CH707447B1 - Device for DC voltage conversion for high transmission ratios. - Google Patents

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CH707447B1 CH00160/13A CH1602013A CH707447B1 CH 707447 B1 CH707447 B1 CH 707447B1 CH 00160/13 A CH00160/13 A CH 00160/13A CH 1602013 A CH1602013 A CH 1602013A CH 707447 B1 CH707447 B1 CH 707447B1
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Abstract

Der erfindungsgemässe Gleichspannungswandler dient zur Wandlung zwischen einer ersten Spannung und mindestens einer zweiten, kleineren Spannung. Dabei weist der Gleichspannungswandler mindestens eine Serieschaltung von Kondensatoren (3.1, 3.2, ...) auf, welche einen kapazitiven Spannungsteiler für eine erste Spannung des Gleichspannungswandlers bilden. Der Gleichspannungswandler weist eine Balancierschaltung mit mehreren Balanciermodulen (6.1, 6.2, ...) auf, wobei die Balanciermodule (6.1, 6.2, ...) jeweils zum Transfer von Energie zwischen mindestens zwei der Kondensatoren (3.1, 3.2, ...) angeordnet sind.The inventive DC-DC converter is used for conversion between a first voltage and at least a second, smaller voltage. In this case, the DC-DC converter at least one series circuit of capacitors (3.1, 3.2, ...), which form a capacitive voltage divider for a first voltage of the DC-DC converter. The DC-DC converter has a balancing circuit with a plurality of balancing modules (6.1, 6.2,...), The balancing modules (6.1, 6.2,...) Each being used to transfer energy between at least two of the capacitors (3.1, 3.2,. are arranged.

Description

Beschreibung [0001] Der Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.Description: [0001] The invention relates to a DC-DC converter according to the preamble of patent claim 1.

[0002] In elektrotechnischen Systemen befinden sich neben den Leistungskomponenten weitere Komponenten, die z.B. für die Regelung oder Steuerung des Systems benötigt werden. Diese Komponenten besitzen häufig Betriebsspannungen, die unter der Nennspannung des Leistungskreises liegen. Die Erzeugung dieser Hilfsspannungen soll aus der Nennspannung des Systems mit hoher Effizienz erfolgen.In electrical systems, in addition to the power components are other components, e.g. needed for the regulation or control of the system. These components often have operating voltages that are below the rated voltage of the power circuit. The generation of these auxiliary voltages should be done from the nominal voltage of the system with high efficiency.

[0003] Für die Erzeugung von Hilfsspannungen für kleine Leistungen aus hohen Eingangsspannungen werden üblicherweise mehrere Stufen von Schaltkonvertern hintereinandergeschaltet, die schrittweise auf eine kleinere Spannung tiefsetzen, um kleine Tastgrade der einzelnen Stufen zu vermeiden. Durch die hohe Spannungsbelastung der ersten Stufe(n) müssen hierfür IGBTs als Schaltelemente verwendet werden, die jedoch auf niedrige Schaltfrequenzen begrenzt sind. Für Anwendungen in Systemen mit limitiertem Platzangebot wäre es von Vorteil, MOSFETs mit hohen Schaltfrequenzen zu verwenden, um die Grösse der passiven Komponenten zu verringern. Zusätzlich wäre es von Vorteil, die Erzeugung der Hilfsspannung direkt in einem Schritt vorzunehmen.For the generation of auxiliary voltages for low power from high input voltages usually several stages of switching converters are connected in series, gradually step down to a smaller voltage to avoid small duty cycles of the individual stages. Due to the high voltage load of the first stage (s) IGBTs must be used as switching elements for this purpose, which are limited to low switching frequencies. For applications in limited space systems, it would be advantageous to use MOSFETs with high switching frequencies to reduce the size of the passive components. In addition, it would be advantageous to carry out the generation of the auxiliary voltage directly in one step.

[0004] Eine derartige Vorrichtung ist ein Input Series Output Parallel (ISOP) Konverter, wie beispielsweise bekannt aus: Giri, R.; Choudhary, V; Ayyanar, R.; Mohan, N.; «Common-duty-ratio control of input-series connected modular DC-DC-Converters with active input voltage and load-current sharing», IEEE Transactions on Industry Applications, vol.42, no.4, pp. 1101-1111, July-Aug. 2006.One such device is an Input Series Output Parallel (ISOP) converter, such as known from: Giri, R .; Choudhary, V; Ayyanar, R .; Mohan, N .; "DC-DC converters with active input voltage and load-current sharing", IEEE Transactions on Industry Applications, vol.42, no.4, pp. 1101-1111, July-Aug. Of 2006.

[0005] Dabei wird die Spannungsbelastung eingangsseitig auf mehrere in Serie geschaltete Stufen verteilt, an denen jeweils ein DC-DC-Konverter mit potentialgetrenntem Ausgang arbeitet, wobei die Ausgänge der DC-DC-Konverter parallel geschaltet sind (Fig. 1). Die DC-DC-Konverter müssen hierfür galvanisch getrennt ausgeführt werden. Es sind Regelungsverfahren bekannt, die eine gleichmässige Leistungsaufnahme jeder Eingangsstufe gewährleisten und damit eine gleich-massige Aufteilung der Eingangsspannung auf die in Serie liegenden Konvertereingänge sicherstellen. Ein Nachteil dieser Topologie liegt darin, dass die für die galvanische Trennung benötigten Transformatoren über eine Spannungsfestigkeit bis maximal der vollen Eingangsspannung verfügen müssen.In this case, the voltage load on the input side is distributed to a plurality of series-connected stages, on each of which a DC-DC converter operates with potential-separated output, wherein the outputs of the DC-DC converter are connected in parallel (Fig. 1). The DC-DC converters must be galvanically isolated for this purpose. Control methods are known which ensure a uniform power consumption of each input stage and thus ensure an equal distribution of the input voltage to the series-connected converter inputs. A disadvantage of this topology is that the transformers required for the galvanic isolation must have a dielectric strength up to a maximum of the full input voltage.

[0006] Eine weitere mögliche Vorrichtung ist das Multilevel-Konverterkonzept, wie z.B. ausAnother possible device is the multilevel converter concept, e.g. out

Torresan, H.D.; Holmes, D.G.; Shraga, I.; «Auxiliary power supplies for high voltage Converter Systems», 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), vol. 1, pp. 645-651, June 20-25, 2004, undTorresan, H.D .; Holmes, D.G .; Shraga, I .; «Auxiliary power supplies for high voltage converter systems», 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), vol. 1, pp. 645-651, June 20-25, 2004, and

Peng, F.Z.; Wei, Q.; Cao, D.; «Recent advances in multilevel converter/inverter topologies and applications», International Power Electronics Conference (IPEC), vol., pp. 492-501, June 21-24, 2010 bekannt. Der Vorteil dieser Konverter liegt darin, dass sie in ihrer Grundstruktur keine magnetischen Komponenten aufweisen und sich durch eine hohe Leistungsdichte auszeichnen. Als mögliche Ausführungsarten sind unter anderem die Diode-Clamped-Topologie (Fig. 2) und die Flying-Capacitor-Topologie (Fig. 3) bekannt. Der Nachteil der Diode-Clamped-Ausführung liegt in der unterschiedlich hohen Spannungsbelastung der Dioden. Es müssen daher abhängig von der jeweiligen Spannungsbelastung mehrere Dioden in Serie geschaltet werden, was jedoch zu höheren Leitverlusten führt. Zudem ist es nur bei der Flying-Capacitor-Ausführung möglich, durch redundante Schaltzustände eine gleichmässige Belastung der einzelnen Kondensatoren zu gewährleisten. Bei der Diode-Clamped-Variante wird eine zusätzliche Balancierschaltung benötigt, die eine gleichmässige Aufteilung der Eingangsspannung auf die in die Reihe liegenden Kondensatoren sicherstellt. Bei der Flying-Capacitor-Ausführung werden für n Stufen (n+1)*n/2 Kondensatoren benötigt, damit jeder Kondensator derselben Spannungsbelastung ausgesetzt ist. Jedoch muss die Kapazität der einzelnen Kondensatoren um den Faktor der Anzahl in Reihe geschalteter Kondensatoren erhöht werden. Statt der Schalter 99 können auch Dioden verwendet werden.Peng, F.Z .; Wei, Q .; Cao, D .; "Recent advances in multilevel converter / inverter topologies and applications", International Power Electronics Conference (IPEC), vol., Pp. 492-501, June 21-24, 2010. The advantage of these converters is that they have no magnetic components in their basic structure and are distinguished by a high power density. Possible embodiments include the diode-clamped topology (FIG. 2) and the flying capacitor topology (FIG. 3). The disadvantage of the diode-clamped design lies in the different high voltage load of the diodes. Therefore, depending on the voltage load, several diodes must be connected in series, which, however, leads to higher conduction losses. In addition, it is only possible with the Flying Capacitor design to ensure uniform loading of the individual capacitors by means of redundant switching states. In the diode-clamped version, an additional balancing circuit is required, which ensures a uniform distribution of the input voltage to the in-line capacitors. In the flying capacitor design, n (n + 1) * n / 2 capacitors are required for n stages, so that each capacitor is subjected to the same voltage stress. However, the capacitance of the individual capacitors must be increased by the factor of the number of capacitors connected in series. Instead of the switch 99, diodes can also be used.

[0007] Eine weitere Möglichkeit zur Ausführung eines DC-DC-Gleichspannungswandlers mit grossem Übersetzungsverhältnis ist der Einsatz von so genannten Switched-Capacitor-Schaltungen (Fig. 4 und 5) wie bekannt aus:Another possibility for implementing a DC-DC DC-DC converter with a large transmission ratio is the use of so-called switched-capacitor circuits (FIGS. 4 and 5) as known from:

Seeman, M.D.; Sanders, S.R.; «Analysis and Optimization of Switched-Capacitor DC-DC-Converters», IEEE Transactions on Power Electronics, vol.23, no.2, pp. 841-851, March 2008.Seeman, M.D .; Sanders, S.R .; "Analysis and Optimization of Switched-Capacitor DC-DC-Converters", IEEE Transactions on Power Electronics, vol.23, no.2, pp. 841-851, March 2008.

[0008] Diese Topologie basiert auf einem kapazitiven Spannungsteiler, bei dem die Ausgangsspannung von einem oder mehreren Kondensatoren abgegriffen wird. Um trotzdem eine gleichmässige Aufteilung der Gesamtspannung auf die n in Reihe liegenden Kondensatoren zu gewährleisten, werden (n—1) Klemmkondensatoren jeweils abwechslungsweise zwischen zwei benachbarten Kondensatoren hin- und hergeschaltet. Diese Verschaltungsart ist beispielsweise von Batteriesystemen als Zellen-Ladungszustands-Ausgleichsschaltung (Balancierschaltung) bekannt, bei der die Spannung von in Serie geschalteten Batteriezellen nivelliert wird. Die Switched-Capacitor-Schaltung kann auch resonant ausgeführt werden, indem zu jedem Klemmkondensator eine Induktivität in Serie geschaltet wird und die Schaltfrequenz an die Resonanzfrequenz angeglichen wird. Der Nachteil der Switched-Capacitor-Balancierschaltung liegt in der zwingend synchronen Ansteuerung der Leistungsschalter.This topology is based on a capacitive voltage divider, in which the output voltage is tapped by one or more capacitors. In order nevertheless to ensure a uniform distribution of the total voltage to the n series capacitors, (n-1) clamp capacitors are alternately switched back and forth between two adjacent capacitors. This type of wiring is known, for example, from battery systems as a cell charge state equalization circuit (balancing circuit) in which the voltage of series-connected battery cells is leveled. The switched-capacitor circuit can also be made resonant by connecting an inductor in series with each clamp capacitor and equalizing the switching frequency to the resonant frequency. The disadvantage of the switched-capacitor balancing circuit lies in the mandatory synchronous control of the circuit breaker.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist, einen verbesserten Gleichspannungswandler bereitzustellen.The object of the invention is to provide an improved DC-DC converter.

[0010] Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gleichspannungswandler gemäss Patentanspruch 1.This object is achieved by the DC-DC converter according to claim 1.

[0011] Der Gleichspannungswandler dient also zur Wandlung zwischen einer ersten Spannung und mindestens einer zweiten Spannung, welche kleiner als die erste Spannung ist. Dabei weist der Gleichspannungswandler mindestens eine Serieschaltung von Kondensatoren auf, welche einen kapazitiven Spannungsteiler für die erste Spannung des Gleichspannungswandlers bilden. Ferner weist der Gleichspannungswandler eine Balancierschaltung mit mehreren Balanciermodulen auf, wobei die Balanciermodule jeweils zum Transfer von Energie zwischen mindestens zwei der Kondensatoren angeordnet sind. Typischerweise ist an mindestens einen der Kondensatoren ein Verbraucher angeschlossen, welcher dem Kondensator Energie entnimmt, oder eine Energiequelle, welche Energie einspeist.The DC-DC converter thus serves to convert between a first voltage and at least a second voltage, which is smaller than the first voltage. In this case, the DC-DC converter has at least one series circuit of capacitors, which form a capacitive voltage divider for the first voltage of the DC-DC converter. Furthermore, the DC-DC converter has a balancing circuit with a plurality of balancing modules, wherein the balancing modules are each arranged for the transfer of energy between at least two of the capacitors. Typically, at least one of the capacitors is connected to a consumer, which draws energy from the capacitor, or an energy source, which feeds energy.

[0012] Energie, die am Kondensator entnommen oder eingespeist wird, führt zu einem Ungleichgewicht in der Spannungsverteilung über die Kondensatoren. Mit den Balanciermodulen ist es möglich, einen Energieausgleich und damit auch einen Spannungsausgleich zwischen den Kondensatoren zu erreichen. Eine lokale Regelung und ein lokaler Ausgleich der Kondensatorspannungen führt, über den ganzen Gleichspannungswandler betrachtet, zu einem Umladen der Energie von jeweils einem Kondensator zu einem weiteren, und insgesamt zu einem Verschieben der Energie von der Seite der ersten Spannung, die eine Hochspannungsseite sein kann, zu dem Verbraucher auf der Seite der zweiten Spannung respektive von einer Energiequelle auf der Seite der zweiten Spannung hin zur Seite der ersten Spannung.Energy taken or fed to the capacitor results in an imbalance in the voltage distribution across the capacitors. With the balancing modules it is possible to achieve an energy balance and thus a voltage compensation between the capacitors. Local regulation and local balancing of the capacitor voltages, as viewed throughout the DC-DC converter, results in a transfer of energy from one capacitor to another, and overall shifting of the energy from the first voltage side, which may be a high voltage side. to the load on the side of the second voltage, respectively, from a power source on the side of the second voltage toward the side of the first voltage.

[0013] In einer Ausführungsform weist ein Balanciermodul jeweils Ausgleichselemente auf, und ist jedes der Ausgleichselemente jeweils parallel zu wahlweise einem von mindestens zwei der Kondensatoren schaltbar, insbesondere mittels leistungselektronischen Schaltern. Dabei weisen, gemäss einer Ausführungsform, die Ausgleichselemente jeweils einen Energiespeicher auf, insbesondere induktive Energiespeicher, wobei auch kapazitive und/oder batteriebasierte Energiespeicher einsetzbar sind. Die Ausgleichselemente dienen somit zum Zwischenspeichern von Energie, die von einem Kondensator an einen anderen umzuladen ist.In one embodiment, a Balanciermodul each compensating elements, and each of the compensation elements is in each case parallel to selectively one of at least two of the capacitors switchable, in particular by means of power electronic switches. In this case, according to one embodiment, the compensation elements each have an energy storage, in particular inductive energy storage, wherein capacitive and / or battery-based energy storage can be used. The compensating elements thus serve for the intermediate storage of energy which is to be reloaded from one capacitor to another.

[0014] In einer Ausführungsform ist ein Ausgleichselement (z.B. mittels der erwähnten Schalter) jeweils wahlweise an einen von zwei Kondensatoren eines Kondensatorpaares anschliessbar, wobei die beiden Kondensatoren eines Kondensatorpaares solche sind, welche in der Serieschaltung von Kondensatoren aufeinanderfolgen. Damit kann die Spannungsbelastung der Ausgleichselemente und damit die Anforderung an Isolation in den Ausgleichselementen niedrig gehalten werden.In one embodiment, a compensating element (e.g., by means of the mentioned switches) may each be selectively connectable to one of two capacitors of a pair of capacitors, the two capacitors of a pair of capacitors being one after another in the series connection of capacitors. Thus, the stress of the compensation elements and thus the requirement for insulation in the compensation elements can be kept low.

[0015] In einer Ausführungsform ist jeweils an einem gemeinsamen Anschlusspunkt, an welchem ein oberer Anschluss eines unteren Kondensators und ein unterer Anschluss eines oberen Kondensators der Serieschaltung miteinander verbunden sind, ein erster Anschluss eines Ausgleichselements angeschlossen, und ist ein zweiter Anschluss des Ausgleichselements wahlweise an einen oberen Anschluss des oberen Kondensators und an einen unteren Anschluss des unterenIn one embodiment, in each case at a common connection point at which an upper terminal of a lower capacitor and a lower terminal of an upper capacitor of the series circuit are connected to each other, a first terminal of a compensating element is connected, and a second terminal of the compensating element is optional an upper terminal of the upper capacitor and a lower terminal of the lower

Kondensators schaltbar.Capacitor switchable.

[0016] Damit ist eine Balancierschaltung im Sinne eines Schaltkondensator-Wandlers (engl, «switched capacitor») realisierbar. Es können aber auch andere Arten modularer aktiver Balancierschaltungen als DC-DC-Konverter verwendet werden:This is a Balancierschaltung in the sense of a switched-capacitor converter (English, "switched capacitor") realized. However, other types of modular active balancers may also be used as DC-DC converters:

In einer Ausführungsform weist ein Balanciermodul einen Wandler als Inverswandler (d.h. ohne galvanische Trennung, engl, «buck-boost Converter») oder als Hoch-Tiefsetzsteller (d.h. mit galvanischer Trennung, Sperrwandler, engl, «flyback Converter») auf, welcher zwischen zwei der Kondensatoren geschaltet ist. Dieser Wandler bewirkt somit den Energietransfer zwischen diesen beiden Kondensatoren.In one embodiment, a balancing module has a converter as an inverse converter (ie, without galvanic isolation, buck-boost converter) or as a high-buck converter (ie with galvanic isolation, flyback converter, engl., Flyback converter), which between two the capacitors is connected. This converter thus effects the energy transfer between these two capacitors.

[0017] Ein Vorteil mit einer solchen wandlerbasierten Topologie gegenüber einer Schaltkondensator-Variante liegt in der einfacheren Ansteuerung, da keine Synchronität der Umschaltungen der Transistoren der Module erforderlich ist.An advantage with such a converter-based topology over a switched-capacitor variant is the simpler control, since no synchronicity of the switching of the transistors of the modules is required.

[0018] Eine Ansteuer-Versorgung der Leistungstransistoren jedes Balanciermoduls kann lokal über entsprechende Steuerung des Eingangsstromes des Moduls erzeugt werden. Diese Art der Versorgung kann auch bei anderen Schaltungen angewendet werden, sobald rippelbehaftete (welligkeitsbehaftete) Ströme vorliegen.A drive supply of the power transistors of each Balanciermoduls can be generated locally via appropriate control of the input current of the module. This type of supply can also be applied to other circuits as soon as ripple-prone (ripple-prone) currents are present.

[0019] In einer Ausführungsform weisen die Ausgleichselemente jeweils eine Resonanzkapazität und in Serie dazu eine Induktivität auf. Dabei können die Ausgleichselemente induktiv miteinander gekoppelt sein, wodurch eine Leistungsübertragung zwischen Ausgleichselementen realisierbar ist.In one embodiment, the compensation elements each have a resonant capacitance and in series to an inductance. In this case, the compensation elements can be inductively coupled to each other, whereby a power transmission between compensating elements can be realized.

[0020] Mittels der gekoppelten Induktivitäten sind also jeweils zwei Balanciermodule mittels eines Trafos gekoppelt und wird durch resonanten Betrieb eine Minimierung der Schaltverluste erreicht. Im Vergleich zur beschriebenen Buck-Boost-Topologie werden weniger, im besten Fall halb so viele, induktive Komponenten benötigt. Ferner resultiert ein höherer Wirkungsgrad.By means of the coupled inductors so two Balanciermodule are coupled by means of a transformer and is achieved by resonant operation to minimize the switching losses. In comparison to the described buck-boost topology, fewer, in the best case half as many, inductive components are needed. Furthermore, a higher efficiency results.

[0021 ] In einer Ausführungsform weist der Gleichspannungswandler mindestens eine Versorgungseinheit zur Spannungsversorgung von mindestens einem der Balanciermodule auf, wobei die Versorgungseinheit in Serie zur Serieschaltung der Kondensatoren geschaltet ist. Eine oder mehrere solcher Versorgungseinheiten können auch ohne Balancierschaltung oder völlig unabhängig von einer Balancierschaltung implementiert werden.In one embodiment, the DC-DC converter has at least one supply unit for supplying power to at least one of the balancing modules, wherein the supply unit is connected in series with the series connection of the capacitors. One or more such supply units can also be implemented without balancing or completely independent of a balancing circuit.

[0022] Die Versorgungseinheit kann einen in Serie zu den Kondensatoren geschalteten Speiseschalter und eine parallel zum Speiseschalter geschaltete Speicherschaltung mit einem Energiespeicher und Speisediode aufweisen, beispielsweise eine Kapazität zur Glättung einer so erzeugten Versorgungsspannung.The supply unit may have a series-connected to the capacitors switch and a switch connected in parallel with the supply switch memory circuit having an energy storage and supply diode, for example, a capacitor for smoothing a supply voltage generated in this way.

[0023] In einer Ausführungsform weist der Gleichspannungswandler eine Steuerung auf, welche dazu ausgebildet ist, Zeitanteile, während welchen die Ausgleichselemente parallel zu den verschiedenen Kondensatoren geschaltet sind, zu variieren, und dadurch einen Energietransfer zwischen den Kondensatoren zu steuern und dadurch wiederum die Spannungen der Kondensatoren zu regeln.In one embodiment, the DC-DC converter has a controller which is adapted to vary time portions during which the equalizing elements are connected in parallel to the different capacitors, and thereby to control an energy transfer between the capacitors and thereby in turn the voltages of Regulate capacitors.

[0024] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:In the following, the subject invention based on preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. Each show schematically:

Fig. 1 Eine Ausführung bekannter Art eines Gleichspannungswandlers für hohe Eingangsspannung und nied rige Ausgangsspannung (Input-Series Output-Parallel [ISOP] Konverterkonzept).Fig. 1 shows an embodiment of a known type of DC-DC converter for high input voltage and low output voltage (Input-Series Output-Parallel [ISOP] converter concept).

Fig. 2 Eine Ausführung bekannter Art eines Gleichspannungswandlers für hohe Eingangsspannung und nied rige Ausgangsspannung in Form eines Multilevel-Konverters in «Diode-Clamped»-Ausführung.Fig. 2 shows an embodiment of a known type of DC-DC converter for high input voltage and low output voltage in the form of a multi-level converter in "diode-clamped" design.

Fig. 3 Eine Ausführung bekannter Art eines Gleichspannungswandlers für hohe Eingangsspannung und nied riger Ausgangs-Spannung in Form eines Multilevel-Konverters in «Capacitor-Clamped»-Ausführung.Fig. 3 shows an embodiment of a known type of DC-DC converter for high input voltage and low-level output voltage in the form of a multilevel converter in "Capacitor-clamped" version.

Fig. 4 Eine Ausführung bekannter Art eines Gleichspannungswandlers für hohe Eingangsspannung und nied rige Ausgangsspannung in Form einer Switched-Capacitor-Schaltung.Fig. 4 shows an embodiment of a known type of DC-DC converter for high input voltage and low output voltage in the form of a switched-capacitor circuit.

Fig. 5 Eine Ausführung bekannter Art eines Gleichspannungswandlers für hohe Eingangsspannung und nied rige Ausgangsspannung in Form einer Resonant-Switched-Capacitor-Schaltung.Fig. 5 shows an embodiment of a known type of DC-DC converter for high input voltage and low output voltage in the form of a resonant-switched-capacitor circuit.

Fig. 6 Einen Gleichspannungswandler, bestehend aus Balancierungsgrundelementen (Buck-Boost-Modulen), die jeweils zwei benachbarte Kondensatoren spannungsmässig ausbalancieren, d.h. auf gleicher Spannung halten.Fig. 6 shows a DC-DC converter consisting of balance-boosting elements (buck-boost modules) which each voltage-balance two adjacent capacitors, i. hold at the same voltage.

Fig. 7 Charakteristische Signalverläufe eines Balancierungsgrundelements.Fig. 7 Characteristic waveforms of a balance element.

Fig. 8 Eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung aus einem rippelbehafteten Strom.Fig. 8 A device for generating a supply voltage from a ripple-prone current.

Fig. 8a, b Ausführungsformen des Gleichspannungswandlers mit drei Balancierungsgrundelementen mit neuartigen Vorrichtungen zur Erzeugung der Versorgungsspannungen.Fig. 8a, b embodiments of the DC-DC converter with three Balancierungsgrundelementen with novel devices for generating the supply voltages.

Fig. 9 Charakteristische Signalverläufe der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung.FIG. 9 shows characteristic signal curves of the device shown in FIG. 8.

Fig. 10a, b Gleichspannungswandler mit reduzierter Anzahl magnetischer Komponenten.Fig. 10a, b DC-DC converter with a reduced number of magnetic components.

Fig. 11 Weitere Ausführungsart des Gleichspannungswandlers mit reduzierter Anzahl magnetischer Komponenten.Fig. 11 Further embodiment of the DC-DC converter with a reduced number of magnetic components.

Fig. 12a, b Gleichspannungswandler mit reduzierter Anzahl magnetischer Komponenten und Potentialtrennung.Fig. 12a, b DC-DC converter with a reduced number of magnetic components and potential separation.

[0025] Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste angegeben. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference numerals used in the drawings and their meaning are given in the list of reference numerals. Basically, the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.

[0026] Ein Aspekt der Ausführung der Erfindung ist es, eine Balancierschaltung, wie aus dem Batteriemanagement bekannt, für einen Gleichspannungswandler mit hohem Übersetzungsverhältnis zu verwenden. (Eine Balancierschaltung sieht keinen «Ausgang» für den Anschluss eines Verbrauchers vor, sondern gleicht nur zufolge unterschiedlicher Kapazitäten der Batteriezellen auftretende Spannungsunsymmetrien aus). Der Gleichspannungswandler ist so konzipiert, dass eine erste Spannung kapazitiv aufgeteilt oder vervielfacht wird und von einem oder mehreren Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers Leistung für die Speisung von Verbrauchern abgegriffen wird. Durch den Einsatz einer Balancierschaltung an den Spannungsteilerkondensatoren kann dann ungeachtet des stellenweisen Leistungsabgriffs eine gleichmässige Spannungsaufteilung gewährleistet, d.h. eine gleiche Spannung über allen Kondensatoren, sichergestellt werden. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann auch in umgekehrter Leistungsflussrichtung betrieben werden, wobei dann aus einer oder mehreren kleinen Eingangsspannungen als zweiten Spannungen eine grosse Ausgangspannung als erste Spannung erzeugt wird.One aspect of the embodiment of the invention is to use a balancing circuit as known from battery management for a high-ratio DC-DC converter. (A balancing circuit does not provide an "output" for the connection of a consumer, but compensates only due to different capacities of the battery cells occurring voltage imbalances). The DC-DC converter is designed so that a first voltage is capacitively divided or multiplied and is tapped by one or more capacitors of the capacitive voltage divider power for the supply of consumers. The use of a balancing circuit on the voltage divider capacitors can then ensure uniform voltage sharing, regardless of the local power tap. a same voltage across all capacitors, to be ensured. The inventive device can also be operated in the reverse power flow direction, in which case a large output voltage is generated as the first voltage from one or more small input voltages as second voltages.

[0027] Fig. 6 zeigt den Aufbau eines Gleichspannungswandlers, bestehend aus einer Quelle 1, einem kapazitiven Spannungsteiler 3 mit Balancierschaltung und einer Last 2. Der kapazitive Spannungsteiler mit Balancierschaltung weist in Reihe geschaltete Kondensatoren 3.1 bis 3.n auf, zwischen denen jeweils ein induktives Element 4.1 bis 4.k angeschlossen ist, welches dann mittels zweier Schalter 5.1a bis 5.ka und 5.1b bis 5.kb an die Enden von zwei jeweils benachbarten Kondensatoren angeschlossen wird. Die Balancierschaltung weist eines oder mehreren Balanciergrundelemente bzw. Ba-lanciermodule 6.1 bis 6.k auf. Ein jeweils drei Komponenten (ein induktives Element 4.1 und zwei Schalter 5.1a und 5.1b) aufweisendes Balanciermodul 6.1 wiederholt sich bei einem kapazitiven Spannungsteiler mit n Kapazitäten mindestens k = (n—1) mal. Ein Gleichspannungswandler mit n Kapazitäten weist damit k induktive Elemente und k*2 Schalter auf.Fig. 6 shows the structure of a DC-DC converter, consisting of a source 1, a capacitive voltage divider 3 with Balancierschaltung and a load 2. The capacitive voltage divider with Balancierschaltung has series-connected capacitors 3.1 to 3.n, between each one inductive element 4.1 to 4.k is connected, which is then connected by means of two switches 5.1a to 5.ka and 5.1b to 5.kb to the ends of two adjacent capacitors. The Balancierschaltung has one or more Balanciergrundelemente or Ba lanciermodule 6.1 to 6.k on. A balancing module 6.1 having in each case three components (an inductive element 4.1 and two switches 5.1a and 5.1b) is repeated at least k = (n-1) times in the case of a capacitive voltage divider with n capacitances. A DC-DC converter with n capacitances thus has k inductive elements and k * 2 switches.

[0028] Der Anschluss einer Last 2 kann an einem oder mehreren Kondensatoren 3.1 bis 3.n dieses Spannungsteilers 3 erfolgen. Das Ansteuersignal eines beliebigen Balanciermoduls (z.B. 6.1) für die Schalter 5.1a und 5.1b ist vorteilhaft ein symmetrisches Rechtecksignal, das die beiden Schalter 5.1a und 5.1b um eine halbe Taktperiode versetzt zueinander ansteuert, wobei jeweils eine Totzeit zwischen dem Abschalten eines Transistors und dem Einschalten des nächstfolgenden Transistors eingehalten wird, um ein gleichzeitiges Leiten beider Transistoren, das zu einem Kurzschluss von zwei Spannungsteilerkondensatoren führen würde, sicher zu vermeiden. Die Ansteuersignale der verschiedenen Balan-ciermodule 6.1 bis 6.k können vorteilhaft voneinander unabhängig erzeugt werden, wobei die Schaltfrequenz entweder konstant gehalten oder je nach Betriebspunkt abhängig von dem an die Last 2 fliessenden Strom und der Spannung an den Spannungsteilerkondensatoren 3.1 bis 3.n variiert werden kann; die Schaltfrequenz der Balanciermodule kann grundsätzlich frei gewählt werden, d.h. es ist nicht auf eine gleiche Schaltfrequenz oder synchrone Taktung der einzelnen Balanciermodule zu achten. Eine Betriebsart der Balanciermodule mit variabler Schaltfrequenz ermöglicht spannungsloses Schalten der Schalter und damit einen verlustminimalen Betrieb über den gesamten Bereich der ersten Spannung bzw. Spannungsbereich der Spannungsteilerkondensatoren 3.1 bis 3.n und den gesamten Bereich des Laststroms durch Last 2. Das spannungslose Schalten kann dann erfolgen, wenn sich die Stromrichtung in den induktiven Elementen in jeder Taktperiode umkehrt. Es steht dann ein vorzeichenrichtiger Strom für die resonante Umladung der parasitären Kapazitäten der Schaltelemente, welche als parallel zu den Schaltelementen 5.1a bis 5.ka und 5.1b bis 5.kb liegend zu denken sind, zur Verfügung; die Periode des bei der Umladung auftretenden Umschwingvorgangs wird dabei durch die Induktivität und die Summe der Kapazitäten der beiden Schalter eines Balanciermoduls definiert.The connection of a load 2 can take place on one or more capacitors 3.1 to 3.n of this voltage divider 3. The control signal of any Balanciermoduls (eg 6.1) for the switches 5.1a and 5.1b is advantageously a symmetrical square wave signal, the two switches 5.1a and 5.1b offset by half a clock period to each other, each with a dead time between the switching off a transistor and the switching on of the next transistor is followed in order to avoid simultaneous conduction of both transistors, which would lead to a short circuit of two voltage divider capacitors safely avoided. The control signals of the various balancing modules 6.1 to 6.k can advantageously be generated independently of each other, the switching frequency either being kept constant or varying depending on the operating point depending on the current flowing to the load 2 and the voltage across the voltage divider capacitors 3.1 to 3.n. can be; the switching frequency of the balancing modules can basically be chosen freely, i. It is not important to pay attention to the same switching frequency or synchronous clocking of the individual balancing modules. An operating mode of the balancing modules with variable switching frequency enables voltage-free switching of the switches and thus loss-minimal operation over the entire range of the first voltage or voltage range of the voltage divider capacitors 3.1 to 3.n and the entire range of load current through load 2. The de-energized switching can then take place when the current direction in the inductive elements reverses in each clock period. It is then a sign-correct current for the resonant transhipment of the parasitic capacitances of the switching elements, which are to be considered as lying parallel to the switching elements 5.1a to 5.ka and 5.1b to 5.kb, available; the period of Umschwingvorgangs occurring during the transhipment is defined by the inductance and the sum of the capacities of the two switches of a Balanciermoduls.

[0029] Fig. 7 zeigt den charakteristischen Stromverlauf eines der Balanciermodule 6.1 bis 6.k exemplarisch am Beispiel des Balanciermoduls 6.1. Es werden dargestellt - über einer ersten Zeitachse 7 der Stromverlauf 10 im induktiven Element 4.1 und der Strommittelwert 13. - über einer zweiten Zeitachse 8 das Ansteuersignal 11 für Schalter 5.1a - über einer dritten Zeitachse 9 das Ansteuersignal 12 für Schalter 5.1b. Zwischen den Ansteuersignalen 11 und 12 liegt eine Totzeit 14. Während dieser Totzeit wird keiner der beiden Schalter 5.1a und 5.1b angesteuert und die parasitären Kapazitäten der Schaltelemente werden umgeladen. Sobald der Gleichspannungswandler durch eine Last 2 belastet wird, zeigt der Stromverlauf 10 einen Mittelwert 13 bezogen auf die Taktperiode.7 shows the characteristic current profile of one of the balancing modules 6.1 to 6.k using the example of the balancing module 6.1 by way of example. It is shown - over a first time axis 7, the current waveform 10 in the inductive element 4.1 and the average current value 13th - over a second time axis 8, the drive signal 11 for switch 5.1a - on a third time axis 9, the drive signal 12 for switch 5.1b. During the dead time, neither of the two switches 5.1a and 5.1b is activated and the parasitic capacitances of the switching elements are transposed. Once the DC-DC converter is loaded by a load 2, the current waveform 10 shows an average value 13 with respect to the clock period.

[0030] Die Spannungsversorgung der für die Ansteuerung eines Balanciermoduls benötigten Elektronik kann entweder galvanisch getrennt von einer externen Quelle erfolgen, oder kann direkt in einem Balanciergrundelement durch eine zusätzliche Schaltung erfolgen. Letztere Variante ist vorteilhaft für einen modularen Aufbau des Gesamtsystems, da keine externen Quellen benötigt werden. Zusätzlich besteht auch bei den Ansteuersignalen der einzelnen Schaltelemente die Möglichkeit, diese zentral in einer Elektronik zu erzeugen und mittels galvanischer Trennung synchron die Schaltelemente anzusteuern.The power supply required for the control of a Balanciermoduls electronics can either be done galvanically isolated from an external source, or can be done directly in a Balanciergrundelement by an additional circuit. The latter variant is advantageous for a modular design of the overall system, since no external sources are needed. In addition, it is also possible for the control signals of the individual switching elements to generate them centrally in an electronic unit and to control the switching elements synchronously by means of galvanic isolation.

[0031] Fig. 8 zeigt eine interne Versorgungseinheit 19, wie sie in dem Gleichspannungswandler von Fig. 6 eingesetzt, aber auch in anderen Strukturen verwendet werden kann. In Fig. 8 wird zum einfacheren Verständnis ein Gleichspannungswandler der Art von Fig. 6 mit nur zwei Spannungsteilerkondensatoren oder Kondensatoren, also einem oberen Kondensator 3.1 und einem untern Kondensator 3.2, und einem Balanciermodul mit einem ersten Schaltelement 5.1a und einem zweiten Schaltelement 5.1b und einem induktiven Element 4.1 gezeigt. Das Funktionsprinzip basiert darauf, dass ein Kondensator, beispielsweise der untere Kondensator 3.2, der parallel zur Last 2 mit konstantem Laststrom angeordnet ist, den Rippelanteil eines rippelbehaften Stromes, wie er typisch von Schaltnetzteilen mit induktiven Komponenten erzeugt wird, aufnimmt. Die Versorgungseinheit 19 weist einen Schalter oder Speiseschalter 17 auf, der in Serie zu den Spannungsteilerkondensatoren 3.1 und 3.2 angeordnet ist. Zudem sind eine Speisediode 15 und ein Kondensator als Energiespeicher 16 in Serie geschaltet und parallel an den Speiseschalter 17 angeschlossen, in solcher Art, dass die Speisediode 15 in Sperrrichtung gepolt wird, wenn der Speiseschalter 17 eingeschaltet wird. Die am Energiespeicher 16 anliegende Spannung kann als Versorgungsspannung, z.B. einer Regelungselektronik, verwendet werden. Zwischen der Quelle 1 und dem oberen Kondensator 3.1 wird eine Quellendiode 18 benötigt, da beim Ausschalten des Speiseschalters 17 die Spannung des Energiespeichers 16 zu der Spannung der beiden Kondensatoren 3.1, 3.2 addiert wird und dann ohne Quellendiode 18 ein Rückstrom in die Quelle 1 fliessen würde.Fig. 8 shows an internal supply unit 19, as used in the DC-DC converter of Fig. 6, but can also be used in other structures. In Fig. 8 for ease of understanding, a DC-DC converter of the type of Fig. 6 with only two voltage dividing capacitors or capacitors, ie an upper capacitor 3.1 and a lower condenser 3.2, and a Balanciermodul with a first switching element 5.1a and a second switching element 5.1b and an inductive element 4.1 shown. The operating principle is based on that a capacitor, for example, the lower capacitor 3.2, which is arranged parallel to the load 2 with a constant load current, the ripple portion of a ripple-like current, as is typically generated by switching power supplies with inductive components absorbs. The supply unit 19 has a switch or supply switch 17, which is arranged in series with the voltage divider capacitors 3.1 and 3.2. In addition, a feed diode 15 and a capacitor 16 are connected in series as an energy store and connected in parallel to the feed switch 17, in such a way that the feed diode 15 is poled in the reverse direction when the supply switch 17 is turned on. The voltage applied to the energy store 16 can be used as supply voltage, e.g. a control electronics, are used. Between the source 1 and the upper capacitor 3.1, a source diode 18 is required because when switching off the supply switch 17, the voltage of the energy storage 16 is added to the voltage of the two capacitors 3.1, 3.2 and then without source diode 18, a return current would flow into the source 1 ,

[0032] Zusätzlich wird ein Regler zur Regelung der Spannung an Energiespeicher 16 benötigt, der vorteilhaft als Hystereseregler ausgeführt wird und über entsprechende Steuerung des Speiseschalters 17 die Versorgungsspannung regelt. Fig. 9 zeigt exemplarisch über horizontalen Zeitachsen charakteristische Signalverläufe einer Versorgungseinheit und die Funktionsweise der Spannungsregelung des Energiespeichers 16, d.h. - über einer ersten Zeitachse 20 den Stromverlauf 24 des induktiven Elements 4.1 und den konstanten Laststrom 25 durch die Last 2; - über einer zweiten Zeitachse 21 den Spannungsistwert 27 des Energiespeichers 16 und die obere 26a und untere 26b Hysteresegrenze; - über einer dritten Zeitachse 22 den Stromverlauf 28 durch die Speisediode 15 und den Energiespeicher 16; - über eine vierte Zeitachse 23 das Ansteuersignal 29 für den Speiseschalter 17.In addition, a controller for controlling the voltage to energy storage 16 is required, which is advantageously designed as a hysteresis and controls the supply voltage via appropriate control of the supply switch 17. FIG. 9 shows characteristic signal profiles of a supply unit and the mode of operation of the voltage regulation of the energy store 16, for example over horizontal time axes, i. - Over a first time axis 20, the current waveform 24 of the inductive element 4.1 and the constant load current 25 through the load 2; over a second time axis 21, the voltage actual value 27 of the energy store 16 and the upper 26a and lower 26b hysteresis limit; - Over a third time axis 22, the current waveform 28 through the dining diode 15 and the energy storage 16; - Via a fourth time axis 23, the drive signal 29 for the supply switch 17th

[0033] Zum einfacheren Verständnis wird der Stromverlauf 24 ohne resonante Umschwingvorgänge gezeigt, d.h. es wird keine Totzeit zwischen den Ansteuersignalen für Schalter 5.1a und 5.1b verwendet. Zudem wird der Laststrom 25 durchFor ease of understanding, the current waveform 24 is shown without resonant transients, i. E. no dead time is used between the drive signals for switches 5.1a and 5.1b. In addition, the load current 25 through

Last 2 als ideal konstant gezeigt und es wird angenommen, dass der Energiespeicher 16 z.B. durch eine Regelelektronik belastet wird (diese Belastung ist nicht gezeigt).Load 2 is shown as being ideally constant and it is assumed that the energy store 16 is e.g. is loaded by a control electronics (this load is not shown).

[0034] Der Regler funktioniert in solcher Art, dass der Speiseschalter 17 ausgeschaltet wird, wenn die Versorgungsspannung 27 am Energiespeicher 16 eine untere Hysteresegrenze 26b unterschreitet und eingeschaltet wird, sobald die obere Hysteresegrenze 26a überschritten wird. Die Spannung 27 am Energiespeicher 16 steigt, sobald Speiseschalter 17 ausgeschaltet und das erste Schaltelement 5.1b gleichzeitig eingeschaltet ist und der Strom 24 durch das induktive Element 4.1 grösser als der Laststrom 25 ist und damit Strom in den Energiespeicher 16 fliesst. Es kann so für jedes Balanciermodul einfach und unabhängig von anderen Balanciermodulen eine Versorgungsspannung einer lokalen Regelelektronik und der Ansteuerschaltungen sämtlicher Schalter des Balanciermoduls erzeugt werden.The controller operates in such a way that the supply switch 17 is turned off when the supply voltage 27 at the energy storage 16 falls below a lower hysteresis limit 26b and is turned on when the upper hysteresis limit 26a is exceeded. The voltage 27 at the energy store 16 increases as soon as the feed switch 17 is switched off and the first switching element 5.1b is switched on at the same time and the current 24 through the inductive element 4.1 is greater than the load current 25 and therefore current flows into the energy store 16. It can be generated for each Balanciermodul easily and independently of other Balanciermodulen a supply voltage of a local control electronics and the drive circuits of all switches of Balanciermoduls.

[0035] Zum erweiterten Verständnis zeigt die Fig. 8a eine Ausführungsform des Gleichspannungswandlers von Fig. 6 mit beispielhaft drei Balanciermodulen, die jeweils über die in Fig. 8 gezeigte interne Versorgungseinheit verfügen, d.h. das gezeigte System weist mehrere interne Versorgungseinheiten 19.1 bis 19.3 auf. Fig. 8b zeigt eine alternative Ausführungsform der Schaltung aus Fig. 8a. Vorteilhaft kann hierbei die Quellendiode 18 weggelassen werden. Jedoch werden für den Hochlaufvorgang der Schaltung zusätzliche Aufstart-Einheiten 31.1 bis 31.3 benötigt, um sicherzustellen, dass die Energiespeicher 16.1 bis 16.3 auf eine Mindestspannung geladen werden, d.h. mit jeweils einer Aufstart-Einheit 31.i wird jeweils einer der Energiespeicher 16.i geladen. Für den weiteren Betrieb werden die Aufstart-Einheiten 31.1 bis 31.1 nicht mehr benötigt und kommen vorteilhaft erst wieder zum Einsatz, wenn ein Energiespeicher 16.i seine Mindestspannung unterschreitet. Ein innerer Aufbau einer Aufstart-Einheit 31.i kann in vielfältiger Weise gestaltet sein, entsprechend ihrer Funktion, eine Mindestspannung im zugeordneten Energiespeicherzu halten.For an expanded understanding, Fig. 8a shows an embodiment of the DC-DC converter of Fig. 6 with, by way of example, three balancing modules, each having the internal supply unit shown in Fig. 8, i. The system shown has several internal supply units 19.1 to 19.3. Fig. 8b shows an alternative embodiment of the circuit of Fig. 8a. Advantageously, the source diode 18 can be omitted here. However, additional start-up units 31.1 to 31.3 are needed for the start-up of the circuit to ensure that the energy stores 16.1 to 16.3 are charged to a minimum voltage, i. each with a start-up unit 31.i each one of the energy storage 16.i is loaded. For further operation, the start-up units 31.1 to 31.1 are no longer needed and are advantageously used again only when an energy store 16.i falls below its minimum voltage. An internal structure of a start-up unit 31.i can be designed in many ways, according to its function to maintain a minimum voltage in the associated energy storage.

[0036] Eine Alternative zu der in Fig. 6 gezeigten neuen Art eines Gleichspannungswandlers ist in Fig. 10a dargestellt. Vorteilhaft wird hierbei eine niedrigere Anzahl induktiver Komponenten und Schaltelemente benötigt. Der Aufbau basiert wieder auf einem kapazitiven Spannungsteiler mit Spannungsteilerkondensatoren 3.1 bis 3.m, wobei im einfachsten Fall vier in Serie geschaltete Spannungsteilerkondensatoren 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 vorliegen; die nachstehende Beschreibung ist auf eine derartige einfachste Anordnung beschränkt. Zwischen den Kondensatoren 3.1 und 3.2 zweigt ein Resonanzkondensator 30.1a ab, dessen zweites Ende mit einer Induktivität 60.1a, welche mit einer Induktivität 60.1b, wie durch die Kopplung 65.1 dargestellt, magnetisch gekoppelt ist, verbunden ist. Das zweite Ende der Induktivität 60.1a wird mit der Serienverbindung zweier Schalter 50.1a und Schalter 50.1b verbunden, wobei der Schalter 50.1a von der oberen Klemme des ersten Spannungsteilerkondensators 3.1 abzweigt und Schalter 50.1b an den Verbindungspunkt des zweiten Spannungsteilerkondensators 3.2 mit dem dritten Spannungsteilerkondensator 3.3 angeschlossen ist.An alternative to the new type of DC-DC converter shown in Fig. 6 is shown in Fig. 10a. Advantageously, this requires a lower number of inductive components and switching elements. The structure is again based on a capacitive voltage divider with voltage divider capacitors 3.1 to 3.m, wherein in the simplest case there are four series-connected voltage divider capacitors 3.1, 3.2, 3.3, 3.4; The following description is limited to such a simplest arrangement. Between the capacitors 3.1 and 3.2, a resonant capacitor 30.1a branches off, the second end of which is connected to an inductance 60.1a, which is magnetically coupled to an inductance 60.1b, as represented by the coupling 65.1. The second end of the inductance 60.1a is connected to the series connection of two switches 50.1a and 50.1b, the switch 50.1a branching off from the upper terminal of the first voltage divider capacitor 3.1 and switch 50.1b to the connection point of the second voltage divider capacitor 3.2 to the third voltage divider capacitor 3.3 is connected.

[0037] Weiters zweigt zwischen den Kondensatoren 3.3 und 3.4 ein Resonanzkondensator 30.1b ab, dessen zweites Ende mit einer Induktivität 60.1b (welche, wie oben erwähnt, mit einer Induktivität 60.1b magnetisch gekoppelt ist) verbunden ist. Das zweite Ende der Induktivität 60.1 b wird mit der Serienverbindung zweier Schalter 50.2a und Schalter 50.2b verbunden, wobei der Schalter 50.2a von der oberen Klemme des ersten Spannungsteilerkondensators 3.3 abzweigt und Schalter 50.2b an die untere Klemme des zweiten Spannungsteilerkondensators 3.4 angeschlossen ist.Furthermore, a resonant capacitor 30.1b branches off between the capacitors 3.3 and 3.4, whose second end is connected to an inductance 60.1b (which, as mentioned above, is magnetically coupled to an inductance 60.1b). The second end of the inductor 60.1b is connected to the series connection of two switches 50.2a and 50.2b switches, wherein the switch 50.2a branches off from the upper terminal of the first voltage divider capacitor 3.3 and switch 50.2b is connected to the lower terminal of the second voltage divider capacitor 3.4.

[0038] Durch diese Verschaltung gekoppelter Spulen tritt über jeder Spule bzw. zwischen den die Spulen realisierenden und auf einem Magnetkern befindlichen Windungen nur ein durch die Stufenzahl des Spannungsteilers bestimmter Bruchteil der Gesamtspannung auf. Die Isolationsspannung kann somit vorteilhaft niedriger als für Systeme, bei denen direkt von der Gesamtspannung der Quelle 1 ausgehend, z.B. mittels eines Sperrwandlers (der als induktives Element ebenfalls zwei magnetisch gekoppelte Spulen aufweist) die an der Last 2 geforderte Spannung erzeugt wird, gewählt werden.Through this interconnection coupled coils occurs over each coil or between the coils realizing and located on a magnetic core turns only a certain number of stages of the voltage divider fraction of the total voltage. The isolation voltage can thus advantageously be lower than for systems in which directly starting from the total voltage of the source 1, e.g. by means of a flyback converter (which also has two magnetically coupled coils as an inductive element), the voltage required at the load 2 is generated, can be selected.

[0039] Erfindungsgemäss kann die vorgestellte Schaltung dadurch modifiziert werden, dass beliebige Spulen magnetisch gekoppelt werden. Beispielsweise ist eine magnetische Kopplung von jeweils vier (anstatt, wie oben beschrieben, von nur zwei) Spulen möglich, oder es können sämtliche Spulen magnetisch gekoppelt werden. In beiden Fällen wird vorteilhaft die Anzahl der erforderlichen Magnetkerne reduziert.According to the invention, the presented circuit can be modified in that any coils are magnetically coupled. For example, a magnetic coupling of four each (instead of, as described above, of only two) coils is possible, or all coils can be magnetically coupled. In both cases, the number of required magnetic cores is advantageously reduced.

[0040] Bei Spannungsteilern mit m Kondensatoren (m gerade und grösser bzw. gleich 4) werden p = (((m-4)/2)+1) gekoppelte Induktivitäten, ebenso viele Resonanzkondensatoren und m Schalter benötigt. Die Anzahl der Resonanzkondensatoren kann halbiert werden, indem nur in Serie mit einem Anschluss einer gekoppelten Induktivität ein Resonanzkondensator halber Kapazität gesetzt wird. Bei der in Fig. 10a gezeigten Topologie kann der Abgriff der Last nur an den Verbindungspunkten zwischen den Spannungsteilerkondensatoren erfolgen, an denen sich keine Serienverbindung eines Resonanzkondensators und einer gekoppelten Induktivität befindet. In Fig. 10b wird eine Variante gezeigt, bei der der Lastabgriff auch an den Verbindungspunkten der Spannungsteilerkondensatoren erfolgen kann, an denen sich gekoppelte Induktivitäten befinden. Dafür muss der Resonanzkondensator auf der anderen Seite der gekoppelten Induktivität den halben Kapazitätswert aufweisen.For voltage dividers with m capacitors (m even and greater than or equal to 4) are p = (((m-4) / 2) +1) coupled inductors, as many resonant capacitors and m switch needed. The number of resonant capacitors can be halved by setting a half capacitance resonant capacitor only in series with a coupled inductor terminal. In the topology shown in Figure 10a, the load can only be tapped off at the connection points between the voltage divider capacitors where there is no series connection of a resonant capacitor and a coupled inductor. In Fig. 10b, a variant is shown, in which the load tap can also be done at the connection points of the voltage divider capacitors, in which there are coupled inductances. For this purpose, the resonance capacitor on the other side of the coupled inductance must have half the capacitance value.

[0041] Die Ansteuersignale der Schalter sind in solcher Art synchronisiert, dass zwei benachbarte Schalter jeweils ein um eine halbe Taktperiode versetztes Ansteuersignal erhalten. Das Ansteuersignal ist ein symmetrisches Rechtecksignal mit 50% Tastgrad, wobei die daraus abgeleitete Ansteuerung der Schalter vorteilhaft die oben beschriebene Totzeit aufweist.The control signals of the switches are synchronized in such a way that two adjacent switches each receive a drive signal offset by half a clock period. The drive signal is a symmetrical square wave signal with 50% duty cycle, the derived control of the switch advantageously has the dead time described above.

[0042] Bei einer praktischen Realisierung der Erfindung ist zu beachten, dass die gekoppelten Induktivitäten in der Praxis nicht über eine ideale Kopplung verfügen. Durch diese nicht ideale Kopplung (Kopplungsfaktor kleiner 1) wird durch den Strom, der durch die gekoppelten Indukvititäten fliesst, neben dem Hauptfeld auch ein Streufeld erzeugt. Zum anschauli cheren Verständnis kann eine Induktivität, im Folgenden Streuinduktivität genannt, als in Serie mit der gekoppelten Induktivität verbunden, gedacht werden, welche für die Erzeugung des Streufelds verantwortlich ist, also z.B. zwischen 30.1a und 60.1a. Bei einem erfindungsgemässen Betrieb der Schaltung bilden die Streuninduktivitäten zweier gekoppelter Induktivitäten zusammen mit den sich jeweils in Serie befindlichen Resonanzkondensatoren einen Resonanzkreis mit einer bestimmten Resonanzfrequenz. Für einen vorteilhaften Betrieb der Schaltung gemäss Erfindung ist die Schaltfrequenz der Schalter 50.ka bzw. 50.kb so zu wählen, dass sie der Resonanzfrequenz entspricht. Erfindungsgemäss kann die Schaltung auch so modifiziert werden, dass anstelle von diskreten Resonanzkondensatoren die parasitären Kapazitäten der Schaltelemente, die sich parallel zu diesen befinden, genutzt werden können.In a practical implementation of the invention is to be noted that the coupled inductors in practice do not have an ideal coupling. As a result of this non-ideal coupling (coupling factor less than 1), the current flowing through the coupled inductors generates a stray field in addition to the main field. For illustrative purposes, an inductance, hereinafter called stray inductance, may be thought of as being connected in series with the coupled inductor, which is responsible for the generation of the stray field, e.g. between 30.1a and 60.1a. In an inventive operation of the circuit, the stray inductances of two coupled inductors together with the resonant capacitors in series form a resonant circuit with a specific resonant frequency. For an advantageous operation of the circuit according to the invention, the switching frequency of the switches 50.ka or 50.kb is to be chosen such that it corresponds to the resonant frequency. According to the invention, the circuit can also be modified in such a way that, instead of discrete resonance capacitors, the parasitic capacitances of the switching elements which are parallel to them can be used.

[0043] Der Flochlaufvorgang der Schaltung gemäss Erfindung kann so erfolgen, dass die Spannung der Quelle 1 graduell auf Nennspannung erhöht wird. Während dieses Vorgangs kann die Last 2, welche z.B. ein DC-DC-Konverter sein kann, ausgeschaltet bleiben und die Spannung der Quelle 1 teilt sich gemäss eines kapazitiven Spannungsteilers auf die Kondensatoren 3.1 bis 3.m auf. Nach Erreichen einer Mindestspannung können die Schalter der Balanciermodule erfin-dungsgemäss getaktet werden und die Last kann dazugeschaltet werden. Um zu verhindern, dass während des Hochlaufvorgangs Überspannungen an den Kondensatoren des Spannungsteilers 3 auftreten, können parallel zu den einzelnen Spannungsteilerkondensatoren sogenannte Suppressor Dioden (TVS) geschaltet werden, die der Spannungsbegrenzung dienen.The flocculation process of the circuit according to the invention can be carried out so that the voltage of the source 1 is gradually increased to nominal voltage. During this process, the load 2, which may be e.g. a DC-DC converter can remain switched off and the voltage of the source 1 is divided according to a capacitive voltage divider on the capacitors 3.1 to 3.m on. After reaching a minimum voltage, the switches of the balancing modules can be clocked according to the invention and the load can be connected. In order to prevent overvoltages occurring at the capacitors of the voltage divider 3 during the run-up operation, so-called suppressor diodes (TVS) can be connected in parallel with the individual voltage divider capacitors, which serve to limit the voltage.

[0044] Alternativ kann die neue Art von Gleichspannungswandlern aus Fig. 6 und Fig. 10a/b auch so modifiziert werden, dass die Quelle 1 mit nur einem Teil der vorhandenen Spannungsteilerkondensatoren 3.i verbunden wird, wie in Fig. 11 gezeigt. Zudem kann der in Fig. 10a/b und Fig. 11 gezeigte Gleichspannungswandler über eine oder mehrere Potentialtrennungen verfügen, in der Art, dass die potentialgetrennten Bereiche des Gleichspannungswandlers nur über eine induktive respektive magnetische Kopplung 65.i miteinander verbunden sind, wie in Fig. 12a/b zu sehen.Alternatively, the new type of DC-DC converters of Fig. 6 and Fig. 10a / b can also be modified so that the source 1 is connected to only a portion of the existing voltage divider capacitors 3.i, as shown in Fig. 11. In addition, the DC / DC converter shown in FIGS. 10a / b and 11 can have one or more potential separations, such that the potential-separated regions of the DC / DC converter are connected to one another only via an inductive or magnetic coupling 65.i, as shown in FIG. 12a / b to see.

Bezugszeichenliste [0045] 1 Quelle 2 Last 3.1 Spannungsteilerkondensatoren 4.1 Induktives Element 5.ii Schaltelement 6.1 Balancierungselement 7 Zeitachse 8 Zeitachse 9 Zeitachse 10 Stromverlauf 11 Schaltsignal 12 Schaltsignal 13 Strommittelwert 14 Totzeit 15 Diode, Speisediode 16 Kondensator, Energiespeicher 17 Schaltelement, Speiseschalter 18 Diode, Quellendiode 19 Versorgungseinheit 20 Zeitachse 21 ZeitachseList of Reference Numerals [0045] 1 source 2 load 3.1 voltage divider capacitors 4.1 inductive element 5.ii switching element 6.1 balancing element 7 time axis 8 time axis 9 time axis 10 current curve 11 switching signal 12 switching signal 13 average current value 14 dead time 15 diode, supply diode 16 capacitor, energy storage 17 switching element, supply switch 18 diode, Source diode 19 Supply unit 20 Timeline 21 Timeline

Claims (10)

22 Zeitachse 23 Zeitachse 24 Stromverlauf 25 Strommittelwert 26a Obere Hysteresegrenze 26b Untere Hysteresegrenze 27 Spannungsverlauf 28 Stromverlauf 29 Schaltsignal 30. ii Resonanzkondensator 31.1 Aufstart-Einheit 50.N Schaltelement 60.ii Gekoppelte Induktivität 65.1 Magnetische Kopplung Patentansprüche22 Time axis 23 Timeline 24 Current profile 25 Average current value 26a Upper hysteresis limit 26b Lower hysteresis limit 27 Voltage curve 28 Current profile 29 Switching signal 30. ii Resonance capacitor 31.1 Startup unit 50.N Switching element 60.ii Coupled inductance 65.1 Magnetic coupling Patent claims 1. Gleichspannungswandler zur Wandlung zwischen einer ersten Spannung und mindestens einer zweiten Spannung, welche kleiner als die erste Spannung ist, wobei der Gleichspannungswandler mindestens eine Serieschaltung von Kondensatoren (3.1,3.2,...) aufweist, welche einen kapazitiven Spannungsteiler für eine erste Spannung des Gleichspannungswandlers bilden, und dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler eine Balancierschaltung mit mehreren Balanciermodulen (6.1,6.2,...) aufweist, und die Balanciermodule (6.1,6.2,...) jeweils zum Transfer von Energie zwischen mindestens zwei der Kondensatoren (3.1,3.2,...) angeordnet sind.1. DC-DC converter for converting between a first voltage and at least a second voltage, which is smaller than the first voltage, wherein the DC-DC converter at least one series circuit of capacitors (3.1,3.2, ...), which comprises a capacitive voltage divider for a first voltage of the DC-DC converter, and characterized in that the DC-DC converter comprises a balancing circuit with a plurality of balancing modules (6.1, 6.2,...) and the balancing modules (6, 6, 6,...) each for transferring energy between at least two of the capacitors ( 3.1,3.2, ...) are arranged. 2. Gleichspannungswandler gemäss Anspruch 1, wobei als Bestandteil des Gleichspannungswandlers an mindestens einen der Kondensatoren (3.1,3.2,...) ein Verbraucher (2) angeschlossen ist, welcher dem Kondensator (3.1,3.2,...) Energie entnimmt, oder eine Energiequelle, welche Energie in den Kondensator (3.1,3.2,...) speist.2. DC-DC converter according to claim 1, wherein as a component of the DC-DC converter to at least one of the capacitors (3.1,3.2, ...) a consumer (2) is connected, which the capacitor (3.1,3.2, ...) draws energy, or an energy source, which feeds energy into the condenser (3.1, 3.2, ...). 3. Gleichspannungswandler gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren Balanciermodule (6.1,6.2,...) jeweils Ausgleichselemente aufweisen und jedes der Ausgleichselemente jeweils parallel zu wahlweise einem von mindestens zwei der Kondensatoren (3.1, 3.2, ...) schaltbar ist.3. DC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein the plurality Balanciermodule (6.1,6.2, ...) each have compensation elements and each of the compensation elements in each case parallel to optionally one of at least two of the capacitors (3.1, 3.2, ...) is switchable , 4. Gleichspannungswandler gemäss Anspruch 3, wobei die Ausgleichselemente jeweils einen Energiespeicher aufweisen, insbesondere induktive Energiespeicher (4.1,4,2, ..., 60.1a, 60.1b, ...).4. DC-DC converter according to claim 3, wherein the compensation elements each have an energy storage, in particular inductive energy storage (4.1.4.2, ..., 60.1a, 60.1b, ...). 5. Gleichspannungswandler gemäss Anspruch 3 oder 4, wobei ein Ausgleichselement jeweils wahlweise an einen von zwei Kondensatoren eines Kondensatorpaares (3.1, 3.2; 3.2, 3.3; 3.3, 3.4; ...) anschliessbar ist, wobei die beiden Kondensatoren eines Kondensatorpaares solche sind, welche in der Serieschaltung von Kondensatoren aufeinan-derfolgen.5. DC-DC converter according to claim 3 or 4, wherein a compensating element is in each case selectively connectable to one of two capacitors of a capacitor pair (3.1, 3.2, 3.2, 3.3, 3.3, 3.4, ...), wherein the two capacitors of a capacitor pair are such which aufeinan follow in the series connection of capacitors. 6. Gleichspannungswandler gemäss Anspruch 5, wobei jeweils an einem gemeinsamen Anschlusspunkt, an welchem ein oberer Anschluss eines unteren Kondensators (3.2) und ein unterer Anschluss eines oberen Kondensators (3.1) der Serieschaltung miteinander verbunden sind, ein erster Anschluss eines Ausgleichselements (4.1) angeschlossen ist, und ein zweiter Anschluss des Ausgleichselements (4.1) wahlweise an einen oberen Anschluss des oberen Kondensators (3.1) und an einen unteren Anschluss des unteren Kondensators (3.2) schaltbar ist, wobei der obere Kondensator und der untere Kondensator Kondensatoren aus der Menge der in Anspruch 1 genannten Kondensatoren sind.6. DC-DC converter according to claim 5, wherein in each case at a common connection point at which an upper terminal of a lower capacitor (3.2) and a lower terminal of an upper capacitor (3.1) of the series circuit are connected to each other, a first terminal of a compensating element (4.1) connected a second terminal of the compensating element (4.1) is selectively switchable to an upper terminal of the upper capacitor (3.1) and to a lower terminal of the lower capacitor (3.2), wherein the upper capacitor and the lower capacitor capacitors from the amount of in Claim 1 mentioned capacitors. 7. Gleichspannungswandler gemäss einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Ausgleichselemente jeweils eine Resonanzkapazität (30.1a, 30.1b, ...) und in Serie dazu eine Induktivität (60.1a, 60.1b,...) aufweisen.7. DC-DC converter according to one of claims 3 to 6, wherein the compensation elements each have a resonant capacitance (30.1a, 30.1b, ...) and in series an inductance (60.1a, 60.1b, ...) have. 8. Gleichspannungswandler gemäss einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei Ausgleichselemente (30.1a, 60.1a; 30.1b, 60.1b; ...) induktiv miteinander gekoppelt sind.8. DC-DC converter according to one of claims 3 to 7, wherein compensating elements (30.1a, 60.1a, 30.1b, 60.1b, ...) are inductively coupled together. 9. Gleichspannungswandler gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren Balanciermodule jeweils einen Inverswandler oder einen Hoch-Tiefsetzsteller aufweisen, welcher zwischen zwei der Kondensatoren geschaltet ist.9. DC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein the plurality Balanciermodule each having an inverter converter or a buck-boost converter, which is connected between two of the capacitors. 10. Gleichspannungswandler gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend mindestens eine Versorgungseinheit (19) zur Spannungsversorgung von mindestens einem der Balanciermodule (6.1, 6.2, ...), wobei die Versorgungseinheit in Serie zur Serieschaltung der Kondensatoren (3.1, 3.2, ...) geschaltet ist, und insbesondere die Versorgungseinheit einen in Serie zu den Kondensatoren (3.1,3.2,...) geschalteten Speiseschalter (17) und eine parallel zum Speiseschalter (17) geschaltete Speicherschaltung (15, 16) mit einem Energiespeicher (16) aufweist.10. DC-DC converter according to one of the preceding claims, comprising at least one supply unit (19) for supplying power to at least one of the balancing modules (6.1, 6.2, ...), wherein the supply unit in series for series connection of the capacitors (3.1, 3.2, ... ), and in particular the supply unit has a supply switch (17) connected in series with the capacitors (3.1, 3.2,...) and a memory circuit (15, 16) connected in parallel with the supply switch (17) with an energy store (16) ,
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