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DE102024203148A1 - Device and method for monitoring an electrical current in a power converter, power converter device - Google Patents

Device and method for monitoring an electrical current in a power converter, power converter device

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Publication number
DE102024203148A1
DE102024203148A1 DE102024203148.8A DE102024203148A DE102024203148A1 DE 102024203148 A1 DE102024203148 A1 DE 102024203148A1 DE 102024203148 A DE102024203148 A DE 102024203148A DE 102024203148 A1 DE102024203148 A1 DE 102024203148A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
power converter
transformer
connection point
electrical current
switching element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024203148.8A
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German (de)
Inventor
Emiliano Gudino Carrizales
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to PCT/EP2025/054947 priority patent/WO2025214636A1/en
Publication of DE102024203148A1 publication Critical patent/DE102024203148A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler, beispielsweise einem Gleichspannungswandler. Hierzu ist ein Transformator vorgesehen, welcher primärseitig in einen Strompfad des Leistungswandlers eingekoppelt ist. Auf der Sekundärseite dieses Transformators können Sensorsignale bereitgestellt werden, die zu dem Mittelwert und/oder einem Spitzenwert des zu überwachenden Stromflusses korrespondieren. Hierzu wird eine elektrische Verbindung zwischen der Sekundärseite des Transformators und den Ausgängen der Sensorsignale geöffnet, wenn die Primärseite des Transformators nicht bestromt wird. Während dieser Zeitintervalle kann eine Entmagnetisierung des Transformators erfolgen, um ein Gleichspannungsoffset in dem zu überwachenden Strom zu kompensieren. The invention relates to the monitoring of an electrical current in a power converter, for example, a DC-DC converter. For this purpose, a transformer is provided, which is coupled into a current path of the power converter on the primary side. Sensor signals corresponding to the mean value and/or a peak value of the current flow to be monitored can be provided on the secondary side of this transformer. For this purpose, an electrical connection between the secondary side of the transformer and the sensor signal outputs is opened when the primary side of the transformer is not energized. During these time intervals, the transformer can be demagnetized to compensate for a DC voltage offset in the current to be monitored.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Leistungswandlervorrichtung mit einer solchen Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler.The present invention relates to a device for monitoring an electrical current in a power converter. The present invention further relates to a power converter device having such a device for monitoring the electrical current. The present invention further relates to a method for monitoring an electrical current in a power converter.

Hintergrundbackground

Leistungswandler wie beispielsweise Gleichspannungswandler, sind in der Lage, elektrische Energie von einer Energiequelle mit einer ersten Spannungshöhe und einer ersten Spannungsform zu konvertieren und gemäß einer gewünschten zweiten Spannungshöhe mit der gleichen oder einer anderen Spannungsform auszugeben. Beispielsweise kann ein Gleichspannungswandler dazu genutzt werden, eine Eingangsgleichspannung in eine weitere Gleichspannung mit einer höheren oder niedrigeren elektrischen Spannung zu konvertieren. Gegebenenfalls kann dabei auch die Spannungsform verändert werden, so dass aus einer Eingangsgleichspannung beispielsweise eine Ausgangsspannung in Form einer ein- oder mehrphasigen elektrischen Wechselspannung bereitgestellt wird. Der Leistungswandler kann dabei gegebenenfalls auch galvanisch trennend ausgeführt werden, so dass die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung galvanisch voneinander getrennt sind.Power converters, such as DC-DC converters, are capable of converting electrical energy from an energy source with a first voltage level and a first voltage waveform and outputting it with the same or a different voltage waveform according to a desired second voltage level. For example, a DC-DC converter can be used to convert an input DC voltage into another DC voltage with a higher or lower electrical voltage. If necessary, the voltage waveform can also be changed so that, for example, an output voltage in the form of a single-phase or multi-phase electrical AC voltage is provided from an input DC voltage. The power converter can also be designed with galvanic isolation, so that the input voltage and the output voltage are galvanically separated from one another.

Leistungswandler können dabei unidirektional ausgeführt werden, so dass elektrische Energie nur in eine Richtung übertragen wird. Alternativ sind auch bidirektionale Leistungswandler bekannt, bei welchen elektrische Energie in beide Richtungen zwischen den Anschlüssen des Leistungswandlers übertragen werden kann.Power converters can be unidirectional, meaning electrical energy is transmitted in only one direction. Alternatively, bidirectional power converters are also available, allowing electrical energy to be transmitted in both directions between the power converter's terminals.

Die Druckschrift DE 10 2016 200 662 A1 beschreibt beispielsweise einen bidirektionalen Gleichspannungswandler zur Energieübertragung zwischen einem Niedervoltnetz und einem Hochvoltnetz in einem Elektrofahrzeug.The printed matter DE 10 2016 200 662 A1 For example, it describes a bidirectional DC-DC converter for energy transfer between a low-voltage network and a high-voltage network in an electric vehicle.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler sowie eine Leistungswandleranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention provides a device and a method for monitoring an electrical current in a power converter, as well as a power converter arrangement having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is provided:

Eine Vorrichtung zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler. Der Leistungswandler ist dazu ausgelegt, an einem ersten Anschluss mit einem ersten Energieversorgungsnetz gekoppelt zu werden. Weiterhin ist der Leistungswandler dazu ausgelegt, an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Energieversorgungsnetz gekoppelt zu werden. Die Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler umfasst einen Transformator, eine Entmagnetisierungseinrichtung sowie ein Schaltelement, insbesondere ein bidirektionales Schaltelement. Der Transformator umfasst eine Primärseite und eine Sekundärseite. Ein erster Anschlusspunkt der Primärseite des Transformators ist mit einem Anschlusspunkt des ersten Anschlusses des Leistungswandlers elektrisch gekoppelt. Ein zweiter Anschlusspunkt der Primärseite des Transformators ist mit einem Anschlusspunkt des ersten Energieversorgungsnetzes elektrisch gekoppelt. Ein weiterer Anschlusspunkt des Energieversorgungsnetzes kann mit einem zweiten Anschlusspunkt des ersten Anschlusses des Leistungswandlers elektrisch gekoppelt sein. Die Anschlusspunkte des zweiten Anschlusses des Leistungswandlers können mit korrespondierenden Anschlusspunkten des zweiten Energieversorgungsnetzes gekoppelt sein. Die Entmagnetisierungseinrichtung ist zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt der Sekundärseite des Transformators angeordnet. Die Entmagnetisierungseinrichtung ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Strom zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem zweiten Anschlusspunkt der Sekundärseite des Transformators zu ermöglichen, falls eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem zweiten Anschlusspunkt der Sekundärseite des Transformators einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Das Schaltelement der Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms ist zwischen dem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite des Transformators und einem Bezugspotenzial angeordnet. Die Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms ist insbesondere dazu ausgelegt, ein erstes Spannungssignal bereitzustellen, das zu einem Spitzenwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler korrespondiert. Zusätzlich oder alternativ ist die Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms dazu ausgelegt, ein zweites Spannungssignal bereitzustellen, das zu einem Mittelwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler korrespondiert.A device for monitoring an electrical current in a power converter. The power converter is designed to be coupled to a first power supply network at a first terminal. Furthermore, the power converter is designed to be coupled to a second power supply network at a second terminal. The device for monitoring the electrical current in the power converter comprises a transformer, a demagnetization device, and a switching element, in particular a bidirectional switching element. The transformer comprises a primary side and a secondary side. A first connection point of the primary side of the transformer is electrically coupled to a connection point of the first terminal of the power converter. A second connection point of the primary side of the transformer is electrically coupled to a connection point of the first power supply network. Another connection point of the power supply network can be electrically coupled to a second connection point of the first terminal of the power converter. The connection points of the second terminal of the power converter can be coupled to corresponding connection points of the second power supply network. The demagnetization device is arranged between a first connection point and a second connection point on the secondary side of the transformer. The demagnetization device is designed to enable an electrical current to flow between the first connection point and the second connection point on the secondary side of the transformer if an electrical voltage between the first connection point and the second connection point on the secondary side of the transformer exceeds a predetermined threshold. The switching element of the device for monitoring the electrical current is arranged between the first connection point on the secondary side of the transformer and a reference potential. The device for monitoring the electrical current is designed, in particular, to provide a first voltage signal corresponding to a peak value of the electrical current to be monitored in the power converter. Additionally or alternatively, the device for monitoring the electrical current is designed to provide a second voltage signal corresponding to an average value of the electrical current to be monitored in the power converter.

Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, it is planned:

Eine Leistungswandleranordnung mit einem Leistungswandler und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines elektrischen Stroms in dem Leistungswandler. Der Leistungswandler ist hierbei dazu ausgelegt, an einem ersten Anschluss mit einem ersten Energieversorgungsnetz gekoppelt zu werden und an einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Energieversorgungsnetz gekoppelt zu werden.A power converter assembly comprising a power converter and a device according to the invention for monitoring an electrical current in the power converter. The power converter is designed to be coupled to a first power supply network at a first terminal and to a second power supply network at a second terminal.

Schließlich ist vorgesehen:Finally, it is planned:

Ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler einer erfindungsgemäßen Leistungswandleranordnung. Hierbei wird in dem Verfahren abwechselnd das Schaltelement in der Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler geschlossen und geöffnet. Insbesondere wird das Schaltelement geschlossen, wenn die Primärseite des Transformators bestromt wird und geöffnet, wenn die Primärseite des Transformators nicht bestromt wird. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt zum Bereitstellen eines ersten Spannungssignals, für eine Detektion eines Spitzenwerts des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren einen Schritt zum Bereitstellen eines zweiten Spannungssignals umfassen, das zu einem Mittelwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler korrespondiert.A method for monitoring an electrical current in a power converter of a power converter arrangement according to the invention. In the method, the switching element in the device for monitoring the electrical current in the power converter is alternately closed and opened. In particular, the switching element is closed when the primary side of the transformer is energized and opened when the primary side of the transformer is not energized. The method further comprises a step for providing a first voltage signal for detecting a peak value of the electrical current to be monitored in the power converter. Additionally or alternatively, the method can comprise a step for providing a second voltage signal corresponding to an average value of the electrical current to be monitored in the power converter.

Bei dem Leistungswandler kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Leistungswandler handeln, der elektrische Leistung zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss übertragen kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Leistungswandler um einen Gleichspannungswandler handeln, der zwischen einem ersten Gleichspannungsanschluss und einem zweiten Gleichspannungsanschluss elektrische Leistung übertragen kann. Grundsätzlich sind jedoch auch Leistungswandler möglich, welche elektrische Leistung zwischen einem Gleichspannungsanschluss und einem ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsanschluss übertragen können. Die Leistungsübertragung kann hierbei unidirektional, das heißt grundsätzlich nur in eine Richtung von dem ersten Anschluss zu dem zweiten Anschluss oder bidirektional, das heißt sowohl von dem ersten zu dem zweiten als auch von dem zweiten zu dem ersten Anschluss übertragen werden.The power converter can basically be any power converter that can transfer electrical power between a first terminal and a second terminal. For example, the power converter can be a DC-DC converter that can transfer electrical power between a first DC terminal and a second DC terminal. However, power converters that can transfer electrical power between a DC terminal and a single- or multi-phase AC terminal are also possible. The power can be transferred unidirectionally, i.e., in principle, only in one direction from the first terminal to the second terminal, or bidirectionally, i.e., from the first terminal to the second terminal and from the second terminal to the first terminal.

Insbesondere kann es sich bei dem Leistungswandler um einen galvanisch trennenden Leistungswandler handeln. Hierzu kann beispielsweise in dem Leistungswandler ein Transformator oder Ähnliches vorgesehen sein, um die galvanische Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss zu gewährleisten.In particular, the power converter may be a galvanically isolating power converter. For this purpose, a transformer or similar device may be provided within the power converter to ensure galvanic isolation between the first and second terminals.

Die Spannungshöhe am ersten Anschluss des Leistungswandlers kann sich von der Spannungshöhe am zweiten Anschluss des Leistungswandlers unterscheiden. Beispielsweise kann eine elektrische Spannung am ersten Anschluss des Leistungswandlers kleiner sein, als die elektrische Spannung am zweiten Anschluss des Leistungswandlers. Ebenso ist es beispielsweise möglich, dass die elektrische Spannung am ersten Anschluss des Leistungswandlers größer ist als die elektrische Spannung am zweiten Anschluss des Leistungswandlers.The voltage level at the first terminal of the power converter can differ from the voltage level at the second terminal. For example, the voltage at the first terminal of the power converter can be lower than the voltage at the second terminal. Likewise, the voltage at the first terminal of the power converter can be higher than the voltage at the second terminal of the power converter.

Für die Überwachung und den Betrieb von Leistungswandlern und insbesondere beispielsweise für Schutzmaßnahmen wie zum Beispiel eine Notabschaltung bei einer Gefahrensituation, kann eine zuverlässige Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler von großer Bedeutung sein. Hierzu kann es insbesondere wünschenswert sein, ein potenzialfreies Sensorsignal zur Verfügung zu stellen, welches zu einem elektrischen Strom in dem Leistungswandler korrespondiert. Werden jedoch für die galvanische Trennung zum Bereitstellen von potenzialfreien Sensorsignalen Übertrager bzw. Transformatoren genutzt, so stellen elektrische Ströme, die mit einem Gleichspannungsoffset beaufschlagt sind, eine nicht zu vernachlässigende Herausforderung dar.Reliable monitoring of the electrical current in the power converter can be of great importance for the monitoring and operation of power converters, and in particular for protective measures such as emergency shutdown in a hazardous situation. For this purpose, it may be particularly desirable to provide a potential-free sensor signal that corresponds to an electrical current in the power converter. However, if transmitters or transformers are used for galvanic isolation to provide potential-free sensor signals, electrical currents subject to a DC voltage offset pose a significant challenge.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Konzept zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler zu schaffen, welches eine zuverlässige und präzise Bereitstellung von potenzialfreien Sensorsignalen für einen elektrischen Strom in einem Leistungswandler ermöglicht. Hierzu ist es vorgesehen, die Primärseite eines Transformators in den Strompfad des Leistungswandlers zu integrieren und dabei auf der Sekundärseite dieses Transformators mit Hilfe eines geeigneten Schaltelements nur diejenigen Zeitintervalle zu berücksichtigen, bei welchen die Primärseite des Transformators bestromt ist, während in den übrigen Zeitintervallen eine Magnetisierung in dem Transformator mittels einer geeigneten Entmagnetisierungseinrichtung abgebaut werden kann. Auf diese Weise können auch elektrische Ströme mit einem Gleichspannungsoffset zuverlässig und richtig erfasst werden. Das erfindungsgemäße Schaltungskonzept zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler ermöglicht dabei sehr kurze Reaktionszeiten für eine Detektion von Stromspitzen, selbst bei hohen Schaltfrequenzen des Leistungswandlers. Hierdurch können im Fehler- oder Gefahrenfall erforderliche Abschaltungen sehr schnell durchgeführt werden und damit unter anderem auch die betroffenen Halbleiterbauelemente in dem Leistungswandler vor möglichen Beschädigungen oder Überlastungen geschützt werden.It is therefore an idea of the present invention to take this finding into account and to create a concept for monitoring an electrical current in a power converter, which enables the reliable and precise provision of potential-free sensor signals for an electrical current in a power converter. For this purpose, the primary side of a transformer is integrated into the current path of the power converter and, with the aid of a suitable switching element, only those time intervals are taken into account on the secondary side of this transformer in which the primary side of the transformer is energized, while in the remaining time intervals, magnetization in the transformer can be reduced by means of a suitable demagnetization device. In this way, even electrical currents with a DC voltage offset can be reliably and correctly detected. The circuit concept according to the invention for monitoring the electrical current in the power converter enables very short response times for detecting current peaks, even at high switching frequencies of the power converter. As a result, necessary shutdowns can be carried out very quickly in the event of a fault or danger, thus also protecting, among other things, the affected semiconductor components in the power converter. transformers must be protected from possible damage or overloads.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Schaltelement in der Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms dazu ausgelegt, geschlossen zu werden, wenn die Primärseite des Transformators bestromt wird. Ferner ist das Schaltelement dazu ausgelegt, geöffnet zu werden, wenn die Primärseite des Transformators nicht bestromt wird. Somit fließt auf der Sekundärseite des Transformators durch das Schaltelement nur dann ein Strom, wenn die Primärseite des Transformators bestromt wird. In den übrigen Zeitintervallen kann eine Magnetisierung in den Windungen des Transformators durch die Entmagnetisierungseinrichtung abgebaut werden. Durch dieses getaktete Öffnen und Schließen des Schaltelements kann verhindert werden, dass das Messergebnis durch den während der Entmagnetisierung fließenden Strom beeinträchtig wird. Das Schaltelement leitet dabei den Strom in beiden Richtungen, wenn es geschlossen ist und sperrt den Strom in beiden Richtungen, wenn es geöffnet ist.According to one embodiment, the switching element in the device for monitoring the electrical current is designed to be closed when the primary side of the transformer is energized. Furthermore, the switching element is designed to be opened when the primary side of the transformer is not energized. Thus, current only flows through the switching element on the secondary side of the transformer when current is energized. During the remaining time intervals, magnetization in the windings of the transformer can be reduced by the demagnetization device. This clocked opening and closing of the switching element can prevent the measurement result from being affected by the current flowing during demagnetization. The switching element conducts the current in both directions when it is closed and blocks the current in both directions when it is open.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms einen ersten Messwiderstand. Dieser erste Messwiderstand ist zwischen dem Bezugspotential und dem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite des Transformators angeordnet. Somit kann über diesen ersten Messwiderstand ein Spannungssignal bereitgestellt werden, welches zu dem Stromverlauf in dem Leistungswandler korrespondiert und aus welchem sich insbesondere ein Sensorsignal zur Detektion des Spitzenwerts des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler ableiten lässt.According to one embodiment, the device for monitoring the electrical current comprises a first measuring resistor. This first measuring resistor is arranged between the reference potential and the first connection point of the secondary side of the transformer. Thus, a voltage signal can be provided via this first measuring resistor, which corresponds to the current flow in the power converter and from which, in particular, a sensor signal for detecting the peak value of the electrical current in the power converter can be derived.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms ein elektrisches Tiefpassfilter. Das Tiefpassfilter ist zwischen dem Bezugspotential und dem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite des Transformators angeordnet. Durch ein solches Tiefpassfilter kann ein Sensorsignal gewonnen werden, welches zu einem Mittelwert des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler korrespondiert. Das Tiefpassfilter kann beispielsweise aus einem elektrischen Widerstand und einer Kapazität gebildet werden.According to a further embodiment, the device for monitoring the electrical current comprises an electrical low-pass filter. The low-pass filter is arranged between the reference potential and the first connection point of the secondary side of the transformer. Such a low-pass filter can be used to obtain a sensor signal that corresponds to an average value of the electrical current in the power converter. The low-pass filter can be formed, for example, from an electrical resistance and a capacitance.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms eine Referenzspannungsquelle. Die Referenzspannungsquelle ist dazu ausgelegt, eine einstellbare Offsetspannung bereitzustellen. Die Referenzspannungsquelle kann über einen Spannungsteiler mit dem zweiten Anschlusspunkt des Transformators gekoppelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Referenzspannungsquelle über einen zweiten Widerstand mit einem Ausgangsanschlusspunkt des Tiefpassfilters elektrisch gekoppelt werden. Durch eine solche Referenzspannungsquelle können die Sensorsignale für den elektrischen Strom in dem Leistungswandler mit einem Offset beaufschlagt werden. Auf diese Weise kann auch für negative Ströme, das heißt für einen Leistungsfluss von dem zweiten Anschluss zu dem ersten Anschluss des Leistungswandlers ein positives Sensorsignal bereitgestellt werden.According to one embodiment, the device for monitoring the electrical current comprises a reference voltage source. The reference voltage source is designed to provide an adjustable offset voltage. The reference voltage source can be coupled to the second connection point of the transformer via a voltage divider. Additionally or alternatively, the reference voltage source can be electrically coupled to an output connection point of the low-pass filter via a second resistor. Such a reference voltage source can apply an offset to the sensor signals for the electrical current in the power converter. In this way, a positive sensor signal can also be provided for negative currents, i.e., for a power flow from the second connection to the first connection of the power converter.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Schaltelement zwei in Serie geschaltete komplementär angeordnete Halbleiterschaltelemente. Die beiden in Serie geschalteten Halbleiterschaltelemente können dabei über ein gemeinsames Ansteuersignal geschaltet werden. Durch die komplementäre Anordnung der beiden Halbleiterschaltelemente kann eine zuverlässige Unterbrechung der elektrischen Verbindung unabhängig von der Polarität der anliegenden Spannung erzielt werden.According to one embodiment, the switching element comprises two complementary semiconductor switching elements connected in series. The two series-connected semiconductor switching elements can be switched via a common control signal. The complementary arrangement of the two semiconductor switching elements allows for reliable interruption of the electrical connection regardless of the polarity of the applied voltage.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Entmagnetisierungseinrichtung zwei entgegengesetzt in Serie angeordnete Zenerdioden. Hierbei kann durch diese Zenerdioden bei geöffnetem Schaltelement ein elektrischer Strom zur Entmagnetisierung der Windungen des Transformators fließen. Auf diese Weise kann eine Magnetisierung in dem Transformator abgebaut werden, während das Schaltelement geöffnet ist.According to one embodiment, the demagnetization device comprises two Zener diodes arranged in series opposite one another. When the switching element is open, an electric current can flow through these Zener diodes to demagnetize the windings of the transformer. In this way, magnetization in the transformer can be reduced while the switching element is open.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Schaltelement dazu ausgelegt, unter Verwendung eines Steuersignals des Leistungswandlers angesteuert zu werden. Insbesondere kann ein Ansteuersignal für das Schaltelement aus den Gatesignalen für Schalttransistoren in dem Leistungswandler gewonnen werden. Auf diese Weise können die Schaltvorgänge des Schaltelements mit den Schaltvorgängen in dem Leistungswandler synchronisiert werden.According to one embodiment, the switching element is designed to be controlled using a control signal of the power converter. In particular, a control signal for the switching element can be obtained from the gate signals for switching transistors in the power converter. In this way, the switching operations of the switching element can be synchronized with the switching operations in the power converter.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above embodiments and further developments can be combined with one another as desired, where appropriate. Further embodiments, further developments, and implementations of the invention also include combinations of features of the invention not explicitly mentioned above or described below with respect to the exemplary embodiments. In particular, those skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Leistungswandleranordnung mit einer Vorrichtung zur Überwachung eines elektrischen Stroms gemäß einer Ausführungsform;
  • 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für eine Vorrichtung zur Überwachung des elektrischen Stroms in einem Leistungswandler gemäß einer Ausführungsform;
  • 3: Timing-Diagramme zur Veranschaulichung des Schaltverhaltens und des Verlaufs der Sensorsignale, wie sie einer Überwachung des elektrischen Stroms in einem Leistungswandler gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen können; und
  • 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann.
Further features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures. These show:
  • 1 : a schematic representation of a basic circuit diagram of a power converter arrangement with a device for monitoring an electrical current according to an embodiment;
  • 2 : a schematic representation of a basic circuit diagram for a device for monitoring the electrical current in a power converter according to an embodiment;
  • 3 : Timing diagrams for illustrating the switching behavior and the course of the sensor signals, as they can form the basis for monitoring the electrical current in a power converter according to an embodiment; and
  • 4 : a flowchart of how a method for monitoring an electrical current in a power converter according to an embodiment may be based.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Leistungswandleranordnung mit einer Vorrichtung 1 zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler 2. In der hier dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem Leistungswandler 2 um einen Gleichspannungswandler, insbesondere um einen Active Clamp Flyback-Wandler. Dieser dargestellte Leistungswandler 2 ist dabei jedoch nur beispielhaft zu verstehen und soll keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen. Grundsätzlich sind darüber hinaus auch beliebige andere geeignete Leistungswandler, insbesondere getaktete Leistungswandler möglich. Ein solcher Leistungswandler 2 kann elektrische Energie zwischen einem ersten Energieversorgungsnetz 3 und einem zweiten Energieversorgungsnetz 4 übertragen. Der Leistungswandler 2 kann dabei eine unidirektionale Energieübertragung, das heißt eine Energieübertragung nur in einer Richtung, beispielsweise von dem ersten Energieversorgungsnetz 3 zu dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 ermöglichen. Alternativ sind auch bidirektionale Leistungswandler 2 möglich, welche sowohl eine Energieübertragung von dem ersten Energieversorgungsnetz 3 zu dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 als auch eine Energieübertragung von dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 zu dem ersten Energieversorgungsnetz 3 ermöglichen können. 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of a power converter arrangement with a device 1 for monitoring an electrical current in a power converter 2. In the embodiment shown here, the power converter 2 is a DC-DC converter, in particular an active clamp flyback converter. However, this power converter 2 shown is only to be understood as an example and is not intended to represent a limitation of the present invention. In principle, any other suitable power converters, in particular clocked power converters, are also possible. Such a power converter 2 can transmit electrical energy between a first energy supply network 3 and a second energy supply network 4. The power converter 2 can enable unidirectional energy transmission, i.e. energy transmission in only one direction, for example from the first energy supply network 3 to the second energy supply network 4. Alternatively, bidirectional power converters 2 are also possible, which can enable both energy transmission from the first energy supply network 3 to the second energy supply network 4 and energy transmission from the second energy supply network 4 to the first energy supply network 3.

In dem hier dargestellten Fall eines Gleichspannungswandlers 2 kann es sich bei dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 jeweils um Gleichspannungsnetze handeln. Für Leistungswandler in Form eines Wechselrichters (Inverter) kann es sich jedoch bei einem der Energieversorgungsnetze 3, 4 um ein ein- oder mehrphasiges Wechselspannungsnetz handeln.In the case of a DC-DC converter 2 shown here, the first power supply network 3 and the second power supply network 4 can each be DC voltage networks. However, for power converters in the form of an inverter, one of the power supply networks 3, 4 can be a single-phase or multi-phase AC voltage network.

Die Spannungshöhen in dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 können sich voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann das Spannungsniveau des ersten Energieversorgungsnetzes 3 kleiner sein, als das Spannungsniveau in dem zweiten Energieversorgungsnetz 4.The voltage levels in the first power supply network 3 and the second power supply network 4 may differ from one another. For example, the voltage level of the first power supply network 3 may be lower than the voltage level in the second power supply network 4.

Die Leistungswandlervorrichtung mit dem Leitungswandler 2 kann beispielsweise dazu genutzt werden, um ein Niedervoltnetz und ein Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs miteinander zu koppeln. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Energieversorgungsnetz 3 um das Hochvoltnetz eines solchen Elektrofahrzeugs handeln und bei dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 um das Niedervoltnetz des Elektrofahrzeugs. In diesem Fall kann sich das Spannungsniveau in dem Niedervoltnetz beispielsweise im Bereich zwischen 12 und 50 Volt, insbesondere bei 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt befinden, während das Hochvoltnetz eine elektrische Spannung von einigen Hundert Volt, beispielsweise 350 bis 400 Volt, 800 Volt oder 1000 Volt aufweist.The power converter device with the line converter 2 can be used, for example, to couple a low-voltage network and a high-voltage network of an electric vehicle. For example, the first energy supply network 3 can be the high-voltage network of such an electric vehicle, and the second energy supply network 4 can be the low-voltage network of the electric vehicle. In this case, the voltage level in the low-voltage network can be, for example, in the range between 12 and 50 volts, in particular 12 volts, 24 volts, or 48 volts, while the high-voltage network has an electrical voltage of several hundred volts, for example 350 to 400 volts, 800 volts, or 1000 volts.

Wie in 1 dargestellt, kann der Leistungswandler 2 einen Transformator 25 umfassen. Durch ein solches oder ähnliches Bauteil ist es möglich, eine galvanische Trennung zwischen dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 zu realisieren. Weiterhin können in dem Leistungswandler 2 ein oder mehrere Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschaltelemente 21 bis 24 vorgesehen sein. Hierdurch ist beispielsweise ein getaktetes Bestromen einer Seite des Transformators 25 möglich. Ebenso können die Schaltelemente, insbesondere die Halbleiterschaltelemente 21 bis 24 dazu genutzt werden, eine Ausgangsspannung bzw. einen Ausgangsstrom von dem Transformator 25 gleichzurichten. Weiterhin können in dem Leistungswandler 2 ein oder mehrere Kondensatoren 20, 27 sowie gegebenenfalls auch weitere geeignete Bauelemente vorgesehen sein.As in 1 As shown, the power converter 2 can comprise a transformer 25. Using such or a similar component, it is possible to realize galvanic isolation between the first energy supply network 3 and the second energy supply network 4. Furthermore, one or more switching elements, in particular semiconductor switching elements 21 to 24, can be provided in the power converter 2. This makes it possible, for example, to supply clocked current to one side of the transformer 25. Likewise, the switching elements, in particular the semiconductor switching elements 21 to 24, can be used to rectify an output voltage or an output current from the transformer 25. Furthermore, one or more capacitors 20, 27 and, if necessary, other suitable components can be provided in the power converter 2.

Die Schaltelemente 21 bis 24 in dem Leistungswandler 2 können durch Bereitstellen von geeigneten Steuersignalen, insbesondere Gate-Steuersignalen angesteuert und somit geöffnet bzw. geschlossen werden. Das Bereitstellen derartiger Steuersignale kann beispielsweise durch eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung realisiert werden. Da das Schaltprinzip von Leistungswandlern und auch die Verfahren zum Ansteuern bzw. Takten der Schaltelemente in derartigen Leistungswandlern als bekannt angesehen wird, wird auf eine weitergehende Erläuterung hier verzichtet.The switching elements 21 to 24 in the power converter 2 can be controlled and thus opened or closed by providing suitable control signals, in particular gate control signals. The provision of such control signals can be realized, for example, by a control device not shown here. Since the switching principle of power converters and also the methods for controlling or timing the switching elements in such power converters are considered known, further explanation is omitted here.

Zwischen einem Anschlusspunkt 3a des ersten Energieversorgungsnetzes 3 und einem korrespondierenden Anschlusspunkt 2a des ersten Anschlusses 28 des Leistungswandlers 2 kann eine Vorrichtung 1 zur Überwachung eines elektrischen Stroms vorgesehen sein. Eine solche Vorrichtung 1 kann den elektrischen Strom überwachen, der zwischen dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem Leistungswandler 2 fließt. Hierdurch kann auch auf den elektrischen Strom geschlossen werden, der zwischen dem Leistungswandler 2 und dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 fließt. Bei bekannter Spannungshöhe kann somit auch auf den Leistungsfluss zwischen dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 geschlossen werden. Ein weiterer Anschlusspunkt 3b des Energieversorgungsnetzes 3 kann mit einem korrespondierenden weiteren Anschlusspunkt 2b an ersten Anschluss 28 des Leistungswandlers 2 elektrisch gekoppelt sein.A device 1 for monitoring an electrical current can be provided between a connection point 3a of the first energy supply network 3 and a corresponding connection point 2a of the first terminal 28 of the power converter 2. Such a device 1 can monitor the electrical current flowing between the first energy supply network 3 and the power converter 2. This can also provide information about the electrical current flowing between the power converter 2 and the second energy supply network 4. If the voltage level is known, the power flow between the first energy supply network 3 and the second energy supply network 4 can thus also be determined. A further connection point 3b of the energy supply network 3 can be electrically coupled to a corresponding further connection point 2b at the first terminal 28 of the power converter 2.

Die Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stroms kann insbesondere ein Sensorsignal ausgeben, aus welchem ein temporärer Spitzenwert des elektrischen Stroms in der Verbindung zwischen dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem Leistungswandler 2 bestimmt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung 1 zur Überwachung des Stroms auch ein Sensorsignal bereitstellen, welches zu einem zeitlichen Mittelwert des elektrischen Stroms zwischen dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem Leistungswandler 2 korrespondiert. Bei den bereitgestellten Sensorsignalen für den elektrischen Strom kann es sich dabei um potenzialfreie Sensorsignale handeln, das heißt Sensorsignale, welche von dem Potenzial des ersten Energieversorgungsnetzes 3 und/oder dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 galvanisch getrennt sind.The device 1 for monitoring the electrical current can, in particular, output a sensor signal from which a temporary peak value of the electrical current in the connection between the first energy supply network 3 and the power converter 2 can be determined. Additionally or alternatively, the device 1 for monitoring the current can also provide a sensor signal corresponding to a temporal average value of the electrical current between the first energy supply network 3 and the power converter 2. The provided sensor signals for the electrical current can be potential-free sensor signals, i.e., sensor signals that are galvanically isolated from the potential of the first energy supply network 3 and/or the second energy supply network 4.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer Vorrichtung 1 zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler 2 gemäß einer Ausführungsform. Wie zuvor bereits beschrieben, kann diese Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stroms beispielsweise in einer elektrischen Verbindung zwischen einem Energieversorgungsnetz, beispielsweise dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und einem korrespondierenden Anschlusspunkt des Leistungswandlers 2, beispielsweise einem ersten Anschlusspunkt 2a des ersten Anschlusses 28 des Leistungswandlers 2 vorgesehen sein. 2 shows a schematic representation of a block diagram of a device 1 for monitoring an electrical current in a power converter 2 according to one embodiment. As already described above, this device 1 for monitoring the electrical current can be provided, for example, in an electrical connection between a power supply network, for example the first power supply network 3, and a corresponding connection point of the power converter 2, for example a first connection point 2a of the first terminal 28 of the power converter 2.

Die Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 umfasst einen Transformator 11 mit einer Primärwicklung 11a und einer Sekundärwicklung 11b. Diese Primärwicklung 11a des Transformators 11 ist dabei in der elektrischen Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Leistungswandler 2 vorgesehen. Beispielsweise kann ein erster Anschlusspunkt der Primärwicklung 11a mit dem Anschlusspunkt 2a des Leistungswandlers elektrisch verbunden sein, und ein zweiter Anschlusspunkt der Primärseite 11a des Transformators 11 kann mit dem entsprechenden Anschlusspunkt 3a des ersten Energieversorgungsnetzes 3 elektrisch verbunden sein. Bei einer solchen Konfiguration kann die Primärwicklung 11a des Transformators 11 der Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 beispielsweise entsprechend dem Schaltverhalten der Schaltelemente 21 und 22 in dem Leistungswandler bestromt werden.The device 1 for monitoring the electrical current in the power converter 2 comprises a transformer 11 with a primary winding 11a and a secondary winding 11b. This primary winding 11a of the transformer 11 is provided in the electrical connection between the power supply network and the power converter 2. For example, a first connection point of the primary winding 11a can be electrically connected to the connection point 2a of the power converter, and a second connection point of the primary side 11a of the transformer 11 can be electrically connected to the corresponding connection point 3a of the first power supply network 3. With such a configuration, the primary winding 11a of the transformer 11 of the device 1 for monitoring the electrical current in the power converter 2 can be energized, for example, according to the switching behavior of the switching elements 21 and 22 in the power converter.

Die Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 umfasst ferner ein Schaltelement 12. Dieses Schaltelement 12 kann zwischen einem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite 11b des Transformators 11 und einem Bezugspotenzial (GND) vorgesehen sein. Das Schaltelement 12 kann beispielsweise durch eine Serienschaltung von zwei komplementär angeordneten Halbleiterschaltelementen 12a und 12b realisiert werden. Beispielsweise kann es sich bei den Halbleiterschaltelementen um MOSFET oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gateanschluss handeln. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebige andere geeignete Schaltelemente möglich. Falls das Schaltelement 12 durch mehrere Schaltkomponenten 12a, 12b realisiert wird, so können die mehreren Schaltkomponenten 12a, 12b unter Verwendung eines gemeinsamen Ansteuersignals geöffnet bzw. geschlossen werden. Das Schaltelement 12 leitet den Strom in beiden Richtungen, wenn es geschlossen ist und sperrt den Strom in beiden Richtungen, wenn es geöffnet ist.The device 1 for monitoring the electrical current in the power converter 2 further comprises a switching element 12. This switching element 12 can be provided between a first connection point of the secondary side 11b of the transformer 11 and a reference potential (GND). The switching element 12 can be implemented, for example, by a series connection of two complementarily arranged semiconductor switching elements 12a and 12b. For example, the semiconductor switching elements can be MOSFETs or bipolar transistors with an insulated gate connection. In principle, however, any other suitable switching elements are also possible. If the switching element 12 is implemented by multiple switching components 12a, 12b, the multiple switching components 12a, 12b can be opened or closed using a common control signal. The switching element 12 conducts the current in both directions when it is closed and blocks the current in both directions when it is open.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 eine Entmagnetisierungseinrichtung 13. Diese Entmagnetisierungseinrichtung 13 ist parallel zu der Sekundärwicklung 11b des Transformators 11 angeordnet. Mit anderen Worten, ein erster Anschlusspunkt der Entmagnetisierungseinrichtung 13 ist mit dem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite 11b verbunden und ein zweiter Anschlusspunkt der Entmagnetisierungseinrichtung 13 ist mit einem zweiten Anschlusspunkt der Sekundärseite 11b des Transformators 11 verbunden. Die Entmagnetisierungseinrichtung 13 kann beispielsweise eine Serienschaltung zweier entgegengesetzt angeordneter Zenerdioden 13a, 13b umfassen. Somit kann durch die Entmagnetisierungseinrichtung 13 ein elektrischer Strom fließen, wenn eine elektrische Spannung zwischen den beiden Anschlusspunkten der Entmagnetisierungseinrichtung 13 eine vorgegebene Grenzspannung entsprechend der Dimensionierung der Zenerdioden 13a, 13b überschreitet. Auf diese Weise kann bei geöffnetem Schaltelement 12 durch die Entmagnetisierungseinrichtung 13 ein elektrischer Strom zum Entmagnetisieren der Windungen in dem Transformator 11 fließen. Zwischen dem Bezugspotenzial und dem zweiten Anschlusspunkt der Sekundärwicklung 11b des Transformators 11 ist ein erster elektrischer Widerstand R1 vorgesehen. Weiterhin kann parallel zu diesem ersten Widerstand R1 ein Tiefpassfilter 14 vorgesehen sein. Dieses Tiefpassfilter 14 kann beispielsweise durch eine Kombination eines elektrischen Widerstands R2 und eines Kondensators C1 realisiert werden.Furthermore, the device 1 for monitoring the electrical current in the power converter 2 comprises a demagnetization device 13. This demagnetization device 13 is arranged in parallel with the secondary winding 11b of the transformer 11. In other words, a first connection point of the demagnetization device 13 is connected to the first connection point of the secondary side 11b and a second connection point of the demagnetization device 13 is connected to a second connection point of the secondary side 11b of the transformer 11. The demagnetization device 13 can, for example, comprise a series circuit of two oppositely arranged Zener diodes 13a, 13b. Thus, an electrical current can flow through the demagnetization device 13 if an electrical voltage between the two connection points of the demagnetization device 13 exceeds a predetermined limit voltage corresponding to the dimensioning of the Zener diodes 13a, 13b. In this way, when the An electric current for demagnetizing the windings in the transformer 11 can flow through the demagnetizing device 13 through the switching element 12. A first electrical resistor R1 is provided between the reference potential and the second connection point of the secondary winding 11b of the transformer 11. Furthermore, a low-pass filter 14 can be provided in parallel with this first resistor R1. This low-pass filter 14 can be implemented, for example, by a combination of an electrical resistor R2 and a capacitor C1.

Für den Betrieb der Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 wird das Schaltelement 12 bzw. die Halbleiterschaltelemente 12a, 12b in dem Schaltelement 12 synchron zu der Taktung in dem Leistungswandler 2 angesteuert. Insbesondere wird das Schaltelement 12 geschlossen, wenn die Primärseite 11a des Transformators 11 bestromt wird, das heißt wenn ein elektrischer Strom zwischen dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem Leistungswandler 2 fließt. Hierzu können die Ansteuersignale für das Schaltelement 12 beispielsweise aus den korrespondierenden Schaltsignalen in dem Leistungswandler 2, insbesondere aus den Gate-Ansteuersignalen in dem Leistungswandler 2 generiert werden.For the operation of the device 1 for monitoring the electrical current in the power converter 2, the switching element 12 or the semiconductor switching elements 12a, 12b in the switching element 12 are controlled synchronously with the clocking in the power converter 2. In particular, the switching element 12 is closed when the primary side 11a of the transformer 11 is energized, i.e., when an electrical current flows between the first energy supply network 3 and the power converter 2. For this purpose, the control signals for the switching element 12 can be generated, for example, from the corresponding switching signals in the power converter 2, in particular from the gate control signals in the power converter 2.

Bei einem solchen getakteten Schaltverhalten des Schaltelements 12 liegt über dem ersten Widerstand R1 in der Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stromflusses ein Spannungssignal an, welches zu dem elektrischen Strom durch die Primärwicklung 11a des Transformators 11 und somit dem elektrischen Strom zwischen dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem Leistungswandler 2 korrespondiert. Somit kann aus diesem Signal beispielweise der Spitzenwert des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 bestimmt werden. Weiterhin liegt an dem Knotenpunkt zwischen dem zweiten elektrischen Widerstand R2 und dem Kondensator C1 des Tiefpassfilters 14 ein Spannungswert an, der einem Mittelwert dieses elektrischen Stroms entspricht.With such a clocked switching behavior of the switching element 12, a voltage signal is present across the first resistor R1 in the device 1 for monitoring the electrical current flow, which corresponds to the electrical current through the primary winding 11a of the transformer 11 and thus to the electrical current between the first energy supply network 3 and the power converter 2. Thus, for example, the peak value of the electrical current in the power converter 2 can be determined from this signal. Furthermore, a voltage value corresponding to an average value of this electrical current is present at the node between the second electrical resistor R2 and the capacitor C1 of the low-pass filter 14.

Während der Zeitintervalle, in welchen die Primärseite 11a des Transformators 11 nicht bestromt wird, ist das Schaltelement 12 geöffnet. In diesen Zeitintervallen kann über die Entmagnetisierungseinrichtung 13 ein elektrischer Strom zum Abbau der Magnetisierung in dem Transformator 11 fließen. Auf diese Weise können mögliche Gleichspannungsoffsets kompensiert werden.During the time intervals in which the primary side 11a of the transformer 11 is not energized, the switching element 12 is open. During these time intervals, an electric current can flow through the demagnetization device 13 to reduce the magnetization in the transformer 11. In this way, possible DC voltage offsets can be compensated.

Durch den bisher beschriebenen Schaltungsaufbau ist es bereits möglich, ein Sensorsignal für positive elektrische Ströme, das heißt elektrische Ströme von dem Anschlusspunkt 3a des ersten Energieversorgungsnetzes 3 in Richtung des korrespondierenden Anschlusspunktes 2a des Leistungswandlers 2 bereitzustellen. Um darüber hinaus auch bei umgekehrter Stromrichtung, beispielsweise bei einem inversen Betrieb des Leistungswandlers 2 zur Energieübertragung von dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 zu dem ersten Energieversorgungsnetz 3 Sensorsignale mit einer positiven Ausgangsspannung bereitstellen zu können, kann in der Vorrichtung 1 zur Überwachung des elektrischen Stromflusses eine Referenzspannungsquelle 15 vorgesehen sein. Diese Referenzspannungsquelle 15 kann ein Spannungsoffset, insbesondere ein einstellbares Spannungsoffset bereitstellen. Die Referenzspannungsquelle 15 kann beispielsweise über einen Widerstandsteiler mit den in Serie geschalteten elektrischen Widerständen R3 und R4 mit dem Knotenpunkt K1 gekoppelt werden, an welchem sich der zweite Anschlusspunkt der Sekundärseite 11b des Transformators 11 mit dem entsprechenden Anschlusspunkt des ersten Widerstandes R1 befindet. Bei einer solchen Konfiguration kann an dem Knotenpunkt, an welchem die beiden Widerstände R3 und R4 des Widerstandsteilers miteinander elektrisch verbunden sind, ein Sensorsignal bereitgestellt werden, welches dem Stromverlauf während des Bestromens der Primärseite 11a des Transformators 11 entspricht, und aus welchem somit der Spitzenwert des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 abgeleitet werden kann. Ferner kann die Referenzspannungsquelle 15 über einen fünften Widerstand R5 mit dem Tiefpassfilter 14 verbunden werden, insbesondere mit dem Knotenpunkt, an welchem der zweite Widerstand R2 mit dem Kondensator C1 des Tiefpassfilters verbunden ist. Somit kann an diesem Knotenpunkt ein Sensorsignal bereitgestellt werden, welches einem Mittelwert des zu überwachenden Stromes in dem Leistungswandler 2 entspricht.The circuit configuration described so far already makes it possible to provide a sensor signal for positive electrical currents, i.e., electrical currents from the connection point 3a of the first energy supply network 3 toward the corresponding connection point 2a of the power converter 2. In order to be able to provide sensor signals with a positive output voltage even with the current direction reversed, for example, during inverse operation of the power converter 2 for energy transmission from the second energy supply network 4 to the first energy supply network 3, a reference voltage source 15 can be provided in the device 1 for monitoring the electrical current flow. This reference voltage source 15 can provide a voltage offset, in particular an adjustable voltage offset. The reference voltage source 15 can be coupled, for example, via a resistor divider with the series-connected electrical resistors R3 and R4 to the node K1, at which the second connection point of the secondary side 11b of the transformer 11 is located with the corresponding connection point of the first resistor R1. With such a configuration, a sensor signal can be provided at the node at which the two resistors R3 and R4 of the resistor divider are electrically connected to one another. This sensor signal corresponds to the current flow during the current flow to the primary side 11a of the transformer 11, and from which the peak value of the electrical current in the power converter 2 can thus be derived. Furthermore, the reference voltage source 15 can be connected via a fifth resistor R5 to the low-pass filter 14, in particular to the node at which the second resistor R2 is connected to the capacitor C1 of the low-pass filter. Thus, a sensor signal can be provided at this node, which corresponds to an average value of the current to be monitored in the power converter 2.

3 zeigt eine schematische Darstellung der Zeitverläufe von dem Ansteuersignal für das Schaltelement 12, dem Stromverlauf durch die Primärseite 11a des Transformators 11 sowie den resultierenden Sensorsignalen. In dem oberen Diagramm I ist das Ansteuersignal U_CTL für das Öffnen bzw. Schließen des Schaltelements 12 dargestellt. Dieses Ansteuersignal U_CTL kann, wie zuvor bereits beschrieben, beispielsweise entsprechend den Gatesteuersignalen des Leistungswandlers 2 gewonnen werden. 3 shows a schematic representation of the time profiles of the control signal for the switching element 12, the current flow through the primary side 11a of the transformer 11, and the resulting sensor signals. The upper diagram I shows the control signal U_CTL for opening or closing the switching element 12. This control signal U_CTL can, as previously described, be obtained, for example, according to the gate control signals of the power converter 2.

In dem darunter dargestellten Diagramm II ist der Stromverlauf I_PRIM durch die Primärseite 11a des Transformators 11 dargestellt. In den Zeiträumen, in welchen die Primärseite 11a des Transformators 11 nicht bestromt wird, ist das Schaltelement 12 geöffnet. Der Strom fließt dabei in positiver und negativer Richtung. Der negative Anteil des Stroms in diesem Zeitintervall muss hierbei ebenfalls vom Messwiderstand R1 gemessen werden, damit kein Offset bei der Mittelwertmessung entsteht, insbesondere bei sehr niedrigen Ausgangsströmen vom Leistungswandler 2. Eine passive Gleichrichtung kann dabei zu einem Offset-Fehler in der Messung führen, da der negativer Stromanteil bei einer Einweggleichrichtung nicht bzw. bei einer Vollbrückengleichrichtung falsch d.h. als positiver Wert gemessen wird. Mit dem hier vorgeschlagenen bidirektionalen Schalter 12 wird der Strom in beiden Richtungen richtig gemessen und somit kann sich kein Offset in der Mittelwertmessung ergeben.Diagram II below shows the current flow I_PRIM through the primary side 11a of the transformer 11. During the periods in which the primary side 11a of the transformer 11 is not energized, the switching element 12 is open. The current flows in both positive and negative directions. The negative component of the current in this time interval must also be measured by the measuring resistor R1 to prevent An offset occurs in the mean value measurement, especially at very low output currents from power converter 2. Passive rectification can lead to an offset error in the measurement, since the negative current component is not measured in half-wave rectification or is incorrectly measured (i.e., as a positive value) in full-bridge rectification. With the bidirectional switch 12 proposed here, the current is measured correctly in both directions, thus preventing an offset in the mean value measurement.

In dem darunter dargestellten Diagramm III ist der Verlauf der Sensorspannung U_MEAS dargestellt, wie er sich bei Verwendung einer Offsetspannung durch die Referenzspannungsquelle 15 ergibt. Die Referenzspannungsquelle 15 und/oder die entsprechenden Widerstände R3, R4 und R5 können dabei derart angepasst werden, dass sich auch bei einem maximalen zu erwartenden negativen Strom, das heißt bei einem Leistungsfluss von dem zweiten Energieversorgungsnetz 4 zu dem ersten Energieversorgungsnetz 3 möglichst keine negative Sensorspannung U_MEAS ergibt. Das resultierende Spannungsoffset bzw. die Nulllinie, das heißt die Sensorspannung U_MEAS, die einem zu überwachende elektrische Strom zwischen dem ersten Energieversorgungsnetz 3 und dem Leistungswandler 2 von Null entspricht, kann beispielsweise während einer Initialisierungsphase ermittelt werden.Diagram III below shows the profile of the sensor voltage U_MEAS as it results when using an offset voltage from the reference voltage source 15. The reference voltage source 15 and/or the corresponding resistors R3, R4, and R5 can be adjusted such that, even with a maximum expected negative current, i.e., with a power flow from the second energy supply network 4 to the first energy supply network 3, a negative sensor voltage U_MEAS is avoided if possible. The resulting voltage offset or zero line, i.e., the sensor voltage U_MEAS, which corresponds to a zero electrical current to be monitored between the first energy supply network 3 and the power converter 2, can be determined, for example, during an initialization phase.

An dem Anschlusspunkt I_AVG, der mit dem Tiefpassfilter 14 gekoppelt ist, kann somit ein Sensorsignal bereitgestellt werden, welches einem Mittelwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 entspricht. Zusätzlich oder alternativ kann an dem Anschlusspunkt I_PK ein Sensorsignal bereitgestellt werden, aus welchem sich ein Spitzenwert bzw. Peak des zu überwachenden elektrischen Stroms ableiten lässt. Die bereitgestellten Sensorsignale können für beliebige Anwendungen, wie beispielsweise die Steuerung oder eine Notabschaltung beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts für den elektrischen Strom genutzt werden. Bei den bereitgestellten Sensorsignalen handelt es sich insbesondere um Spannungssignale, welche gegenüber dem Leistungswandler 2 galvanisch getrennt sind.At the connection point I_AVG, which is coupled to the low-pass filter 14, a sensor signal can thus be provided which corresponds to an average value of the electrical current to be monitored in the power converter 2. Additionally or alternatively, a sensor signal can be provided at the connection point I_PK, from which a peak value of the electrical current to be monitored can be derived. The provided sensor signals can be used for any application, such as control or an emergency shutdown when a predetermined threshold value for the electrical current is exceeded. The provided sensor signals are, in particular, voltage signals which are galvanically isolated from the power converter 2.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler 2 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. Das Verfahren kann beispielsweise auf die zuvor beschriebene Leistungswandleranordnung oder eine in geeigneter Weise modifizierte Leistungswandleranordnung angewendet werden. In Schritt S1 wird dabei abwechselnd während dem Schritt S1a das Schaltelement 12 geöffnet und in Schritt S1b das Schaltelement 12 geschlossen. Dabei wird das Schaltelement 12 geschlossen, wenn die Primärseite 11a des Transformators 11 bestromt wird, und das Schaltelement 12 wird geöffnet, wenn die Primärseite 11a des Transformators 11 nicht bestromt wird. 4 shows a flowchart of how a method for monitoring an electrical current in a power converter 2 can be based according to one embodiment. The method can be applied, for example, to the previously described power converter arrangement or a suitably modified power converter arrangement. In step S1, the switching element 12 is opened alternately during step S1a, and the switching element 12 is closed in step S1b. The switching element 12 is closed when the primary side 11a of the transformer 11 is energized, and the switching element 12 is opened when the primary side 11a of the transformer 11 is not energized.

Dabei kann in Schritt S2 ein erstes Spannungssignal bereitgestellt werden, das zu einem Spitzenwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 korrespondiert. Zusätzlich oder alternativ kann ein zweites Spannungssignal bereitgestellt werden, das zu einem Mittelwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler 2 korrespondiert.In step S2, a first voltage signal can be provided that corresponds to a peak value of the electrical current to be monitored in the power converter 2. Additionally or alternatively, a second voltage signal can be provided that corresponds to an average value of the electrical current to be monitored in the power converter 2.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler, beispielsweise einem Gleichspannungswandler. Hierzu ist ein Transformator vorgesehen, welcher primärseitig in einen Strompfad des Leistungswandlers eingekoppelt ist. Auf der Sekundärseite dieses Transformators können Sensorsignale bereitgestellt werden, die zu dem Mittelwert und/oder einem Spitzenwert des zu überwachenden Stromflusses korrespondieren. Hierzu wird eine elektrische Verbindung zwischen der Sekundärseite des Transformators und den Ausgängen der Sensorsignale geöffnet, wenn die Primärseite des Transformators nicht bestromt wird. Während dieser Zeitintervalle kann eine Entmagnetisierung des Transformators erfolgen, um ein Gleichspannungsoffset in dem zu überwachenden Strom zu kompensieren.In summary, the present invention relates to the monitoring of an electrical current in a power converter, for example, a DC-DC converter. For this purpose, a transformer is provided, which is coupled into a current path of the power converter on the primary side. Sensor signals corresponding to the mean and/or peak values of the current flow to be monitored can be provided on the secondary side of this transformer. For this purpose, an electrical connection between the secondary side of the transformer and the sensor signal outputs is opened when the primary side of the transformer is not energized. During these time intervals, the transformer can be demagnetized to compensate for a DC voltage offset in the current to be monitored.

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Claims (11)

Vorrichtung (1) zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler (2), wobei der Leistungswandler (1) dazu ausgelegt ist, an einem ersten Anschluss (28) mit einem ersten Energieversorgungsnetz (3) gekoppelt zu werden und an einem zweiten Anschluss (29) mit einem zweiten Energieversorgungsnetz (4) gekoppelt zu werden, wobei die Vorrichtung (1) umfasst: einen Transformator (11), der an einem ersten Anschlusspunkt einer Primärseite (11a) des Transformators (11) mit einem Anschlusspunkt (2a) des ersten Anschlusses (28) des Leistungswandlers (2) elektrisch gekoppelt ist und an einem zweiten Anschlusspunkt der Primärseite (11a) mit einem Anschlusspunkt (3a) des ersten Energieversorgungsnetzes (3) elektrisch gekoppelt ist; eine Entmagnetisierungseinrichtung (13), die zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt einer Sekundärseite (11b) des Transformators (11) angeordnet ist, und die dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Strom zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem zweiten Anschlusspunkt der Sekundärseite (11b) des Transformators (11) zu leiten, falls eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem zweiten Anschlusspunkt der Sekundärseite (11b) des Transformators (11) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet; ein Schaltelement (12), das zwischen dem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite (11b) des Transformators (11) und einem Bezugspotenzial angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgelegt ist, ein erstes Spannungssignal (I_PK) bereitzustellen, aus dem ein Spitzenwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler ableitbar ist, und/oder ein zweites Spannungssignal (I_AVE) bereitzustellen, das zu einem Mittelwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler (2) korrespondiert.A device (1) for monitoring an electrical current in a power converter (2), wherein the power converter (1) is designed to be coupled to a first power supply network (3) at a first terminal (28) and to a second power supply network (4) at a second terminal (29), wherein the device (1) comprises: a transformer (11) which is electrically coupled to a connection point (2a) of the first terminal (28) of the power converter (2) at a first connection point of a primary side (11a) of the transformer (11) and is electrically coupled to a connection point (3a) of the first power supply network (3) at a second connection point of the primary side (11a); a demagnetization device (13) arranged between a first connection point and a second connection point of a secondary side (11b) of the transformer (11), and configured to conduct an electric current between the first connection point and the second connection point of the secondary side (11b) of the transformer (11) if an electric voltage between the first connection point and the second connection point of the secondary side (11b) of the transformer (11) exceeds a predetermined threshold; a switching element (12) arranged between the first connection point of the secondary side (11b) of the transformer (11) and a reference potential, wherein the device (1) is configured to provide a first voltage signal (I_PK), from which a peak value of the electric current to be monitored in the power converter can be derived, and/or to provide a second voltage signal (I_AVE), which corresponds to an average value of the electric current to be monitored in the power converter (2). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Schaltelement (12) dazu ausgelegt ist, geschlossen zu werden, wenn die Primärseite (11a) des Transformators (11) bestromt wird, und das dazu ausgelegt ist, geöffnet zu werden, wenn die Primärseite (11a) des Transformators (11) nicht bestromt wird.Device (1) according to Claim 1 , wherein the switching element (12) is designed to be closed when the primary side (11a) of the transformer (11) is energized, and which is designed to be opened when the primary side (11a) of the transformer (11) is not energized. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schaltelement (12) dazu ausgelegt sind, unter Verwendung eines Steuersignals des Leistungswandlers (2) angesteuert zu werdenDevice (1) according to Claim 1 or 2 , wherein the switching element (12) is designed to be controlled using a control signal of the power converter (2) Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem ersten Messwiderstand (R1), der zwischen dem Bezugspotential und dem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite (11b) des Transformators (11) angeordnet ist.Device (1) according to one of the Claims 1 until 3 , with a first measuring resistor (R1) arranged between the reference potential and the first connection point of the secondary side (11b) of the transformer (11). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem elektrischen Tiefpassfilter (14), der zwischen dem Bezugspotential und dem ersten Anschlusspunkt der Sekundärseite (11b) des Transformators (11 angeordnet ist.Device (1) according to one of the Claims 1 until 4 , with an electrical low-pass filter (14) which is arranged between the reference potential and the first connection point of the secondary side (11b) of the transformer (11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, mit einer Referenzspannungsquelle (15), die dazu ausgelegt ist, eine einstellbare Offsetspannung bereitzustellen, wobei Referenzspannungsquelle (15) über einen Spannungsteiler (R3, R4) mit dem zweiten Anschlusspunkt der Sekundärseite (11b) des Transformators (11) und/oder über einen zweiten Widerstand (R5) mit einem Ausgangsanschlusspunkt des Tiefpassfilters (14) elektrisch gekoppelt ist.Device (1) according to Claim 5 , with a reference voltage source (15) which is designed to provide an adjustable offset voltage, wherein the reference voltage source (15) is electrically coupled via a voltage divider (R3, R4) to the second connection point of the secondary side (11b) of the transformer (11) and/or via a second resistor (R5) to an output connection point of the low-pass filter (14). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schaltelement (12) zwei in Serie geschaltete komplementär angeordnete Halbleiterschaltelemente (12a, 12b) umfasst.Device (1) according to one of the Claims 1 until 6 , wherein the switching element (12) comprises two complementarily arranged semiconductor switching elements (12a, 12b) connected in series. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Entmagnetisierungseinrichtung (13) zwei entgegengesetzt in Serie angeordnete Zehnerdioden (13a, 13b) umfasst.Device (1) according to one of the Claims 1 until 7 , wherein the demagnetization device (13) comprises two tens diodes (13a, 13b) arranged oppositely in series. Leistungswandleranordnung, mit: einem Leistungswandler (2), der dazu ausgelegt ist, an einem ersten Anschluss (28) mit einem ersten Energieversorgungsnetz (3) gekoppelt zu werden und an einem zweiten Anschluss (29) mit einem zweiten Energieversorgungsnetz (4) gekoppelt zu werden, und einer Vorrichtung (1) zur Überwachung eines elektrischen Stroms in dem Leistungswandler (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Power converter arrangement, comprising: a power converter (2) which is designed to be coupled to a first power supply network (3) at a first terminal (28) and to be coupled to a second power supply network (4) at a second terminal (29), and a device (1) for monitoring an electrical current in the power converter (2) according to one of the Claims 1 until 8 . Leistungswandleranordnung nach Anspruch 9, wobei der Leistungswandler (2) mindestens ein weiteres Schaltelement (21,22, 23,24) umfasst, das mit einem Steuersignal mit einer vorbestimmten Taktrate angesteuert wird, und wobei das Schaltelement (12) der Vorrichtung (1) zur Überwachung eines elektrischen Stroms in dem Leistungswandler (2) unter Verwendung des Steuersignals für das weitere Schaltelement (21, 22, 23, 24) in dem Leistungswandler (2) angesteuert wird.Power converter arrangement according to Claim 9 , wherein the power converter (2) comprises at least one further switching element (21, 22, 23, 24) which is controlled by a control signal with a predetermined clock rate, and wherein the switching element (12) of the device (1) for monitoring an electrical current in the power converter (2) is controlled using the control signal for the further switching element (21, 22, 23, 24) in the power converter (2). Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stroms in einem Leistungswandler (2) einer Leistungswandleranordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei abwechselnd das Schaltelement (12) in der Vorrichtung (1) zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler (2) geschlossen wird, wenn die Primärseite (11a) des Transformators (11) bestromt wird und das Schaltelement (12) in der Vorrichtung (1) zur Überwachung des elektrischen Stroms in dem Leistungswandler (2) geöffnet wird, wenn die Primärseite (11a) des Transformators (11) nicht bestromt wird; und wobei ein erstes Spannungssignals (I_PK) bereitgestellt wird, aus dem ein Spitzenwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler (2) ableitbar ist, und/oder ein zweites Spannungssignals (I_AVE) bereitgestellt wird, das zu einem Mittelwert des zu überwachenden elektrischen Stroms in dem Leistungswandler (2) korrespondiert.Method for monitoring an electrical current in a power converter (2) of a power converter arrangement according to Claim 9 or 10 , wherein the switching element (12) in the device (1) for monitoring the electrical current in the power converter (2) is alternately closed when the primary side (11a) of the transformer (11) is energized and the switching element (12) in the device (1) for monitoring the electrical current in the power converter (2) is opened when the primary side (11a) of the transformer (11) is not energized; and wherein a first voltage signal (I_PK) is provided, from which a peak value of the electrical current to be monitored in the power converter (2) can be derived, and/or a second voltage signal (I_AVE) is provided, which corresponds to an average value of the electrical current to be monitored in the power converter (2).
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