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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Schalten von Energieumwandlungsschaltkreisen, die umfassen, aber nicht beschränkt sind auf bidirektionale Energieumwandlungsschaltkreise.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Bidirektionale isolierte DC/DC-Wandler sind in einem weiten Anwendungsbereich nützlich. Beispiele derartiger Anwendungen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf unterbrechungsfreie Energieversorgungen, Batterieladesysteme, Hilfsenergieversorgungen für hybrid-elektrische Fahrzeuge und reine Elektrofahrzeuge.
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1 stellt einen grundsätzlichen bidirektionalen DC/DC-Wandler mit zwei Drosselspulen dar. Bei einer Hochtransformationsbetriebsart arbeiten Schalter Q1 und Q2 als die Hauptschaltvorrichtung, um Energie von Vlo an Vhi zu übertragen. Bei einer Abwärtstransformationsbetriebsart arbeiten die Schalter S1–S4 als die Hauptschaltvorrichtung, um Energie von Vhi an Vlo zu übertragen.
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Es wurde festgestellt, dass Hochtransformationswandler mit zwei Drosselspulen nur einen begrenzten Ausgangsspannungsregelbereich aufweisen, wenn sie mit niedrigen Arbeitszyklen betrieben werden. Genauer gesagt führen, wenn eine Last unter der minimalen Eingangsleistung eines Wandlerschaltkreises dieses Typs liegt, weitere Verringerungen der Last zu einem ungewöhnlichen Ansteigen der Ausgangsspannung aufgrund einer übermäßigen Energiespeicherung in den Drosselspulen. Yan et al. haben eine Lösung zum Vermeiden dieser Ausgangsspannungsanstiege vorgeschlagen (”Isolated Two-inductor Boost Converter with One Magnetic Core”, achtzehnte jährliche Applied Power Electronics Conference and Exposition, 9.–13. Februar 2003, Miami Beach, Florida, Seiten 879–885). Ein mit zwei Drosselspulen in Reihe geschalteter Hilfstransformator wird verwendet, um die zwei Eingangsstrompfade magnetisch zu koppeln, was sicherstellt, dass der Strom in den zwei Drosselspulen gleich ist. Auf diese Weise wird ein Drosselspulenstrom beseitigt, wenn die Last keinen Strom zieht. Eine von Yan et al. offenbarte magnetische Komponente stellt einen isolierten Hochtransformations-Wandler mit zwei Drosselspulen, der einen Transformator aufweist, bereit. Diese Komponente weist zwei intrinsisch gekoppelte Drosselspulenwicklungen auf und ist mit einem Spalt in einem dreischenkligen magnetischen Kern implementiert. Es kann jedoch sein, dass Schaltkreise, welche einen Hilfstransformator verwenden, und diejenigen, welche die magnetische Komponente von Yan et al. verwenden, es erforderlich machen, dass diese Wicklungen oder Komponenten zum Leiten von hohen Strömen in der Lage sind.
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Ein weiteres Beispiel eines DC/DC-Wandlers ist von Li et al. offenbart (”A Natural ZVS High-power Bi-direction DC-to-DC Converter with Minimum Number of Devices”, präsentiert beim IEEE Industry Applications Society Annual Meeting vom 30. September bis 4. Oktober 2001, Chicago, III., Seiten 1874–1881). Dieser Wandler wird mit dualen Halbbrücken betrieben, die an beiden Seiten eines Isoliertransformators angeordnet sind. Wenn Energie von der Niederspannungsseite an die Hochspannungsseite fließt, arbeitet der Schaltkreis in der Hochtransformationsbetriebsart. Umgekehrt arbeitet der Schaltkreis in der Abwärtstransformationsbetriebsart, wenn Energie in die entgegengesetzte Richtung fließt, um eine Batterie wiederaufzuladen, die zur Bereitstellung von Energie an den Niederspannungsabschnitt verwendet wird. Um Bidirektionalität zu unterstützen, wird eine komplexe dreizehnstufige Kommutierungsprozedur verwendet, die von den Größen verschiedener Ströme zu bestimmten Zeitpunkten abhängt.
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2 stellt den Wandler dar, der in der
US 2006 0002156 A1 mit dem Titel ”DC Converter Circuit with Overshoot Protection” beschrieben ist, welche dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung gehört. Die zusätzlichen Kondensatoren C1 und C2 stellen ein weiches Schalten für S2 und S4 bereit, wenn S1–S4 als die Hauptschaltvorrichtung für die Abwärtstransformationsbetriebsart arbeiten, und sie stellen einen Überschwingschutz für Q1 und Q2 bereit, wenn Q1 und Q2 als die Hauptschaltvorrichtung für die Hochtransformationsbetriebsart arbeiten.
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3 zeigt eine Gatetreibersteuerungswellenform, die in der
US 2005 0024904 A1 von Kajouke et al. mit der US-Seriennummer 10/630,496 beschrieben ist, welche dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung gehört. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Steuerungsverfahren, das allgemein auf jeden bidirektionalen Wandler einschließlich der in
1 und
2 gezeigten Wandler angewandt werden kann, um einen lastfreien Betrieb in beide Richtungen zu erreichen. Wenn dieses Verfahren auf den in
2 gezeigten Schaltkreis angewandt wird, sorgt es für den lastfreien Betrieb in der Abwärtstransformationsbetriebsart (Energie fließt von Vhi zu Vlo). Wenn dieses Verfahren jedoch auf die Hochtransformationsbetriebsart angewandt wird (Energie fließt von Vlo zu Vhi), wird der durch C1 und C2 für Q1 und Q2 bereitgestellte Überschwingschutz durch die Schaltaktion von S2 und S4 zerstört, welche nur für den lastfreien Betrieb benötigt wird.
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Bei dem Normalbetrieb des in
2 gezeigten Schaltkreises, der in der Hochtransformationsbetriebsart arbeitet, arbeiten die Schalter Q1 und Q2 als die Hauptschaltvorrichtung, und die Schalter S1–S4 arbeiten als Gleichrichter mit den internen antiparallelen Dioden. Bei einem Betrieb mit einer lastfreien Bedingung jedoch muss eine minimale Energiemenge von der Energiequelle Vlo zu Vhi fließen, da Q1 und Q2 nicht beide gleichzeitig ausgeschaltet werden können. Diese Bedingung ist notwendig, um abrupte Änderungen bei dem Strom, der durch die Drosselspulen fließt, zu vermeiden, welche zu zerstörerischen Spannungsspitzen an den Schaltern führen können. Auch wenn nur eine minimale Energiemenge von der Energiequelle Vlo an Vhi fließen würde und keine Energie umgekehrt von Vhi an Vlo zurückgesendet würde, würde die Ausgangsspannung an dem Kondensator C0 fortwährend ansteigen und könnte folglich nicht geregelt werden. Das von Kajouke et al. in der
US 2005 0024904 A1 vorgeschlagene Verfahren verwendet die Schalter S1–S4, um einen umgekehrten Energiefluss bereitzustellen, um eine minimale Energiemenge auszugleichen, die vorwärts von der Energiequelle Vlo an Vhi fließt. Die Schaltaktion der Schalter S2 und S4 wird jedoch die Überschwingschutzbedingung für die Schalter Q1 und Q2 zerstören.
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Die
US 2003 0198064 A1 schlägt einen DC/DC-Wandler vor, der an der Primärseite eines Transformators eine passive Schutzschaltung aus einem Kondensator und einer Diode zum Schutz der primärseitigen Schalter vor Spannungsspitzen verwendet. Mit Hilfe geeigneter Schaltvorgänge bei Schaltern an der Sekundärseite des Transformators wird ein Strom durch eine Leckinduktivität des Transformators an einen Strom durch eine primärseitige Induktivität so angenähert, dass beim Umdrehen der Stromrichtung möglichst geringe Spannungsspitzen auftreten.
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In der
DE 10 2004 039 691 A1 ist eine Steuerung eines DC/DC-Wandlers offenbart, bei der Schalter in einem ersten Schenkel des DC/DC-Wandlers hart geschaltet werden, um Leitungsverluste zu minimieren, während Schalter in einem zweiten Schenkel des DC/DC-Wandlers bei Nullspannung geschaltet werden, um Schaltverluste zu verringern.
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Es wird ein Schaltkreis und ein Verfahren zum Betreiben des Schaltkreises benötigt, welche eine Spannungsregelung bei einer lastfreien Bedingung über einen weiten Spannungsbereich bereitstellen und welche auch einen Überschwingschutz für Q1 und Q2 bereitstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Schaltkreis-Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Steuerungsschaltung und einen Wandler. Der Wandler ist ein isolierter bidirektionaler DC/DC-Wandler, der einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, eine mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelte Hochtransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung, eine mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelte Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung und eine Hochtransformationsbetriebsart-Überschwingschutzschaltung umfasst. Die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung umfasst einen ersten Schalter, der zwischen eine erste Leitung der Sekundärwicklung und einen ersten Anschluss einer Last geschaltet ist, einen zweiten Schalter, der zwischen eine zweite Leitung der Sekundärwicklung und den ersten Anschluss der Last geschaltet ist, einen dritten Schalter, der zwischen die erste Leitung der Sekundärwicklung und einen zweiten Anschluss der Last geschaltet ist und einen vierten Schalter, der zwischen die zweite Leitung der Sekundärwicklung und den zweiten Anschluss der Last geschaltet ist. Die Steuerungsschaltung ist mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Schalter gekoppelt und dient dazu, die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie während eines ersten Halbzyklus von einem Grundzustand in einen ersten Halbzykluszustand wechselt. Der Grundzustand liegt vor, wenn der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter alle ausgeschaltet sind. Der erste Halbzykluszustand liegt vor, wenn der erste Schalter eingeschaltet ist, und der zweite, der dritte und der vierte Schalter alle ausgeschaltet sind. Die Steuerungsschaltung dient ferner dazu, die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie an einem Ende des ersten Halbzyklus von dem ersten Halbzykluszustand in den Grundzustand wechselt. Die Steuerungsschaltung dient ferner dazu, die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie während eines zweiten Halbzyklus von dem Grundzustand in einen zweiten Halbzykluszustand wechselt. Der zweite Halbzykluszustand liegt vor, wenn der dritte Schalter eingeschaltet ist, und der erste, der zweite und der vierte Schalter alle ausgeschaltet sind.
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Eine Verfahrens-Ausführungsform der Erfindung betreibt einen isolierten bidirektionalen DC/DC-Wandler, um eine Spannungsregelung bei einer Bedingung ohne Last über einen weiten Spannungsbereich bereitzustellen, und um auch einen Überschwingschutz für die Hauptschalttransistoren der Hochtransformationsbetriebsart bereitzustellen, welche neue Treiberwellenformen der Hochtransformationsbetriebsart verwendet. Die neuen Wellenformen treiben die Schalter S2 und S4 so, dass sie während der Hochtransformationsbetriebsart ausgeschaltet sind, und nur S1 und S3 geschaltet werden, um bei einer Bedingung ohne Last einen Rückwärtsenergiefluss bereitzustellen. In der Hochtransformationsbetriebsart stellen C1 und C2 einen Überschwingschutz bereit, der von einer Leckinduktivität des Isoliertransformators verursacht wird, wenn die Hochtransformationsbetriebsart-Treibertransistoren während eines Vorwärtsenergieflusses ausschalten, und sie stellen gespeicherte Energie während Rückwärtsenergieflussperioden, die zur Spannungsregelung in der Hochtransformationsbetriebsart verwendet werden, für einen Rückwärtsenergiefluss bereit. Bei der Abwärtstransformationsbetriebsart stellen C1 und C2 ein weiches Schalten für die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschalttransistoren S2 und S4 bereit.
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In Verbindung mit einem isolierten bidirektionalen DC/DC-Wandler, der eine Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung umfasst, die wiederum einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Schalter umfasst, umfasst eine Ausführungsform der Erfindung mit einem prozessorlesbaren Medium Sätze von mit einem Prozessor ausführbaren Anweisungen, um die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie während eines ersten Halbzyklus von einem Grundzustand in einen ersten Halbzykluszustand wechselt. Der Grundzustand liegt vor, wenn der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter alle in einem ausgeschalteten Zustand sind. Der erste Halbzykluszustand liegt vor, wenn der erste Schalter in einem eingeschalteten Zustand ist und der zweite, der dritte und der vierte Schalter alle in einem ausgeschalteten Zustand sind. Die Ausführungsform umfasst ferner Sätze von mit dem Prozessor ausführbaren Anweisungen, um die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie an einem Ende des ersten Halbzyklus von dem ersten Halbzykluszustand in den Grundzustand wechselt. Die Ausführungsform umfasst ferner Sätze von mit dem Prozessor ausführbaren Anweisungen, um die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie während eines zweiten Halbzyklus von dem Grundzustand in einen zweiten Halbzykluszustand wechselt. Der zweite Halbzykluszustand liegt vor, wenn der dritte Schalter in einem eingeschalteten Zustand ist, und der erste, der zweite und der vierte Schalter alle in einem ausgeschalteten Zustand sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die folgenden Figuren genau beschrieben.
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1 ist ein Schaltplan eines bekannten isolierten bidirektionalen DC/DC-Wandlers.
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2 ist ein Schaltplan des weich schaltenden isolierten bidirektionalen DC/DC-Wandlers mit Überschwingschutz, der in der
US 2006 0002156 A1 gezeigt ist.
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3 ist eine Wellenformaufzeichnung von Hochtransformationsbetriebsart-Gatetreiberwellenformen eines isolierten bidirektionalen DC/DC-Wandlers mit leichter oder keiner Last, der in der
US 2005 0024904 A1 gezeigt ist.
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4 ist eine Wellenformaufzeichnung von Hochtransformationsbetriebsart-Gatetreiberwellenformen eines isolierten bidirektionalen DC/DC-Wandlers mit Überschwingschutz auch bei leichten oder keiner Last, die ein Beispiel der vorliegenden Erfindung ist.
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5 ist eine Wellenformaufzeichnung der Stromwellenform der zwei Drosselspulen in der Hochtransformationsbetriebsart ohne Last als ein Beispiel der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist rein beispielhafter Natur und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu beschränken.
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Hierin ist ein Verfahren zum Betreiben des Schaltkreises von 2 beschrieben, das eine Spannungsregelung bei einer Bedingung ohne Last über einen weiten Spannungsbereich bereitstellen wird, und das auch einen Überschwingschutz für die Hauptschalttansistoren der Hochtransformationsbetriebsart, nämlich die Eingangsschalttransistoren in der Hochtransformationsbetriebsart (z. B. Q1 und Q2) bereitstellen wird. Das Betriebsverfahren verwendet nur die Schalter S1 und S3 (nicht die Schalter S2 und S4) in der Hochtransformationsbetriebsart, um für den Rückwärtsenergiefluss von der in C1 und C2 gespeicherten Energie zu sorgen, wenn die Hochtransformationsbetriebsart bei Bedingungen ohne Last betrieben wird. In der Hochtransformationsbetriebsart wird Energie vorwärts von Vlo zu Vhi übertragen, bis die an C0 (d. h. C1 und C2 in Reihe geschaltet) aufgeladene Spannung die maximale Regelgrenze überschreitet, und dann wird mit einem Rückfluss begonnen, um Energie in eine Rückwärtsrichtung von Vhi zu Vlo zu übertragen, bis die an C0 (d. h. C1 und C2 in Reihe geschaltet) aufgeladene Spannung unter die minimale Regelgrenze fällt. Wegen der begrenzten in C1 und C2 gespeicherten Energie wird der in 2 gezeigte Schaltkreis eine Spannungsregelung der Spannung Vhi ohne Last über einen weiten Spannungsbereich bereitstellen und bei allen Betriebsbedingungen auch den Überschwingschutz für Q1 und Q2 bereitstellen.
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Daher werden nun C1 und C2 drei Funktionen aufweisen. Bei einem Betrieb in einer Abwärtstransformationsbetriebsart, in der S1 und S4 als Hauptschaltvorrichtungen zur Umwandlung von Energie von Vhi an Vlo verwendet werden, sorgen C1 und C2 für ein weiches Schalten der Schaltvorrichtungen S2 und S4. Bei einem Betrieb in einer Hochtransformationsbetriebsart, in der Q1 und Q2 als Hauptschaltvorrichtungen zur Umwandlung von Energie von Vlo an Vhi verwendet werden, sorgen C1 und C2 für einen Überschwingschutz aufgrund der Leckinduktivität des Transformators, wenn Q1 oder Q2 ausschaltet. Das genaue Arbeitsprinzip der Hochtransforrnationsbetriebsart ist in der
US 2006 0002156 A1 mit dem Titel ”DC Converter Circuit with Overshoot Protection”, das dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung gehört, erörtert. Bei einem Betrieb in einer Hochtransformationsbetriebsart mit leichter oder keiner Last bilden C1, C2, S1 und S3 einen Halbbrückenschaltkreis, um für einen Rückwärtsenergiefluss zu sorgen, der die Spannungsregelung ermöglicht.
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4 stellt Gatetreiber-Wellenformen der Hochtransformationsbetriebsart des isolierten bidirektionalen DC/DC-Wandlers mit Überschwingschutz auch bei einer leichten und keiner Last dar. Das Arbeitsprinzip des Rückwärtsflussbetriebs der Hochtransformationsbetriebsart ist wie folgt.
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5 stellt einen vollen Zyklus der Stromwellenformen einer der Drosselspulen, nämlich den Strom durch L1 von
2, in der Hochtransformationsbetriebsart bei einer leichten oder keiner Last dar. Zum Zeitpunkt t0 werden Q1 und Q2 eingeschaltet. Der Strom durch die Drosselspule L1, der durch Q1 fließt, steigt linear an. Zum Zeitpunkt t1 wird Q1 ausgeschaltet, Q2 bleibt eingeschaltet und S1 wird eingeschaltet. Der Strom von einer Seite der Quelle von Vlo (z. B. der „+”-Seite) geht durch L1 in die mit einem Punkt markierte Seite der Primärwicklung des Isoliertransformators, aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Primärwicklung des Isoliertransformators, durch Q2 und zurück zu der anderen Seite der Quelle von Vlo (z. B. der „–”-Seite). Wenn Q1 abgeschaltet wird, fährt der Strom, der zuvor durch L1 floss, fort, durch L1 zu fließen, muss aber plötzlich durch die Primärwicklung des Isoliertransformators, durch Q2 und zurück zu der anderen Seite der Quelle von Vlo fließen. Diese plötzliche Stromänderung legt einen Großteil der Spannung von Vlo an die Primärwicklung des Isoliertransformators an, und in der Tat tritt aufgrund der Leckinduktivität in dem Isoliertransformator ein Spannungsüberschwingen an Q1 auf. Das Spannungsüberschwingen an Q1 aufgrund der Leckinduktivität des Isoliertransformators wird durch C1 und C2 verringert, wie in der
US 2006 0002156 A1 mit dem Titel ”DC Converter Circuit with Overshoot Protection”, das dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung gehört, genau beschrieben ist.
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Der Strom durch die Drosselspule L1, der nun in die mit einem Punkt markierte Seite der Primärwicklung des Isoliertransformators fließt, induziert einen Sekundärwicklungsstrom aus der mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators heraus. Dies überträgt Energie von Vlo nach Vhi, und während der Energieübertragung nimmt der Strom durch L1 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ab. Ein Teil dieses in der Sekundärwicklung des Isoliertransformators induzierten Stroms lädt C1 auf, indem er in einem Schaltkreis aus der mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators heraus durch die antiparallele Diode des Schalters S1, durch C1 und zurück in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt. Ein Teil dieses Stroms entlädt auch C2, indem er in einem Schaltkreis aus der mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators heraus durch die antiparallele Diode des Schalters S1, durch C0, durch C2 (in eine Richtung, die einer Laderichtung entgegengesetzt ist) und zurück in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt.
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Wenn C2 entladen worden ist, bewirkt die Diode im Schalter S4, dass der Strom C2 umgeht und durch die antiparallele Diode von S4 fließt. Somit entlädt sich C2, fängt aber nicht an, sich in eine negative Richtung aufzuladen. Nachdem C1 vollständig geladen und C2 vollständig entladen ist, werden die antiparallelen Dioden von S1 und S4 beide in Vorwärtsrichtung betrieben.
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Die in L1 gespeicherte Energie wird nun an Vhi übertragen (und bei C0 angesammelt). Ein Teil des Stroms aus der mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt in einem Schaltkreis durch die antiparallele Diode des Schalters S1, durch C0, durch die antiparallele Diode von S4 und zurück in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators. Und ein Teil des Stroms aus der mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt in einem Schaltkreis durch die antiparallele Diode des Schalters S1, durch C1 und zurück in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators. Bei einem Beispiel der Erfindung ist die Kapazität von C0 wesentlich größer als die Kapazität von C1, so dass ein Großteil der übertragenen Energie, der in der Last nicht verwendet wird, in C0 absorbiert wird. C1 und C2 dienen zum Bereitstellen einer weichen Schaltfunktion zum Schalten der Transistoren Q1 und Q2.
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Während der Kondensator C0 geladen wird, nimmt der Strom durch L1 ab. In der Hochtransformationsbetriebsart fließt weiterhin Energie von Vlo an Vhi, bis zum Zeitpunkt t3 der Strom durch L1 Null erreicht und die Energieübertragung an Vhi stoppt (siehe 5).
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Zum Zeitpunkt t3 hat sich die Spannung an der Sekundärwicklung des Isoliertransformators auf weniger als die Spannung an C1 verringert. Da der Schalter S1 eingeschaltet ist, fängt ein Teil des Stroms an, rückwärts in einem Schaltkreis aus C1 heraus, durch S1 in die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators und dann aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators heraus und zurück in C1 zu fließen. Und ein Teil des Stroms fließt rückwärts in einem Schaltkreis aus C0 heraus, durch S1, in die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators und dann aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators durch C2 und zurück in C0. Dieser Rückwärtsstromfluss bewirkt, dass sich der Stromfluss in L1 umdreht und negativ wird (siehe 5), wodurch Energie in die Quelle Vlo übertragen wird.
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Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 dreht die Energie die Flussrichtung um, was C1 (und C0) entlädt und C2 auflädt. Da S1 bereits zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet wurde und zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 eingeschaltet bleibt, fließt die in C1 gespeicherte Energie aus C1 heraus, durch den Schalter S1, in die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators, aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators und zurück an C1. Während C1 Energie verliert und sich die Spannung an C1 entlädt, fängt ein Teil des Stroms aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators heraus an, durch C2 (in eine Richtung, die C2 auflädt), durch C0, durch den Schalter S1 und zurück in die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators zu gehen, um den Schaltkreis zu vervollständigen und C2 zu laden, so dass sich die Spannungen an C1 und C2 zu der Spannung an C0 aufsummieren. Dieser Stromfluss entlädt C1 und lädt C2. Dies bewirkt, dass Energie in einer Hochtransformationsbetriebsart in eine Rückwärtsrichtung über den Isoliertransformator fließt, was Strom in die Drosselspule L1 hineinfließen lässt und Energie von Vhi an Vlo überträgt.
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Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 induziert ein Strom, der in die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt, einen Strom, der aus der mit einem Punkt markierten Seite der Primärwicklung des Isoliertransformators herausfließt, einen induzierten Strom, der durch L1 fließen muss und einen negativen Stromfluss erzeugt, bis C1 entladen ist (siehe 5).
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Zum Zeitpunkt t4 wird Q1 wieder eingeschaltet, Q2 bleibt eingeschaltet und S1 wird wieder ausgeschaltet (siehe 4). Der negative Strom, der während eines umgekehrten Energieflusses in der Hochtransformationsbetriebsart durch L1 fließt, fängt an, abzunehmen, fährt aber fort bis zum Zeitpunkt t6, wenn der Drosselspulenstrom durch L1 Null erreicht (siehe 5).
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Nach dem Zeitpunkt t6 kehrt der Drosselspulenstrom durch L1 die Richtung um und fährt fort bis zum Zeitpunkt t1 (siehe 5) linear anzusteigen, und der nächste Zyklus beginnt. Der Zyklus für den Drosselspulenstrom durch L2 ist analog zu dem Drosselspulenstrom durch L1, wobei Q1 und Q2 vertauscht sind, S1 und S3 vertauscht sind, S2 und S4 vertauscht sind und C1 und C2 vertauscht sind. C0, Vhi und Vlo spielen weiterhin die gleichen Rollen, aber die mit einem Punkt markierten Seiten und die nicht mit einem Punkt markierten Seiten sind sowohl für die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung des Isoliertransformators vertauscht.
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Zum Beispiel wird zum Zeitpunkt t5 Q2 ausgeschaltet, Q1 bleibt eingeschaltet und S3 wird eingeschaltet. Mit dem Ausschalten von Q2 beginnend, geht ein Strom von einer Seite der Quelle von Vlo (z. B. der „+”-Seite) durch L2 in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Primärwicklung des Isoliertransformators, aus der mit einem Punkt markierten Seite der Primärwicklung des Isoliertransformators, durch Q1 und zurück zu der anderen Seite der Quelle von Vlo (z. B. der „–”-Seite). Das Spannungsüberschwingen an Q2 aufgrund der Leckinduktivität des Isoliertransformators wird durch C1 und C2 verringert.
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Der Drosselspulenstrom durch L2, der nun in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Primärwicklung des Isoliertransformators fließt, induziert einen Sekundärwicklungsstrom aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators heraus. Dies überträgt Energie von Vlo zu Vhi, und während Energie übertragen wird, nimmt der Strom durch L2 zwischen den Zeitpunkten t5 und t7 ab. Ein Teil dieses in der Sekundärwicklung des Isoliertransformators induzierten Stroms lädt C2 auf, indem er in einem Schaltkreis aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators durch C2, durch die antiparallele Diode des Schalters S3 und zurück in die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt. Auch entlädt ein Teil dieses Stroms C1, indem er in einem Schaltkreis aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators durch C1 (in eine Richtung, die einer Laderichtung entgegengesetzt ist), durch C0, durch die antiparallele Diode des Schalters S3 und zurück in die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt.
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Wenn C1 entladen ist, wird der Strom C1 umgehen und durch die antiparallele Diode von S2 fließen. Nachdem C2 vollständig geladen und C1 vollständig entladen ist, werden die antiparallelen Dioden von S2 und S3 in Vorwärtsrichtung betrieben. Die in L1 gespeicherte Energie wird nun an Vhi übertragen (und bei C0 angesammelt). Der Strom aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt in einem Schaltkreis durch die antiparallele Diode des Schalters S2, durch C0, durch die antiparallele Diode von S3 und zurück in die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators. In der Hochtransformationsbetriebsart fließt weiterhin Energie von Vlo zu Vhi, bis zum Zeitpunkt t7 der Strom durch L2 Null erreicht und die Energieübertragung an Vhi stoppt (siehe 5, die Wellenform mit gestrichelter Linie für den Drosselspulenstrom durch L2).
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Zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 kehrt die Energie die Flussrichtung um, wodurch C2 entladen und C1 geladen wird. Da S3 bereits zum Zeitpunkt t5 eingeschaltet wurde und zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 eingeschaltet bleibt, fließt die in C2 gespeicherte Energie aus C2 in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators, aus der mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators, durch den Schalter S3 und zurück an C2. Während C2 Energie verliert und sich die Spannung an C2 entlädt, fangt ein Teil des Stroms aus der mit einem Punkt markierten Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators an, durch den Schalter S3, durch C0, durch C1 (in eine Richtung, die C1 lädt) und zurück in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators zu gehen, um den Schaltkreis zu vervollständigen und C1 zu laden, so dass sich die Spannungen an C1 und C2 zu der Spannung an C0 aufsummieren. Dieser Stromfluss entlädt C2 und lädt C1. Dies bewirkt, dass Energie in einer Hochtransformationsbetriebsart in eine umgekehrte Richtung über den Isoliertransformator fließt, was Strom in die Drosselspule L2 hineinfließen lässt und Energie von Vhi an Vlo überträgt.
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Zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 induziert ein Strom, der in die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators fließt, einen Strom, der aus der nicht mit einem Punkt markierten Seite der Primärwicklung des Isoliertransformators herausfließt, einen induzierten Strom, der durch L2 fließen muss, um einen negativen Stromfluss zu erzeugen, bis C2 entladen ist (siehe 5, die Wellenform mit gestrichelter Linie für den Drosselspulenstrom durch L2).
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Zum Zeitpunkt t8 wird Q2 wieder eingeschaltet, Q1 bleibt eingeschaltet und S3 wird wieder ausgeschaltet (siehe 4). Die aufgrund des negativen Stroms, der während eines Rückwärtsenergieflusses in der Hochtransformationsbetriebsart durch L2 fließt, in L2 gespeicherte Energie fängt an, abzunehmen, und der negative Strom, der die in L2 gespeicherte Energie an die Quelle Vlo liefert, dauert an bis zum Zeitpunkt t1 des nächsten Zyklus.
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Bei einer Ausführungsform des Schaltkreises, die eine Steuerungsschaltung und einen Wandler umfasst, ist der Wandler ein isolierter bidirektionaler DC/DC-Wandler, der einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, eine Hochtransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung, die mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, eine Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung, die mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, und eine Hochtransformationsbetriebsart-Überschwingschutzschaltung (Kondensatoren C1 und C2) umfasst. Die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung umfasst einen ersten Schalter S1, der zwischen eine erste Leitung der Sekundärwicklung (die mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators) und einen ersten Anschluss einer Last (Vhi) gekoppelt ist. Die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung umfasst ferner einen zweiten Schalter S2, der zwischen eine zweite Leitung der Sekundärwicklung (die nicht mit einem Punkt markierte Seite der Sekundärwicklung des Isoliertransformators) und den ersten Anschluss der Last gekoppelt ist. Die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung umfasst ferner einen dritten Schalter S3, der zwischen die erste Leitung der Sekundärwicklung und einen zweiten Anschluss der Last gekoppelt ist. Die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung umfasst ferner einen vierten Schalter S4, der zwischen die zweite Leitung der Sekundärwicklung und den zweiten Anschluss der Last gekoppelt ist.
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Die Steuerungsschaltung (in 2 als ”Steuerungsschaltkreis” bezeichnet) ist mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Schalter S1, S2, S3, S4 gekoppelt. Die Steuerungsschaltung dient dazu, die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie während eines ersten Halbzyklus (bei t1 in 4 und 5) von einem Grundzustand in einen ersten Halbzykluszustand wechselt. Der Grundzustand liegt vor, wenn der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter alle ausgeschaltet sind. Der erste Halbzykluszustand liegt vor, wenn der erste Schalter S1 eingeschaltet ist, und der zweite, der dritte und der vierte Schalter S2, S3, S4 alle ausgeschaltet sind.
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Die Steuerungsschaltung dient auch dazu, die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie an einem Ende des ersten Halbzyklus (bei t4 in 4 und 5) von dem ersten Halbzykluszustand in den Grundzustand wechselt. Die Steuerungsschaltung dient ferner dazu, die Abwärtstransformationsbetriebsart-Hauptschaltschaltung so zu steuern, dass sie während eines zweiten Halbzyklus (bei t5 in 4–6) von dem Grundzustand in einen zweiten Halbzykluszustand wechselt. Der zweite Halbzykluszustand liegt vor, wenn der dritte Schalter S3 eingeschaltet ist, und der erste, der zweite und der vierte Schalter S1, S2, S4 alle ausgeschaltet sind.
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Die Steuerungsschaltung besteht häufig aus einem Mikroprozessor und einem Speicher, muss aber nicht auf diese Weise aufgebaut sein. Sie kann aus diskreten Komponenten, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), im Feld programmierbaren Gate Arrays (FPGAs) oder irgendwelchen Äquivalenten bestehen. Wenn sie aus einem Mikroprozessor (oder einem anderen Prozessor) besteht, teilt die Steuerungsschaltung den Prozessor mit weiteren Funktionen, die einem derartigen Prozessor häufig zugewiesen werden.
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Nachdem bevorzugte Ausführungsformen einer neuen bidirektionalen Steuerung mit Überschwingschutz ohne Last beschrieben wurden (welche zur Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung gedacht sind), ist anzumerken, dass Fachleute im Licht der voranstehenden Lehren Modifikationen und Variationen durchführen können. Es sollte daher verstanden sein, dass Änderungen bei den speziellen Ausführungsformen der offenbarten Erfindung durchgeführt werden können, welche im Schutzumfang der Erfindung liegen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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Nachdem die Erfindung mit den Details und der Genauigkeit beschrieben wurde, die von den Patentgesetzen gefordert ist, ist in den beigefügten Ansprüchen offengelegt, was beansprucht ist und durch ein Patent geschützt werden soll.