双有源桥式转换器、电压转换器装置和用于运行双有源桥式转换器的方法与流程

1.本发明涉及一种用于运行双有源桥式转换器的方法。本发明还涉及一种双有源桥式转换器以及一种具有双有源桥式转换器的电压转换器装置。


背景技术：

2.双有源桥式转换器是具有两个半导体全桥的双向直流电压转换器。由于其紧凑性，双有源桥式转换器特别有利地用于具有有限安装空间的应用。此外，双有源桥式转换器还可以在两个直流电压侧之间实现直流的电势隔离。例如从ep 3 285 382 a1中已知一种使用双有源桥式转换器的探测方法。
3.在运行双有源桥式转换器时，所谓的死区时间效应会影响系统的可控性。死区时间一般可以理解为在系统输入端的信号变化和系统输出端的信号响应之间的时间跨度。在例如特别是在双有源桥式转换器中采用的压下的情况下，在关断半桥的开关元件和接通半桥的相应另一个开关元件之间对应有死区时间。对于双有源桥式转换器，这种死区时间出现在硬切换运行和软切换运行之间的过渡区域中。该过渡区域也被描述为死区时间范围。


技术实现要素：

4.本发明提出了具有独立专利权利要求的特征的一种用于运行双有源桥式转换器的方法、一种双有源桥式转换器以及一种电压转换器装置。其他有利的实施方式是从属权利要求的主题。
5.据此，规定：一种用于运行双有源桥式转换器的方法，具有用于确定双有源桥式转换器的调控变量的步骤。该方法还包括用于给调控变量叠加纹波分量的步骤、以及利用叠加有纹波分量的调控变量来操控双有源桥式转换器的步骤。
6.此外规定：一种带有控制机构的双有源桥式转换器。该控制机构被设计用于确定双有源桥式转换器的调控变量，为该调控变量叠加纹波分量，并利用叠加有纹波分量的调控变量来操控双有源桥式转换器。
7.最后规定：一种具有至少一个根据本发明的双有源桥式转换器的电压转换器装置。
8.本发明的优点，本发明基于以下认识：在双有源桥式转换器中，在硬切换运行和软切换运行之间的过渡区域内，在操控双有源桥式转换器中的开关元件时，由于死区时间，会出现调控变量停滞或调控变量的自放大。然而，为了可靠且稳定地调控双有源桥式转换器的输出变量，需要调控路径的连续且严格单调的特性曲线。
9.因此，本发明的构思是，考虑到这一认识，并对双有源桥式转换器规定一种操控，该操控可以克服在双有源桥式转换器的硬切换运行和软切换运行之间的过渡区域中的由死区时间引起的效应。为此，根据本发明规定，将用于双有源桥式转换器的调控变量与附加的纹波分量叠加。该纹波分量可以是交替的偏移，例如周期信号。在此可以特别地选择纹波
的频率，使得一方面双有源桥式转换器可以跟随由纹波引起的变化，但另一方面，双有源桥式转换器的输出变量不会出现明显的由纹波引起的干扰或波动。因此，具体频率或具体频率范围（纹波可以在该频率范围内移动）可以取决于双有源桥式转换器的其他运行参数。
10.通过为双有源桥式转换器的调控变量叠加附加的纹波，对调控变量施加偏移，使得双有源桥式转换器对于调控变量的每个值来说也由于叠加的纹波而至少有时也在死区时间范围之外运行。为此，需要为叠加的波纹规定相应地足够大的幅度。
11.通过这种方式可以保证即使在双有源桥式转换器的死区时间范围内也将实现在调控变量与输出变量之间的关系的特性曲线的严格单调的上升。
12.如果在整个运行范围内采用此策略，则不需要确切地了解双有源桥式转换器的死区时间范围的具体位置。由此特别地可以实现相对于构件公差的高度鲁棒性。
13.根据一个实施方式，调控变量包括双有源桥式转换器的输出电流的目标值。特别地，调控变量可以涉及在双有源桥式转换器的输入侧和输出侧的操控之间的相移。
14.根据一个实施方式，纹波分量包括具有预先确定的信号形状的周期变量。纹波分量的幅度在此至少应选择得如此之大，使得在通过死区时间范围时可以避免调控变量的停滞。
15.根据一个实施方式，纹波分量的预先确定的信号形状可以包括矩形的信号曲线、正弦形的信号曲线、三角形的信号曲线或锯齿形的信号曲线。此外，任何其他合适的信号曲线也是可能的。特别是，可以通过合适的数字信号，非常容易地实现矩形的信号曲线。此外，必要时可以例如通过正弦形的信号曲线将高频的干扰成分降至最低。
16.根据一个实施方式，纹波分量具有固定的预先确定的频率。对合适频率的选择在此可以取决于双有源桥式转换器的其他运行特性。特别地，预先确定的频率应该足够高，以避免在双有源桥式转换器的输出变量中的波动。
17.根据一个实施方式，纹波分量的频率可以在预先确定的频率范围内改变。特别地，频率可以在预先确定的频率范围内周期性地改变。通过改变纹波分量的频率，可以消除或至少减小其他的干扰影响。
18.根据一个实施方式，可以使用调控变量的当前值来调节纹波分量的幅度。例如，在双有源桥式转换器的硬切换运行和软切换运行之间的过渡中，在预期的死区时间范围内或周围预先确定的范围内的区域中可以提高幅度。相应地，在远离预期死区时间范围的区域内，可以降低纹波分量的幅度。此外，当然也可行的是用于调整纹波分量的幅度的任何其他的方案。
19.根据电压转换器布置的一个实施方式，电压转换器布置可以包括多个双有源桥式转换器。在这种情况下，各个双有源桥式转换器的调控变量可以叠加有不同的纹波分量。特别地，各个特性，比如纹波的频率，但也可以是纹波的信号形状，对于各个双有源桥式转换器可以是不同的。
20.上述设计和改进可以任意地相互组合，只要有意义。本发明的其他设计、改进和实施还包括在前面或下面针对实施例描述的本发明的特征的未明确提及的组合。特别地，本领域的技术人员还会对本发明的相应的基本形式添加各个方面作为改善或补充。
附图说明
21.下面参考附图解释本发明的其他特征和优点。
22.图1是比如本发明的实施方式所基于的双有源桥式转换器的原理电路图的示意图；图2是在运行双有源桥式转换器时的示意性的电压曲线；图3是在运行根据一个实施方式的双有源桥式转换器时的输出电流以及所基于的调控变量的示意图；和图4是根据一个实施方式的用于运行双有源桥式转换器的方法所基于的流程图。
具体实施方式
23.图1示出了根据一个实施方式的双有源桥式转换器1的示意图。初级侧包括具有两个开关元件mlp和m2p的第一半桥，以及具有两个开关元件m3p和m4p的第二半桥。次级侧20同样包括具有开关元件m1s至m4s的两个半桥。在初级侧和次级侧之间，变压器区30包括第一初级侧电感llp、第二初级侧电感l2p以及次级侧电感lls。在初级侧提供输入电压v_p，该输入电压通过双有源桥式转换器1转换成次级侧的输出电压v_s。为了操控开关元件mlp至m4p以及m1s至m4s，可以设置控制机构40。然而，除了双有源桥式转换器1的在图1中示出的实施方式之外，本发明的下面描述的原理基本上还可以应用于任何其他合适的直流电压转换器。特别地，控制变量与纹波分量的根据本发明的叠加也可以应用于双有源桥式转换器的其他变体。这种变体尤其例如包括电压转换器，该电压转换器在初级侧和/或次级侧仅具有一个半桥，该半桥具有分压的输入电容器。此外，例如，用于提高输入电压或平滑变压器电压的晶体管的多级配置也是可能的。此外，必要时也可以省略耦合网络的电感中的一个或多个电感，或者实现次级侧的分路电感。
24.图2为在双有源桥式转换器1运行时的电压时序的示意图。如图2上区域所示，通过初级侧的开关元件mls至m4s，提供脉冲状的电压曲线，其中通过第一相位角a来预定脉冲的持续时间。在次级侧产生电压脉冲，其中次级侧脉冲的持续时间通过第二相位角b来预定。第三相位角d由在初级侧和次级侧的电压脉冲的中心点之间的时间偏移给出。作为双有源桥式转换器1的输出电流的调控变量，特别地例如第三相位角d可以变化。
25.在调控变量、特别是第三相位角d的连续增加时，在此在死区时间范围内，在双有源桥式转换器1的软切换运行和硬切换运行之间的过渡中，输出变量、特别是输出电流出现停滞。
26.为了抵消这种影响并实现在死区时间范围内尽可能严格单调的上升，可以用附加的纹波分量来叠加调控变量d。该纹波分量例如可以是具有预定频率的周期信号。通过这种方式，调控变量d就会随着叠加纹波的幅度周期性地波动。如果调控变量d例如具有值d，叠加的纹波分量的幅度用a表示，则双有源桥式转换器1以d
±
a范围内的调控变量运行。如果纹波分量的幅度a被选择得足够大，则可以对于调控变量d的每个值都确保调控变量d至少有时处于死区时间范围之外。由此特别是在死区时间范围内，也可以在整个调控范围内实现输出变量的严格单调的增大，即使偶尔会减小。
27.图3示出了这种关系，并以输出电流i的形式示出了输出变量的时间曲线，以及示出了在此所基于的调控变量d。与调控变量d叠加的纹波分量在此处被大大简化，并以非常
低的频率示出。这个低频率只是用于更好的理解。然而，在实践和操作运行中，通常会为叠加的纹波选择明显更高的频率。
28.图3中的区域i表征硬切换区域，区域iii表征软切换区域，并且区域ii表征在硬切换区域和软切换区域之间的过渡中的死区时间范围。
29.如在图3中可以看出，即使在第一条虚线和第二条虚线之间的死区时间范围内，输出变量i也未出现停滞。为了比较，输出变量i*的曲线用虚线表示，其基于没有叠加波纹的调控变量d。
30.如前已述，纹波分量可以形成为具有固定预定的频率的周期信号。替代地也可行的是，纹波的频率在预定的频率范围内改变。例如，频率可以在预定频率范围内周期性地上升和/或下降。例如，纹波频率在预定的频率范围内的正弦变化也是可能的。用于在预定的频率范围内改变纹波分量的频率的任何其他原理当然也是可能的。
31.叠加在调控变量d上的纹波分量在此可以具有任何信号形状。特别地，例如矩形的、三角形的、锯齿形的或正弦形的波纹分量是可能的。
32.纹波分量的幅度例如可以在整个调控范围内保持恒定。此外，必要时也可以改变纹波分量的幅度。例如可行的是，在预期的死区时间范围内增加纹波分量的幅度。然而，用于调整纹波分量的幅度的任何其他方案基本上也是可行的。特别地，纹波分量的幅度应该总是选择得至少如此大，使得即使在死区时间范围内也可以通过将调控变量d与纹波分量叠加而至少部分地离开死区时间范围。
33.在前面的陈述中描述了具有单个双有源桥式转换器1的电路布置的操控的原理。此外，原则上也可以将该原理应用于具有多个并联连接的双有源桥式转换器的电路布置。特别地，在具有多个并联连接的双有源桥式转换器的电路布置中，可以针对各个双有源桥式转换器不同地选择与调控变量叠加的纹波分量。
34.图4示出流程图的示意图，比如根据一个实施方式的用于运行双有源桥式转换器1的方法基于该流程图。原则上，该方法可以包括如上文已经结合双有源桥式转换器1描述的任何步骤。类似地，上述双有源桥式转换器也可以包括用来实现下面描述的方法的任何部件。
35.在第一步骤中，可以确定用于双有源桥式转换器1的运行的调控变量d。该确定例如可以包括从外部的调控机构接收调控变量。附加地或替代地也可行的是，基于一个或多个另外的目标值和/或测量值来确定调控变量d。在步骤s2中，所确定的调控变量d可以叠加有纹波分量。对于叠加在调控变量d上的纹波分量，上面已经解释过的可行方案是适用的。最后，在步骤s3中，可以使用叠加有纹波分量的调控变量d来操控双有源桥式转换器1。
36.总之，本发明涉及操控双有源桥式转换器。尤其是规定，用于双有源桥式转换器的调控变量叠加有附加的纹波分量，并且双有源桥式转换器通过调控变量和附加的纹波分量的组合来操控。