DE10055011A1

DE10055011A1 - Bidirektionaler Drosselwandler

Info

Publication number: DE10055011A1
Application number: DE2000155011
Authority: DE
Inventors: Thomas Kattwinkel; Gerd Koeck
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-08-01

Abstract

Spannungswandler mit einem steuerbaren Umschalter, der entsprechend einem Steuersignal einen Knotenpunkt auf den einen oder den anderen Anschluss der die höhere Sollspannung aufweisenden Spannungsquelle ausschaltet, einer Drossel, die zwischen den Knotenpunkt und den einen Anschluss der die niedrigere Sollspannung aufweisenden Spannungsquelle geschaltet ist, wobei die anderen Anschlüsse der beiden Spannungsquellen miteinander verbunden sind, und einer Steuereinrichtung, die mit beiden Spannungsquellen verbunden ist, die die Istspannungen der beiden Spannungsquellen auswertet und die ein Steuersignal zum fortlaufenden Umschalten des Umschalters mit jeweils bestimmten Tastverhältnis in Abhängigkeit von den Istspannungen der beiden Spannungsquellen erzeugt, derart, DOLLAR A dass die Spannungsquelle, deren Istwert unterhalb des Sollwerts liegt, durch die jeweils andere Spannungsquelle unterstützt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Spannungswandler zum Koppeln zweier unterschiedliche Sollspannungen aufweisen den Spannungsquellen.

Bidirektionale Spannungswandler kommen beispielsweise überall dort zum Einsatz, wo zwei unterschiedlich hohe Gleichspannun gen miteinander gekoppelt werden sollen und Leistung in beide Richtungen übertragen werden soll. Derartige Einsatzgebiete sind beispielsweise Automobile mit zwei unterschiedlichen Bordnetzen (z. B. 14 Volt und 42 Volt) und Solaranlagen mit verschiedenen Sammelschienenkonzepten.

Darüber hinaus können bidirektionale Spannungswandler auch dort eingesetzt werden, wo Energie zwischengespeichert werden soll, wobei der bidirektionale Drosselwandler ein verlustar mes Laden des Energiespeichers sowie eine in der Spannung an gepasste Abgabe von Energie ermöglicht. So kann beispielswei se die Bremsenergie von Fahrzeugen (Bahn, Kraftfahrzeuge usw.) mittels eines bidirektionalen Spannungswandlers ent sprechende Speicherkondensatoren laden. Beim Anfahren kann die in den Speicherkondensatoren gespeicherte Energie wieder entnommen werden. Dabei ist die zum Speichern maximal zuläs sige Spannung in der Regel geringer als die beim Bremsen ent stehende bzw. beim Anfahren benötigte Spannung.

Das Gleiche gilt auch für Solar und Windkraftanlagen, bei de nen die Energieabgabe nicht gleichförmig bzw. der Energiebe darf nicht gleichmäßig ist. Auch hier kann durch den Einsatz von Speicherkondensatoren die Energieabgabe ausgeglichener gestaltet werden.

Schließlich trifft das Problem der Energiespeicherung bei ei ner von der Energieerzeugung bzw. Energieaufnahme unter schiedlichen Spannung auch für portable Geräte (z. B. Laptops, Palmtops) zu, bei denen ein bidirektionaler Spannungswandler zum Laden und Entladen eines Akkumulators verwendet werden kann.

Obwohl - wie gezeigt - die Anwendungsbereiche bidirektionaler Spannungswandler vielfältig sind, ist ihre Anwendung dennoch in der Regel sehr begrenzt, da die bidirektionalen Spannungs wandler bisher entweder einen hohen schaltungstechnischen Aufwand erforderten oder für zahlreiche Anwendungen nicht in geeigneter Weise realisiert werden konnten.

So wurden beispielsweise in Automobilen zur Kopplung des 14- Volt-Bordnetzes mit einem 42-Volt-Bordnetz ein Step-Down- Wandler mit einem Step-up-Wandler kombiniert. Dabei ist die Anzahl der Leistungsbauelemente hoch und es ist eine aufwen dige Steuerung erforderlich, die den Betrieb beider Wandler zur selben Zeit sicher verhindert. Bei Schienenfahrzeugen wird die erzeugte Bremsenergie in die Fahrleitung zurückge speist. Der Wirkungsgrad ist hierbei jedoch äußerst gering. Bei portablen Geräten wird ein Akkumulator in Verbindung mit einem Ladeteil eingesetzt. Um bei einen Netzausfall die si chere Umschaltung auf Akkubetrieb zu erhalten wird eine Leis tungsdiode (beispielsweise Schottky-Diode) benutzt, die die Verbindung zwischen Akkumulator und interner Versorgung her stellt. In Solar- und Windkraftanlagen werden derzeit Auf füllbatterien eingesetzt, da diese höhere Spannungen verar beiten können als Pufferkondensatoren.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen bidirektionalen Span nungswandler anzugeben, der bei geringem schaltungstechni schen Aufwand vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bietet.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen bidirektionalen Span nungswandler gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Wei terbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Un teransprüchen.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen bidirektiona len Spannungswandlers liegt darin, dass im wesentlichen nur drei Funktionsblöcke, nämlich ein steuerbarer Umschalter, ei ne Drossel und eine Steuereinrichtung benötigt werden, um ei nen funktionsfähigen und vielseitigen bidirektionalen Span nungswandler zu realisieren. Insbesondere sind keine Dioden notwendig, die erheblich zu hohen Leistungsverlusten und da mit zu einem geringen Wirkungsgrad beitragen. Des weiteren ist nur eine Drossel notwendig, so dass Maß und Gewicht ge ring gehalten werden können.

Erreicht wird dies im Einzelnen bei einem erfindungsgemäßen bidirektionalen Spannungswandler mittels eines steuerbaren Umschalters, der entsprechend einem Steuersignal einen Kno tenpunkt auf den einen oder den anderen Anschluss der die hö here Sollspannung aufweisenden Spannungsquelle aufschaltet, sowie mittels einer Drossel, die zwischen den Knotenpunkt und den einen Anschluss der die niedrigere Sollspannung aufwei senden Spannungsquelle geschaltet ist, wobei die anderen An schlüsse der beiden Spannungsquellen miteinander verbunden sind. Eine Steuereinrichtung, die mit beiden Spannungsquellen verbunden ist und die die Istspannung der beiden Spannungs quellen auswertet, erzeugt ein Steuersignal zum fortlaufenden Umschalten des Umschalters mit jeweils bestimmten Tastver hältnis in Abhängigkeit von den Istspannungen der beiden Spannungsquellen derart, dass die Spannungsquelle, deren Ist wert unterhalb des Sollwerts liegt, durch die jeweils andere Spannungsquelle unterstützt wird.

Bevorzugt weißt die Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Auswertung der Istspannungen der beiden Spannungsquellen ge genüber den jeweiligen Sollspannungen auf, die abhängig da von, welche der beiden Spannungsquellen den Sollwert unter schreitet, ein bestimmtes Tastverhältnis oder den Kehrwert davon einstellt. Durch das Umschalten zwischen einen bestimm ten Tastverhältnis und dessen Kehrwert wird ein Umschalten der Wandlungsrichtung erreicht, d. h., es kann damit zwischen einer Step-up-Funktion und einer Step-Down-Funktion auf ein fache Weise umgeschaltet werden.

Bei der Ausgestaltung der Erfindung wird als Umschalter zwei in Halbrückenschaltung angeordnete Halbleiter-Schalter vorge sehen, die gegenphasig, nicht überlappend betrieben werden. Als Halbleiter-Schalter kommen dabei bevorzugt MOS- Feldeffekttransistoren und IGBTs zum Einsatz. Diese zeichnen sich durch eine geringe Ansteuerleistung sowie durch eine ho he Schaltleistung aus.

Bevorzugt ist bei einem erfindungsgemäßen bidirektionalen Spannungswandler mindestens eine der beiden Spannungsquellen wiederaufladbar, so dass im Falle eines Istwertes kleiner als der jeweilige Sollwert die wiederaufladbare Spannungsquelle durch die andere Spannungsquelle geladen wird. Auf diese Wei se ist eine effiziente und effektive Energiespeicherung mög lich, da nun die Sollspannungswerte des Energiespeichers und die Sollspannungswerte des Energieverbrauchers bzw. des Ener gieerzeugers in beliebiger Weise unterschiedlich sein können. Als Energiespeicher kommen dabei insbesondere alle Arten von Akkumulatoren und Kondensatoren alleine und in Kombination zum Einsatz. Durch den erfindungsgemäßen Spannungswandler ist es nun möglich auch Speicherkondensatoren, die in der Regel eine relativ niedrige Sollspannung aufweisen, auch in Anlagen höherer Spannung einzusetzen.

Um einen ordnungsgemäßen Betrieb des erfindungsgemäßen bidi rektionalen Spannungswandlers zu gewährleisten ist bei der Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Messung und Auswertung des Stromes in der Drossel vorgesehen, die bei Überschreiten eines Stromgrenzwertes den Spannungswandler deaktiviert. Auf diese Weise werden die Wirkungen von Funktionsstörungen, wie beispielsweise einen Kurzschluss, sofort erkannt und Schaden verhindert.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen werden, dass die Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Messung und Auswertung der Sollspannung mindestens einer Spannungsquelle aufweist, die bei Überschreiten des Istwertes einer der bzw. beider Spannungsquellen des jeweiligen Sollwertes um jeweils einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert den Spannungswandler deakti viert. Damit wird verhindert, dass unzulässige hohe Spannun gen an den Spannungsquellen auftreten.

Die Deaktivierung des Spannungswandlers erfolgt dabei derart, dass der Umschalter keinen der beiden Anschlüsse der die hö here Sollspannung aufweisenden Spannungsquelle auf den Kno tenpunkt ausschaltet. Der Umschalter befindet sich dabei in einem sogenannten Idle-Mode, bei dem der Umschalter zu beiden Anschlüssen der die höhere Sollspannung aufweisenden Span nungsquelle hin einen hohen bis sehr hohen Übergangswider stand aufweist. Somit fließt praktisch kein Strom durch die Drossel und die beiden Spannungsquellen arbeiten unabhängig voneinander.

Schließlich wird bevorzugt das Tastverhältnis in einer Wan delrichtung gleich dem Verhältnis der Sollspannungen beider Spannungsquellen und in der anderen Dichtung gleich dessen Kehrwert gewählt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen bidirektionalen Spannungswandlers,

Fig. 2 den Verlauf verschiedener Ströme und Spannungen über der Zeit bei dem Spannungswandler nach Fig. 1 im Step-Down-Modus und

Fig. 3 den Verlauf verschiedener Ströme und Spannungen über der Zeit bei dem Spannungswandler nach Fig. 1 im Step-Up-Modus.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Drossel 1 zwi schen einen Anschluss einer Spannungsquelle, die durch eine Batterie 2 mit parallel geschaltetem Kondensator 3 gebildet wird, und einen Knotenpunkt, an dem der Source-Anschluss ei nes MOS-Feldeffekttransistors 4 vom N-Kanal-Typ sowie der Drain-Anschluss eines MOS-Feldeffekttransistors 5 angeschlos sen ist, geschaltet. Zwischen dem Drain-Anschluss des MOS- Feldeffekttransistors 4 und dem Source-Anschluss des MOS- Feldeffekttransistors 5 ist eine weitere Spannungsquelle an geordnet, die aus einer Batterie 6 mit parallel geschaltetem Kondensator 7 besteht. Als Batterien 3 und 6 werden bei spielsweise Akkumulatoren verwendet, während die Kondensato ren 3 und 7 als Speicherkondensatoren ausgeführt sind. Jedoch kann in gleicher Weise bei beiden Spannungsquellen jeweils nur ein Kondensator oder nur eine Batterie verwendet werden. Darüber hinaus ist selbstredend auch jede andere Spannungs quelle in gleicher Weise einsetzbar.

Zwischen die Drain-Anschlüsse und die Source-Anschlüsse der MOS-Feldeffekttransistoren 4 und 5 ist jeweils eine gesteuerte Spannungsquelle 8 bzw. 9 geschaltet, die ihrerseits je weils durch eine Steuereinrichtung 10 gesteuert werden.

Die Steuereinrichtung 10 umfasst beim Ausführungsbeispiel da bei zwei Komparatoren 11 und 12, die die Spannungen über Bat terie 12 und Kondensator 3 bzw. Batterie 6 und Kondensator 7 mit jeweils einer entsprechenden Referenzspannung 13 bzw. 14 vergleicht. Die Vergleichsergebnisse der beiden Komparatoren 11 und 12 werden dann einer Auswerteeinrichtung 15 zugeführt, die zwei gegenphasige Ansteuersignale 16 und 17 für die steu erbaren Spannungsquellen 8 und 9 erzeugt. Die beiden ge genphasigen Ansteuersignale 16 und 17 werden jedoch nur dann erzeugt, wenn entweder die Spannung über Batterie 2 und Kon densator 3 oder die Spannung über Batterie 6 und Kondensator 7 unter die jeweilige Referenzspannung 13 bzw. 14 abfällt. Zudem wird ausgehend von einem festen Tastverhältnis, dass gleich dem Verhältnis der beiden Referenzspannungen 13 und 14 entspricht, das Tastverhältnis der Ansteuersignale 16 und 17 eingestellt. Bei einer Anwendung in Kraftfahrzeugen mit zwei Bordnetzen entspricht die Referenzspannung 13 einer Sollspan nung von 14 Volt, während die Referenzspannung 14 einer Soll spannung von 42 Volt entspricht. Fällt die Spannung über Bat terie 2 und Kondensator 3 unter die 14 Volt und damit unter die durch die Referenzspannung 13 gegebene Sollspannung ab, dann wird ein Tastverhältnis von Eins zu Drei eingestellt. D. h., der MOS-Feldeffekttransistor 5 ist dreimal so lange ge öffnet, als der MOS-Feldeffekttransistor 4. Fällt im umge kehrten Fall die Spannung über Batterie 6 und Kondensator 7 unter den durch die Referenzspannung 14 vorgegebenen Wert der Sollspannung ab, dann wir ein Tastverhältnis von Drei zu Eins eingestellt. Dies wiederum bedeutet, dass der MOS-Feld effekttransistor 4 dreimal solange durchgeschaltet ist als der MOS-Feldeffekttransistor 5.

Für den Fall, dass sowohl die Spannung über Batterie 2 und Kondensator 3 als auch die Spannung über Batterie 6 und Kon densator 7 unterhalb oder oberhalb der jeweiligen Sollspan nungen sind, werden keine Ansteuersignale 16 und 17 erzeugt, so dass die beiden MOS-Feldeffekttransistoren 4 und 5 ge sperrt sind. Dieser Zustand charakterisiert einen sogenannten Idle-Mode.

Der Idle-Mode kann darüber hinaus auch durch eine Überwa chungseinrichtung 18 ausgelöst werden, die die Spannung über Batterie 2 und Kondensator 3 sowie die Spannung über Batterie 6 und Kondensator 7 auf Überspannung überwacht. Darüber hin aus überwacht die Überwachungseinrichtung 18 den Strom in der Drossel 1 gegenüber einem Grenzwert. Die Erfassung des Stroms in der Drossel 1 erfolgt mittels eines Stromsensors 19, der beispielsweise durch einen Hall-Sensor oder einer induktiv mit der Drossel gekoppelten Messwicklung aufgenommen werden kann. Alternativ kann der Strom auch mittels entsprechend ausgebildeter MOS-Feldeffekttransistoren 4 und 5 (z. B. Sense- FETs) gemessen werden. In dem Fall wird der durch den jewei ligen MOS-Feldeffekttransistor 4 oder 5 fließende Strom er fasst und ausgewertet. Erreicht der Strom in der Drossel 1 und/oder die Spannung über Batterie 2 und Kondensator 3 und/oder die Spannung über Batterie 6 und Kondensator 7 ent sprechende Grenzwerte, so wird durch die Überwachungseinrich tung die Auswerteeinrichtung 15 in den Idle-Mode geschaltet.

Bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Verläufen beim Step- Down-Modus und beim Step-Up-Modus sind jeweils im einzelnen die Spannung U_L über Batterie 2 und Kondensator 3, die Span nung UD über der Drossel 1, der Strom I₄ im Lastkreis des MOS-Feldeffekttransistors 4, der Strom I₅ im Lastkreis des MOS-Feldeffekttransistors 5 sowie der Strom I_D in der Drossel 1 über der Zeit t dargestellt. Es ist daraus zu ersehen, dass im Step-Down-Modus (Fig. 2) zum Zeitpunkt des Einschaltens des Transistors 5 und im Step-Up-Modus (Fig. 3) zum Zeit punkt des Ausschaltens des Transistors 5 jeweils der Spitzen strom der Drossel 1 mit guter Genauigkeit ausgewertet werden kann. Somit kann der Strom I₅ im Lastkreis des MOS-Feld effekttransistors 5 mit zufriedenstellender Genauigkeit an stelle des Stromsensors 19 verwendet werden kann.

Im übrigen zeigt der bidirektionale Spannungswandler für je den einzelnen Betriebsfall (Step-Down-Modus, Step-Up-Modus) die typischen Spannungs- und Stromverläufe eines einzelnen Step-Down-Wandlers bzw eines einzelnen Step-Up-Wandlers. So mit bietet der erfindungsgemäße zwar beide Funktionen in ei nem, jedoch ohne Gefahr einer Kollision zweier einzelner Wandler.

Bezugszeichenliste

1

Drossel

2

Batterie

3

Kondensator

4

Feldeffekttransistor

5

Feldeffekttransistor

6

Batterie

7

Kondensator

8

gesteuerte Spannungsquelle

9

gesteuerte Spannungsquelle

10

Steuereinrichtung

11

Komparator

12

Komparator

13

Referenzspannung

14

Referenzspannung

15

Auswerteinrichtung

16

Ansteuersignal

17

Ansteuersignal

18

Überwachungseinrichtung

19

Stromsensor

20

Stromgrenzwert

21

Spannungsgrenzwert

Claims

1. Bidirektionaler Spannungswandler zum Koppeln zweier unterschiedlicher Sollspannungen (13, 14) aufweisenden Span nungsquellen (2, 3; 6, 7) mit
einem steuerbaren Umschalter (4, 5, 8, 9), der entspre chend einem Steuersignal (16, 17) einen Knotenpunkt auf den einen oder den anderen Anschluss der die höhere Sollspannung (14) aufweisenden Spannungsquelle (6, 7) aufschaltet,
einer Drossel, die zwischen den Knotenpunkt und den einen Anschluss der die niedrigere Sollspannung (13) aufweisenden Spannungsquelle (2, 3) geschaltet ist, wobei die anderen An schlüsse der beiden Spannungsquellen (2, 3; 6, 7) miteinander verbunden sind, und
einer Steuereinrichtung (10), die mit beiden Spannungs quellen (2, 3; 6, 7) verbunden ist, die die Istspannungen der beiden Spannungsquellen (2, 3; 6, 7) auswertet und die das Steuersignal (16, 17) zum fortlaufenden Umschalten des Um schalters (4, 5, 8, 9) mit jeweils bestimmten Tastverhältnis in Abhängigkeit von den Istspannungen der beiden Spannungs quellen (2, 3; 6, 7) erzeugt derart, dass
die Spannungsquelle (2, 3; 6, 7), deren Istwert unterhalb des Sollwerts (13, 14) liegt, durch die jeweils andere Span nungsquelle (2, 3; 6, 7) unterstützt wird.

2. Bidirektionaler Spannungswandler nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung (10) eine Einrichtung (11, 12, 15) zur Auswertung der Istspannungen der beiden Spannungsquellen (2, 3; 6, 7) gegenüber den jeweiligen Sollspannungen (13, 14) aufweist, die abhängig davon, welche der beiden Spannungs quellen (2, 3; 6, 7) den jeweiligen Sollwert (13, 14) unter schreitet, ein bestimmtes Tastverhältnis oder den Kehrwert davon einstellt.

3. Bidirektionaler Spannungswandler nach einem der vorhe rigen Ansprüche, bei dem der Umschalter (4, 5, 8, 9) durch zwei Halbleiter-Schalter (4, 5) gebildet wird, die gegenpha sig, nicht überlappend betrieben werden.

4. Bidirektionaler Spannungswandler nach einem der vorhe rigen Ansprüche, bei dem mindestens eine der beiden Span nungsquellen (2, 3; 6, 7) wiederaufladbar ist und im Falle eines Istwertes kleiner dem jeweiligen Sollwert (13, 14) durch die jeweils andere Spannungsquelle (2, 3; 6, 7) geladen wird.

5. Bidirektionaler Spannungswandler nach einem der vorhe rigen Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (10) eine Ein richtung (18, 19) zur Messung und Auswertung des Stromes in der Drossel (1) aufweist, die bei Überschreiten eines Strom grenzwertes (20) den Spannungswandler deaktiviert.

6. Bidirektionaler Spannungswandler nach einem der vorhe rigen Ansprüche, bei dem die Steuereinrichtung (10) eine Ein richtung (18) zum Messen und Auswerten mindestens einer Span nungsquelle (2, 3; 6, 7) vorgesehen ist, die bei Überschrei ten des Sollwertes (13, 14) einer der bzw. beider Spannungs quellen (2, 3; 6, 7) um jeweils einen vorgegebenen Spannungs grenzwert (21) den Spannungswandler deaktiviert.

7. Bidirektionaler Spannungswandler nach einem der An sprüche 5 und 6, bei dem zur Deaktivierung des Spannungswand lers der Umschalter (4, 5, 8, 9) keinen der beiden Anschlüsse der die höhere Spannung aufweisenden Spannungsquelle (2, 3; 6, 7) auf den Knotenpunkt ausschaltet.

8. Bidirektionaler Spannungswandler nach einem der vorhe rigen Ansprüche, bei dem das Tastverhältnis in einer Wandel richtung dem Verhältnis der Sollspannungen (13, 14) beider Spannungsquellen (2, 3; 6, 7) und in der anderen Wandelrich tung dessen Kehrwert entspricht.