Brücke bei ausgeschalteten anderen Schaltgliedern der anderen H-Brücke erzeugt . Diese Ausgestaltung der Erfindung sieht also vor, nur für eine Halbbrücke mindestens einen Schalt zustand durch Einschalten höchstens eines Schaltglieds der Halbbrücke zu erzeugen, während die andere Halbbrücke konventionell betrieben wird .

Ein erfindungsgemäßer Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandler umfasst dementsprechend zwei von j eweils vier Schaltgliedern gebildete H-Brücken und eine Steuereinheit , die eingerichtet ist , die Schaltglieder gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anzusteuern .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Dabei zeigen : FIG 1 einen Schaltplan eines Aus führungsbeispiels eines Dual -Active -Bridge Gleichspannungswandlers ,

FIG 2 Verläufe einer Brückenspannung und eines Brückenstroms einer H-Brücke eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers bei Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens zum Steuern des Gleichspannungswandlers ,

FIG 3 Verläufe einer Brückenspannung und eines Brückenstroms einer H-Brücke eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Gleichspannungswandlers .

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen .

FIG 1 zeigt einen Schaltplan eines Aus führungsbeispiels eines Dual-Active-Bridge Gleichspannungswandlers 1 . Der Gleichspannungswandler 1 umfasst eine erste H-Brücke Hl und eine zweite H-Brücke H2 .

Die erste H-Brücke Hl weist vier Schaltglieder S 1 bis S4 auf . Die Schaltglieder S 1 und S2 bilden eine erste Halbbrücke der H-Brücke Hl , die Schaltglieder S3 und S4 bilden eine zweite Halbbrücke der H-Brücke Hl . Entsprechend weist die zweite H- Brücke H2 vier Schaltglieder S5 bis S 8 auf . Die Schaltglieder S5 und S 6 bilden eine erste Halbbrücke der H-Brücke H2 , die Schaltglieder S7 und S 8 bilden eine zweite Halbbrücke der H- Brücke H2 . Jedes Schaltglied S 1 bis S 8 umfasst einen IGBT 3 mit einer dazu antiparallel geschalteten Diode 5 .

Die beiden H-Brücken Hl und H2 sind galvanisch voneinander getrennt , aber durch einen Trans formator 6 induktiv gekoppelt . Der Trans formator 6 umfasst eine erste Spule 7 , die in dem Brückenzweig der ersten H-Brücke Hl angeordnet ist , und eine zweite Spule 8 , die in dem Brückenzweig der zweiten H- Brücke H2 angeordnet ist . Ferner weist der Gleichspannungswandler 1 eine Steuereinheit 9 auf, die eingerichtet ist, die Schaltglieder S1 bis S8 in einer unten näher beschriebenen Weise anzusteuern, das heißt verschiedene aufeinander folgende Schalt zustande der Schaltglieder S1 bis S8 zu erzeugen, in denen jeweils bestimmte Schaltglieder S1 bis S8 eingeschaltet und die anderen Schaltglieder S1 bis S8 ausgeschaltet sind. Dabei wird der Schaltzustand eines Schaltgliedes S1 bis S8 durch eine zwischen dem Gateanschluss und dem Emitteranschluss des IGBT 3 des Schaltgliedes S1 bis S8 angelegte Gate-Emitter-Spannung beeinflusst. Ein Schaltglied S1 bis S8 wird eingeschaltet, indem der IGBT 3 des Schaltgliedes S1 bis S8 durch die Gate- Emitter-Spannung in einen Durchlassbetrieb versetzt wird, und ausgeschaltet, indem der IGBT 3 des Schaltgliedes S1 bis S8 durch die Gate-Emitter-Spannung in einen Sperrbetrieb versetzt wird.

Die erste H-Brücke Hl weist zwei Anschlüsse Al, A2 auf, zwischen denen im Betrieb des Gleichspannungswandlers 1 eine erste Gleichspannung VI anliegt. In Abhängigkeit von den Schalt zuständen der Schaltglieder S1 bis S4 weist die H- Brücke Hl eine Brückenspannung vl auf, die an dem Brückenzweig der H-Brücke Hl abfällt. In dem Brückenzweig der H- Brücke Hl fließt ein elektrischer Brückenstrom il, dessen Richtung von den Schalt zuständen der Schaltglieder S1 bis S8 abhängt. Entsprechendes gilt für die zweite H-Brücke H2 mit einer Gleichspannung V2, die zwischen Anschlüssen A3, A4 der H-Brücke H2 anliegt, einer Brückenspannung v2, die an dem Brückenzweig der H-Brücke H2 abfällt, und einem elektrischen Brückenstrom 12, dessen Richtung von den Schalt zuständen der Schaltglieder S1 bis S8 abhängt.

Üblicherweise werden die Schaltglieder S1 bis S8 derart durch die Steuereinheit 9 angesteuert, dass in jedem Schalt zustand des Gleichspannungswandlers 1 die beiden Schaltglieder S1 bis S8 der beiden Halbbrücken jeder H-Brücke Hl, H2 voneinander verschiedene Schalt zustände aufweisen. Mit dem Schalt zustand des Gleichspannungswandlers 1 wird dabei die Gesamtheit der Schalt zustande der einzelnen Schaltglieder S1 bis S8 bezeichnet. Die folgende Tabelle zeigt die dabei verwendeten Schaltzustände der Schaltglieder S1 bis S4 der H-Brücke Hl:

Hierbei bedeutet beispielsweise Sl=ein, dass das Schaltglied S1 eingeschaltet ist, und Sl=aus bedeutet, dass das Schaltglied S1 ausgeschaltet ist. Entsprechendes gilt für die anderen Schaltglieder S2 bis S4. Die Schalt zustande der Schaltglieder S1 bis S4 der H-Brücke Hl werden in aufeinander folgenden Schaltzyklen derart geändert, dass die Brückenspannung vl in jedem Schaltzyklus beispielsweise von vl=-Vl zu vl=0, danach von vl=0 zu vl=+Vl, danach von vl=+Vl zu vl=0 und danach von vl=0 zu vl=-Vl geändert wird. Entsprechend werden üblicherweise die Schaltglieder S5 bis S8 der H-Brücke H2 geschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht dagegen vor, die Brückenspannungen vl=-Vl, vl=0 und vl=+Vl der H-Brücke Hl nur jeweils mit höchstens einem eingeschalteten Schaltglied S1 bis S4 der H-Brücke Hl bei ausgeschalteten anderen Schaltgliedern S1 bis S4 der H-Brücke Hl zu erzeugen. Die dabei verwendeten Schalt zustände der Schaltglieder S1 bis S4 hängen von der Richtung des Brückenstroms il in dem Brückenzweig der H-Brücke Hl ab. Die folgende Tabelle zeigt diese Schalt zustände der Schaltglieder S1 bis S4 der H-Brücke Hl in Abhängigkeit von der Richtung des Brückenstroms il :

Im Folgenden wird angenommen, dass die H-Brücke Hl die „gleichrichtende Seite" des Gleichspannungswandlers 1 ist und die H-Brücke H2 die „wechselrichtende Seite" des Gleichspannungswandlers 1 ist .

Die Schalt zustände der Schaltglieder S 1 bis S4 der H-Brücke Hl werden wiederum derart geändert , dass die Brückenspannung vl in j edem Schaltzyklus beispielsweise von vl=-Vl zu vl=0 , danach von vl=0 zu vl=+Vl , danach von vl=+Vl zu vl=0 und danach von vl=0 zu vl=-Vl geändert wird . Im Unterschied zu dem üblicherweise verwendeten Verfahren werden dafür j edoch nicht die Schalt zustände POS , NEG, ZERO+ und ZERO- verwendet , sondern die Schalt zustände ALL_OFF, S 1_ON, S2_ON, S3_ON und S4 ON .

Vorzugsweise wird dabei der Schalt zustand ALL_OFF nicht verwendet , weil er tendenziell sehr kurze Schaltimpulse für einzelne Schaltglieder S 1 bis S4 und dadurch bewirkte höhere Schaltverluste verursachen kann . Ferner wird die Brückenspannung vl der H-Brücke Hl vorzugsweise derart geändert , dass die Änderungen der Brückenspannung vl eine Änderung der Schalt zustande von möglichst wenigen Schaltgliedern S 1 bis S4 der H-Brücke Hl erfordern . Alternativ oder zusätzlich werden redundante Schalt zustände ALL_OFF, S 1_ON, S2_ON, S3_ON und S4_ON beispielsweise derart gewählt , dass die Schaltglieder S1 bis S4 j eweils möglichst lange ununterbrochen eingeschal- tet und möglichst lange ununterbrochen ausgeschaltet bleiben, und/oder dass die Schaltglieder S1 bis S4 möglichst gleiche Schaltverluste haben.

Die Schaltglieder S5 bis S8 der zweiten H-Brücke H2 werden beispielsweise konventionell geschaltet, wobei in jedem Schalt zustand der zweiten H-Brücke H2 genau zwei Schaltglieder S5 bis S8 eingeschaltet sind.

FIG 2 zeigt das Ergebnis einer Simulation von Verläufen vl (t) und il (t) der Brückenspannung vl und des Brückenstroms il der H-Brücke Hl in Abhängigkeit von der Zeit t bei Anwesenheit von Verlusten während eines Schaltzyklus T, wenn die Schaltglieder S1 bis S4 gemäß dem herkömmlichen Verfahren mit den Schalt zuständen POS, NEG, ZERO+ und ZERO- geschaltet werden.

FIG 3 zeigt das Ergebnis einer analogen Simulation der Verläufe vl (t) und il (t) der Brückenspannung vl und des Brückenstroms il der H-Brücke Hl bei Anwesenheit von Verlusten während eines Schaltzyklus T, wobei die Schaltglieder S1 bis S4 jedoch gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Schaltzuständen S1_ON, S2_ON, S3_ON, S4_ON geschaltet werden.

Zu einem Zeitpunkt tl wird die Brückenspannung vl von vl=-Vl auf vl=0 erhöht. Zu einem Zeitpunkt t2 wird die Brückenspannung vl von vl=0 auf vl=+Vl erhöht. Zu einem Zeitpunkt t3 wird die Brückenspannung vl von vl=+Vl auf vl=0 verringert. Zu einem Zeitpunkt t4 wird die Brückenspannung vl von vl=0 auf vl=-Vl verringert.

FIG 2 zeigt, dass der Brückenstrom il bei dem herkömmlichen Verfahren in dem Zeitintervall [tl, t2] auf einen Stromwert Il>0 ansteigt statt wie bei einem idealen (erwünschten) Schaltverhalten nur auf den Wert il=0. In dem Zeitintervall [t3,t4] fällt der Brückenstrom il bei dem herkömmlichen Verfahren auf einen Stromwert I2<0 statt wie bei einem idealen Schaltverhalten auf den Wert il=0 (siehe die eingekreisten Bereiche in FIG 2) . FIG 3 zeigt, dass der Brückenstrom il bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen in dem Zeitintervall [ tl , t2 ] nur auf den Wert i l=O ansteigt und in dem Zeitintervall [ 13 , 14 ] nur auf den Wert i l = O fällt . Der Grund dafür ist , dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Brückenstrom i l in einem definierten Schalt zustand der H-Brücke Hl mit genau einem eingeschalteten Schaltglied S 1 bis S4 seine Richtung nicht ändern kann . Das erfindungsgemäße Verfahren realisiert daher ein Schaltverhalten, das dem idealen Schaltverhalten näher kommt als das herkömmliche Verfahren .

Das oben beschriebene Verfahren kann in verschiedener Weise abgewandelt werden . Beispielsweise kann vorgesehen sein, nur mindestens einen der Schalt zustände POS , NEG, ZERO+ und ZERO- der H-Brücke Hl durch einen korrespondierenden Schalt zustand ALL_OFF, S 1_ON, S2_ON, S3_ON zu ersetzen . Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, die Schalt zustände POS und/oder NEG j eweils durch den Schalt zustand ALL_OFF zu ersetzen oder die Schalt zustände POS und/oder NEG weiterhin konventionell durch Einschalten von zwei Schaltgliedern S 1 bis S4 zu erzeugen . Ferner kann vorgesehen sein, zusätzlich oder alternativ zum Erzeugen von Schalt zuständen der H-Brücke Hl durch Einschalten nur j eweils eines Schaltgliedes S 1 bis S4 , konventionelle Schalt zustände der H-Brücke H2 durch entsprechende Schaltzustände der Schaltglieder S5 bis S 8 zu ersetzen, bei denen j eweils nur höchstens ein Schaltglied S5 bis S 8 eingeschaltet ist . Dabei werden vorzugsweise nur die konventionellen Schalt zustände ZERO+ und/oder ZERO- der Schaltglieder S5 bis S8 durch korrespondierende Schalt zustände mit nur einem eingeschalteten Schaltglied S5 bis S 8 ersetzt .

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Aus führungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .