Effizienter DC-DC-Wandler mittels dynamischer Regelung der Spuleninduktivität

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.

• 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)

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

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.

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.

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 (mit Steuerschalter 7). Hierdurch kann die Effizienz des Gleichspannungs­wandlers in jedem Betriebszustand des Gleich­span­nungswandlers, das heißt für jede Ausgangsspannung oder jeden Ausgangsstrom, unabhängig von der Geometrie der Spule, erhöht werden. Abb. 4 zeigt den Verlauf des Hauptwicklungsstroms des DC-DC-Wandlers ge­mäß Abb. 1 und Abb. 3 zeigt einen typischen Verlauf der magnetischen Flussdichte und der Permeabilität in einem Spulenkern.