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Effizienter DC-DC-Wandler mittels dynamischer Regelung der Spuleninduktivität

Ref-Nr: TA-16/085TLB


Kurzfassung

Mithilfe dieser Technologie lässt sich die Effizienz von Gleichspannungswandlern erhöhen, indem unter allen Betriebsbedingungen der maximal möglichen Induktivitätswert (MET) eingehalten wird. Die Technik eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Induktivitätswerte geregelt oder eingestellt werden müssen.


Hintergrund

Gleichspannungswandler (DC-DC Wandler) ermöglichen das Umsetzen einer am Eingang des Gleichspannungs­wandlers anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung am Ausgang des Gleichspan­nungswandlers. Sie kommen bspw. in Batterieladegeräten zur Anwendung.


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Problemstellung

Eine wichtige Komponente vieler Gleichspannungswandler ist eine Spule, über welche die zwischen dem Eingang und dem Ausgang transferierte Energie zwischengespeichert wird. Derartige Spulen weisen in der Regel eine Induktivität auf, die von dem Mittelwert des von der Spule geführten Stroms abhängig ist. Der Wert der Induktivität beeinflusst die in der Spule auftretenden Leitungsverluste, so dass in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Gleichspan­nungswandlers unterschiedlich hohe Leistungs­verluste entstehen.


Lösung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Effi­zienz des Gleichspannungswandlers zu erhöhen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird über das Tastver­hältnis des Leistungsschalters der Mittelwert des Haupt­wicklungsstroms in der Hauptwicklung der Spule ein­gestellt. Die Einstellung erfolgt insbesondere derart, dass die Permeabilität des Spulenkerns (Induktivität der Spule) ihren maximalen Wert einnimmt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers (Abb. 1), der einen Leistungsschalter (2) und eine Spule (3) aufweist, die einen Spulenkern (Abb. 2), eine auf dem Spulenkern (6)  angeordnete Hauptwicklung (4) und eine auf dem Spulenkern angeordnete Steuerwicklung (5) umfasst, wobei die Hauptwicklung einen Hauptwicklungs­strom (I) führt, dessen Mittelwert über ein Tastverhältnis (D) des Leistungsschalters (2) derart eingestellt wird, dass entweder ein konstanter Ausgangsstrom (lo) oder eine konstante Ausgangsspannung (Vo) des Gleichspannungs­wandlers erhalten wird, und wobei die Steuerwicklung einen Steuerstrom (Ictr) führt, der in Abhängigkeit von dem Mittelwert (lav) des Hauptwicklungsstroms eingestellt wird. Hierdurch kann die Effizienz des Gleichspannungs­wandlers in jedem Betriebszustand des Gleich­span­nungswandlers, d. h. für jede Ausgangsspannung oder jeden Ausgangsstrom, unabhängig von der Geometrie der Spule, erhöht werden. Die Abb. 4 zeigt den Verlauf des Hauptwicklungsstroms des Gleichspannungswandlers ge­mäß Abb. 1. Abb. 3 zeigt einen typischen Verlauf der magnetischen Flussdichte und der Permeabilität in einem Spulenkern.


Vorteile

  • Maximaler Wirkungsgrad (reduzierte Verluste) unter allen Betriebsbedingungen (variable Eingangsspannung, variable Schalt-Frequenz) durch Einhaltung des maximal möglichen Induktivitätswertes (MET, Maximum Energy Transfer)
  • Geeignet für Anwendungen, bei denen die Induktivitäts­werte geregelt oder eingestellt werden müssen (DIC, Dynamic Inductor Control)

Anwendungsbereiche

Gesteigerte Effizienz von Gleichspannungswandlern, insbesondere in Fällen, bei denen der Induktivitätswert geregelt / eingestellt wird.


Service

Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.


Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH

Dipl.-Ing. Emmerich Somlo
+ 49 721 790 040
esomlo@tlb.de
www.tlb.de
Adresse
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe



Entwicklungsstand

Prototyp


Patentsituation

  • DE 102017209230B4 anhängig

Stichworte

DC-DC-Wandler, Gleichspannungswandler, Effizienz, Spule, Steuerwicklung, Hauptwicklung, Dynamic Inductor Control (DIC), Maximum Energy Transfer (MET)

Kontakt | Geschäftsstelle

TransferAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsstellenleiterin)

c/o PROvendis GmbH
Schloßstr. 11-15
D-45468 Mülheim an der Ruhr