Titel

Mehrphasen-Gleichspannungswandler und Verfahren zum Steuern eines Mehrphasen-Gleichspannungswandlers

Die Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Gleichspannungswandler und ein Verfahren zum Steuern eines Mehrphasen-Gleichspannungswandlers.

Stand der Technik

In modernen sowie zukünftigen Energiebordnetzen von Kraftfahrzeugen, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, werden leistungsstarke Gleichspannungswandler - häufig auch als DC/DC-Wandler bezeichnet - benötigt, um den Energiefluss zwischen verschiedenen Spannungsebenen regeln zu können. So wird beispielsweise in Start-Stopp-Systemen ein Einbruch der Bordnetspannung beim start durch einen Gleichspannungswandler ausgeglichen. Den bestehenden Kosten-, Bauraum- und Gewichtsbeschränkungen im Kraftfahrzeugbereich wird dabei durch Verwendung so genannter Mehrphasen-Gleichspannungswandler Rechnung getragen. Dabei wird die zu übertragende Leistung auf mehrere parallel geschaltete Wandlereinheiten oder Phasenmodule aufgeteilt. Vorzugsweise werden die einzelnen Phasenmodule phasen- oder zeitversetzt angesteuert. Durch die phasenversetzte Ansteuerung reduzieren sich im überlagerten Ausgangssignal die Stromrippel erheblich und die Frequenz des Ausgangssignals des Gleichspannungswandlers erhöht sich um die Anzahl der versetzt getakteten Wandlereinheiten gegenüber der Grundtaktfrequenz der Wandlereinheiten. Dadurch können Kosten und Volumen für Ausgangsfilter des Gleichspannungswandlers reduziert werden.

Um den oben genannten Vorteil bei Mehrphasen-Gleichspannungswandlern effektiv nutzen zu können, müssen die Ströme in der Regel gleichmäßig oder „symmetrisch" auf die einzelnen Wandlereinheiten oder Phasenmodule aufgeteilt werden.

Aus J. Czogalla, J. Li, C. Sullivan: Automotive Application of Multi-Phase Cou- pled Inductor DC-DC-Converter", 0-7803-7883-0/03. IEEE, 2003, ist der Einsatz von Mehrphasen-Gleichspannungswandlern mit gekoppelten Spulen im Kraftfahrzeugbereich bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft einen Mehrphasen-Gleichspannungswandler mit mindestens zwei parallelen, zeitversetzt gesteuerten Spulen, mindestens einer Steuereinheit zum Ansteuern der Spulen und mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement zum Erfassen eines durch den Stromfluss durch die Spulen erzeugten Magnetfeldes, wobei die Steuereinheit den Stromfluss durch die Spulen in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des mindestens einen Sensorelementes steuert. Das magnetfeldempfindliche Sensorelement kann dabei beispielsweise als Hall-Sensor oder als magnetoresistiver Sensor oder auch als Messspule ausgeführt sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandler wird durch die Erfassung und die Auswertung des in den Spulen erzeugten Magnetfeldes eine magnetische Rückkopplung realisiert, welche zur Kompensation von Lastschwankungen oder im Fall der Verwendung eines Magnetkerns auch zur Vermeidung einer Sättigung des Magnetkerns genutzt werden kann, so dass ein geregeltes Ausgangssignal erzeugt wird. Außerdem können auch Asymmetrien in der Ansteuerung oder dem Aufbau des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers kompensiert werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die mindestens zwei Spulen magnetisch gegengekoppelt, das heißt derart angeordnet und angesteuert, dass die durch Stromflüsse durch die gekoppelten Spulen erzeugten Magnetfelder entgegengesetzt gerichtet sind. Die Kopplung der Spulen kann beispielsweise über einen gemeinsamen Magnetkern erfolgen, auf welchem die Spulen ange- ordnet sind. Um einer Sättigung des Magnetkerns vorzubeugen, weist der Magnetkern einen Luftspalt auf. Bei symmetrischem Aufbau der gegengekoppelten Spulen, sowie ggf. des Magnetkerns und des Luftspaltes werden konstante Magnetfeldanteile nahezu vollständig eliminiert und damit auch einer möglichen Sättigung des Magnetkerns vorgebeugt. Das ermöglicht die Verwendung kleinerer Spulen und Magnetkerne und führt somit zu kleineren Bauformen. Ergeben sich trotz des symmetrischen Aufbaus, z.B. aufgrund von Bauteiltoleranzen oder Umgebungseinflüssen dennoch konstante Magnetfeldanteile, können diese erfindungsgemäß mit Hilfe des magnetfeldempfindlichen Sensors erfasst und durch geeignete Ansteuerung der Spulen durch die Steuereinheit kompensiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein magnetfeldempfindliches Sensorelement, in der Nähe des Luftspaltes des Magnetkerns angeordnet. In diesem Bereich kann ein magnetischer Streufluss erfasst werden, welcher einen Rückschluss auf das magnetische Feld im Magnetkern und damit die gespeicherte Energiemenge zulässt. Die Spulen können dann durch die Steuereinheit in geeigneter Weise angesteuert werden. Insbesondere kann das Ausgangssignal des Sensorelementes integral über der Zeit ausgewertet werden und dabei ein Offset-Wert ermittelt werden. Dieser Offset-Wert stellt ein Maß für einen konstanten magnetischen Fluss dar. Die Steuereinheit kann dann den Stromfluss durch die Spulen derart steuern, dass dieser Offset-Wert minimiert wird.

Alternativ zu einer Positionierung des magnetfeldempfindlichen Sensorelementes in der Nähe des Luftspaltes, kann ein Sensorelement auch im Luftspalt positioniert werden. Die Position wird vorteilhaft so gewählt, dass sich bei optimaler symmetrischer Ansteuerung der Spulen ein Ausgangssignal ohne jegliches Offset ergibt.

Alternativ zur Anordnung eines oder auch mehrerer Sensorelemente in einem Bereich des Mehrphasen-Gleichspannungswandler, an dem das Sensorelement ein Summensignal erfasst, das heißt ein Signal, welches auf den durch mehrere Spulen erzeugten Magnetfeldern beruht, kann auch in der Umgebung jeder einzelnen Spule jeweils mindestens ein magnetfeldempfindliches Sensorelement angeordnet sein. Dadurch liefern die Sensorelemente jeweils ein Ausgangssignal, welches ein von dem durch den Stromfluss durch die jeweilige Spule erzeug- tes Magnetfeld charakterisiert. Die durch die einzelnen Spulen erzeugten Magnetfelder werden bei einer derartigen Positionierung der Sensorelemente sozusagen getrennt ausgewertet. Selbstverständlich können getrennte Auswertung und Summenauswertung auch in beliebiger Weise kombiniert werden, das heißt es können sowohl Sensorelemente vorgesehen sein, welche einzelne Magnetfelder erfassen, als auch weitere Sensorelemente, welche Summen- Magnetfelder erfassen.

Vorteilhaft wird das mindestens eine magnetfeldempfindliche Sensorelement in eine Steuerschaltung des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers integriert. Dabei umfasst die Steuerschaltung zumindest auch die Steuereinheit, kann aber auch weitere Einheiten, wie zum Beispiel Auswerteeinheiten für die Ausgangssignale der Sensorelemente umfassen. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung des erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.

Kurze Beschreibung der Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers mit gekoppelten Spulen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer

Steuerschaltung für einen erfindungsgemäßen Mehrphasen- Gleichspannungswandler mit einem integrierten magnetfeldempfindlichen Sensorelement,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Steuerschaltung für einen erfindungsgemäßen Mehrphasen- Gleichspannungswandler mit zwei integrierte magnetfeldempfindlichen Sensorelementen,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer gedruckten Schaltung mit einem erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandler und

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer gedruckten Schaltung mit einem erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandler.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Figur 1 zeigt schematisch und stark vereinfacht den Aufbau eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers. Auf einem Magnetkern 1 , welcher einen Luftspalt 2 aufweist, sind zwei Spulen 3 und 4 parallel angeordnet, welche jeweils Bestandteil einer Wandlereinheit oder eines Phasenmoduls des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers sind. Der Magnetkern 1 an sich, die Lage des Luftspaltes 2 sowie die Anordnung und Lage der Spulen 3 und 4 ist vorteilhaft symmetrisch ausgeführt. Die Anordnung der Spulen 3 und 4 auf einem gemeinsamen Magnetkern hat eine magnetische Kopplung der beiden Spulen zur Folge. Die Spulen 3 und 4 sind jeweils mit einer Ausgangsstufe 5 bzw. 6 verbunden, welche nicht dargestellte Schaltelemente zur Sperrung oder Freigabe eines Stromflusses durch die Spulen 3 und 4 umfassen. Die Ausgangsstufen 5 und 6 sind mit einer Steuereinheit 7 verbunden, welche die Ausgangsstufen 5 und 6 und damit den Stromfluss durch die Spulen 3 und 4 zeitversetzt oder phasenversetzt steuert. Die Anordnung und Ansteuerung der Spulen 3 und 4 ist dabei derart ausgeführt, dass sich zwischen den Spulen 3 und 4 eine Gegenkopplung ergibt, das heißt die beiden Spulen Magnetfelder mit entgegen gesetzter Orientierung erzeugen. Bei optimaler Symmetrie der Anordnung und der Ansteuerung werden durch die Gegenkopplung sämtliche konstanten Magnetfeldanteile eliminiert, so dass der Gleichanteil oder DC-Anteil des resultierenden Magnetfeldes gleich Null ist. Durch Bauteiltoleranzen oder sonstige Umgebungseinflüsse ergeben sich aber auch bei symmetrischem Aufbau und symmetrischer Ansteue- rung konstante Gleichanteile, deren Eliminierung zu einer verbesserten Funktion des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers führt. In der Nähe des Luftspaltes 2 ist ein magnetfeldempfindliches Sensorelement 8, zum Beispiel in Form eines Hall-Sensors, eines magnetoresistiven Sensors oder einer Messspule, angeordnet. Über eine Auswerteeinheit 9 wird das Ausgangssignal des Sensorelementes 8 an die Steuereinheit 7 übertragen. Auf diese Weise wird eine magnetische Rückkopplung realisiert. Wird das magnetfeldempfind- liehe Sensorelement 8, wie dargestellt, in der Nähe des Luftspaltes 2 des Magnetkerns 1 angeordnet, so wird durch das Sensorelement 8 ein magnetischer Streufluss erfasst, der Rückschlüsse auf das Magnetfeld innerhalb des Magnetkerns 1 und damit auf die darin gespeicherte Energiemenge zulässt. Alternativ dazu kann das Sensorelement 8 auch im Bereich des Luftspaltes 2 angeordnet sein. Das Sensorelement 8 erfasst dann nicht den Streufluss, sondern gibt ein

Ausgangssignals aus, welches unmittelbar den magnetischen Fluss in dem Magnetkern 1 charakterisiert. Das Ausgangssignal des Sensorelementes 8 kann durch die Auswerteeinheit 9 integral über der Zeit betrachtet werden und daraus ein Offset-Wert des Ausgangssignals bestimmt werden. Dieser Offset-Wert stellt ein Maß für einen bestehenden konstanten magnetischen Fluss dar. Die Steuereinheit 7 kann dann die Spulen 3 und 4 über die Ausgangsstufen 5 bzw. 6 derart steuern, dass der Offset-Wert minimiert wird. So kann zum Beispiel durch Korrektur des Pulsweitenverhältnisses der Ansteuersignale der beiden Spulen 3 und 4 eine Asymmetrie der Spulen 3 und 4 kompensiert werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Steuereinheit 7, die beiden Ausgangsstufen 5 und 6 sowie die Auswerteeinheit 9 als getrennte Einheiten dargestellt. Selbstverständlich können diese Einheiten auch komplett oder teilweise in eine übergeordnete Einheit integriert sein. Auch ist es denkbar zur Ansteuerung der einzelnen Ausgangsstufen 5 und 6 oder der Spulen 3 und 4 getrennte Steuereinheiten vorzusehen. In Figur 1 ist beispielhaft ein Zweiphasen- Gleichspannungswandler dargestellt. Durch das Vorsehen weiteren Spulen mit entsprechenden Ausgangsstufen und Steuereinheiten ist diese Anordnung aber problemlos um weitere Wandlereinheiten oder Phasenmodule erweiterbar. Ge- gebenenfalls sind dann auch weitere magnetfeldempfindliche Sensorelemente vorzusehen, um die durch die weiteren Spulen erzeugten Magnetfelder erfassen zu können. Auch die Darstellung der mit Hilfe eines Magnetkerns 1 gekoppelten Spulen 3 und 4 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Auch anderweitige Ausgestaltungen des Magnetkerns 1 sind möglich. Durch geeignete Anordnung der Spulen kann selbst ohne Verwendung eines Magnetkerns eine magnetische Kopp- lung der Spulen erreicht werden.

Die Erfindung ist darüber hinaus auch für Mehrphasen-Gleichspannungswandler mit Spulen anwendbar, welche nicht gekoppelt sind. Voraussetzung ist dann aber, dass für jede der Spulen ein eigenes magnetfeldempfindliches Sensorele- ment vorgesehen ist, welches derart angeordnet ist, dass es das durch einen

Stromfluss durch die jeweilige Spule erzeugte Magnetfeld erfassen kann. Die Magnetfelder der einzelnen Spulen werden damit sozusagen getrennt ausgewertet und die Ausgangssignale aller Sensorelemente werden der Steuereinheit über eine oder mehrere Auswerteeinheiten zugeführt. Eine derartige getrennte Aus- wertung ist alternativ oder zusätzlich auch für Systeme mit gekoppelten Spulen anwendbar.

Vorteilhaft wird das oder werden die magnetfeldempfindlichen Sensorelemente in eine Steuerschaltung des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers integriert. Fi- gur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer

Steuerschaltung mit einem integrierten Sensorelement. Eine Steuerschaltung 20 umfasst dabei neben dem Sensorelement 8, die Steuereinheit 7, die Ausgangsstufen 5 und 6, die Auswerteeinheit 9 sowie eine digitale Logik 21 und eine digitale Schnittstelle 22. Die Ausgangsstufen 5 und 6 sind dabei als gemeinsame Einheit 23 dargestellt. Das Sensorelement 8 ist vorzugsweise in einem Randbereich der Steuerschaltung 20 angeordnet. Die Steuerschaltung 20 wird dann in Bezug auf die Spulen des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers derart positioniert, dass das Sensorelement an der gewünschten Position, z.B. in der Nähe des Luftspaltes 2 des Magnetkerns 1 zu liegen kommt.

In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Steuerschaltung 20' eines Mehrphasen-Gleichspannungswandlers dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform lediglich dadurch, dass ein zweites magnetfeldempfindliches Sensorelement 8' mit einer zu- gehörigen zweiten Auswerteeinheit 9' vorgesehen ist. Dabei ist es selbstverständlich auch wieder möglich, die Ausgangssignale der Sensorelemente 8 und 8' abweichend von der dargestellten Ausführungsform durch eine gemeinsame Auswerteeinheit zu verarbeiten. Das Vorsehen von zwei Sensorelementen 8 und 8' erlaubt für einen Zweiphasen-Gleichspannungswandler die getrennte Auswertung der durch den Stromfluss in den Spulen erzeugten Magnetfelder, insbeson- dere wenn die beiden Sensorelemente 8 und 8' innerhalb der Steuerschaltung

20' beabstandet zueinander angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung der Steuerschaltung ist folglich auch für einen Gleichspannungswandler mit nicht gekoppelten Spulen einsetzbar. Grundsätzlich gilt für die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Steuerschaltungen

20 und 20', dass die gezeigten Schaltungskomponenten auch in beliebiger Weise in übergeordneten Einheiten zusammengefasst werden können. Ebenso können in der Steuerschaltung weitere Schaltungskomponenten oder Einheiten integriert sein. Selbstverständlich können in eine Steuereinheit auch weitere magnetfeld- empfindliche Sensorelemente integriert werden, so dass die Steuerschaltung beispielsweise auch für Gleichspannungswandler verwendbar ist, welche mehr als zwei Wandlereinheiten oder Phasenmodule aufweisen.

Figur 4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform ei- ner gedruckten Schaltung mit einem erfindungsgemäßen Mehrphasen-

Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler ist dabei beispielhaft als Zweiphasen-Gleichspannungswandler mit gekoppelten Spulen ausgeführt. Dabei sind auf einer Leiterplatte 40 (printed circuit board, PCB) zwei Spulen 41 und 42 angeordnet, welche zum Beispiel in SMD-Technik (Surface Mounted Device) ausgeführt sind. Die magnetische Kopplung der beiden Spulen 41 und 42 wird durch einen Magnetkern 43 erreicht, der zum Beispiel nach dem SMD- Lötprozess in die Spulen 41 und 42 eingeschoben wird. Das nicht dargestellte magnetfeldempfindliche Sensorelement wird dann an geeigneter Stelle, z.B. in der Nähe eines Luftspaltes 44 des Magnetkerns 43 positioniert.

Figur 5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer gedruckten Schaltung mit einem erfindungsgemäßen Mehrphasen- Gleichspannungswandler. Dabei ist auf der Oberseite einer Leiteplatte 50 eine Spulenanordnung 51 angeordnet. Beispielhaft sei angenommen, dass es sich auch bei dieser Spulenanordnung um zwei über einen Magnetkern mit Luftspalt gekoppelte Spulen handle. Eine Steuerschaltung 52, in welche zumindest eine Steuereinheit und ein magnetfeldempfindliches Sensorelement (beide nicht gesondert dargestellt) integriert sind, ist auf der Unterseite der Leiterplatte 50 angeordnet. Die Steuerschaltung 52 ist dabei als integrierte Schaltung realisiert, welche derart positioniert ist, dass sie sich mit der Spulenanordnung 51 zumindest teilweise überlappt und zwar derart, dass das in die Steuerschaltung integrierte magnetfeldempfindlich Sensorelement in geeigneter Position in Bezug auf die Spulenanordnung zu liegen kommt.