DE102008040719A1

DE102008040719A1 - Mehrphasiger getakteter DC/DC-Wandler

Info

Publication number: DE102008040719A1
Application number: DE200810040719
Authority: DE
Inventors: Roman Gronbach; Christof Maluck; Albert Geiger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-01-28
Also published as: WO2010009971A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen getakteten Spannungswandler (1) zur Versorgung elektrischer Verbraucher (6). Die Strombelastung der einzelnen Bauelemente (L, C, T) des Spannungswandlers (1) und die EMV-Emissionen können erheblich reduziert werden, wenn insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen ein mehrphasiger, getakteter Spannungswandler (1) verwendet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines mehrphasigen, getakteten Spannungswandlers gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, sowie einen solchen Spannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
Getaktete Spannungswandler dienen zum Wandeln einer Gleichspannung mit einem ersten Pegel in eine Ausgangsspannung mit einem zweiten Pegel. Je nach Ausführungsform des Wandlers kann die Ausgangsspannung höher oder niedriger sein als die Eingangsspannung. Derartige Spannungswandler werden beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt, um Verbraucher, wie z. B. bestimmte Steuergeräte gegen Unterspannung abzusichern.
Bekannte getaktete Spannungswandler umfassen grundsätzlich eine Induktivität, einen Transistor zum magnetischen Aufladen der Induktivität, sowie einen Freilauf, der üblicherweise eine Diode umfasst. 1 zeigt einen aus der Stand der Technik bekannten einphasigen Aufwärts-Wandler, wie er beispielsweise in Schaltnetzteilen verwendet wird. Der dargestellte Aufwärts-Wandler wandelt eine an seinem Eingang (im Bild links) anliegende Eingangsspannung U₁ in eine an seinem Ausgang (im Bild rechts) anliegende Ausgangsspannung U₂. Die Ausgangsspannung U₂ ist dabei immer größer oder zumindest gleich groß wie die Eingangsspannung U₁. Der Aufwärts-Wandler 1 umfasst eine zwischen Eingang und Ausgang geschaltete Induktivität 2 und einen Schalter 4, mittels dessen die Induktivität 2 abwechselnd gegen das Referenzpotential (Masse) oder den Ausgang geschaltet werden kann. Wenn der Schalter 4 geschlossen ist, wird in der Induktivität 2 Energie gespeichert, die zusätzlich an den Ausgang abgegeben wird, wenn der Schalter 4 wieder öffnet. Am Ausgang können daher höhere Ausgangsspannungen U₂ erzeugt werden als die Eingangsspannung U₁. Die Höhe der Ausgangsspannung U₂ ist dabei abhängig vom Tastverhältnis, mit dem der Schalter 4 ein- und ausgeschaltet wird.
Der Aufwärts-Wandler 1 umfasst ferner einen Schalter 3, der zwischen die Induktivität 2 und den Ausgang geschaltet ist und als Freilauf dient. Der Schalter 3 ist in der Praxis üblicherweise als Diode realisiert. Am Ausgang des Wandlers 1 ist außerdem ein Glättungskondensator 5 vorgesehen, der zur Glättung der Ausgangsspannung U₂ dient.
Derartige Aufwärts-Wandler 1 werden u. a. dazu eingesetzt, sicherheitsrelevante Verbraucher in Kfz gegen Unterspannung abzusichern. Die Verwendung solcher Aufwärts-Wandler in Kfz ist jedoch wegen der hohen Ströme und Leistungen problematisch. Die hohen Ströme erfordern insbesondere den Einsatz großer und schwerer Bauelemente, die nicht automatisch auf eine Leiterplatte bestückt werden können. Darüber hinaus kann es zu Überhitzungen einzelner Bauelemente oder Lötstellen kommen, da sich der gesamte Stromfluss auf einen Pfad bzw. ein Bauelement konzentriert.
Offenbarung der Erfindung
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strombelastung einzelner Bauelemente in einem getakteten Spannungswandler zu reduzieren.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 5 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, anstelle eines einphasigen Wandlers einen mehrphasigen, getakteten Spannungswandler für bestimmte Applikationen in einem Kraftfahrzeug zu verwenden. Ein solcher mehrphasiger Spannungswandler besteht prinzipiell aus mehreren parallel geschalteten einphasigen Spannungswandlern, die jeweils eine Induktivität, einen Transistor zum Aufladen der Induktivität, sowie einen zwischen Induktivität und Wandlerausgang geschalteten Schalter umfassen.
Die Verwendung eines mehrphasigen, getakteten Spannungswandlers hat somit den Vorteil, dass sich der Gesamtstrom auf n Phasen gleichmäßig verteilt und somit in jeder Phase ein entsprechend geringerer Strom fließt. Die in den einzelnen Phasen enthaltenen Bauelemente können somit kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden. Darüber hinaus nimmt die Verlustleistung in den einzelnen Bauelementen ab, wodurch sich die thermische Belastung reduziert. Zusätzliche Kühlmaßnahmen sind damit ggf. nicht mehr notwendig. Ein weiterer Vorteil besteht in der reduzierten EMV-Emission der am Eingang und Ausgang angeschlossenen EMV-Filter. Bei einer entsprechend hohen Anzahl von Phasen können ggf. Elektrolytkondensatoren durch MLCC ersetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist am Ein- und/oder Ausgang des mehrphasigen Spannungswandlers ein EMV-Filter zur Reduzierung der EMV-Emissionen vorgesehen. Die EMV-Filter sind vorzugsweise für alle Phasen gemeinsam vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Aufwärts-Wandlers, und
2 ein Beispiel eines 4-phasigen Aufwärts-Wandlers in einem Fahrzeugbordnetz.
Ausführungsformen der Erfindung
Bezüglich der Erläuterung von 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines 4-phasigen Aufwärts-Wandlers, der die am Wandlereingang von einer Batterie 10 bereitgestellte Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung wandelt, mit der eine Last 6 betrieben wird.
Jede der vier Phasen umfasst eine Speicherinduktivität L2–L5, einen MOS-Transistor T1–T4, mittels dessen die Induktivität L2–L5 abwechselnd gegen ein Referenzpotential (Masse) oder den Ausgang des Spannungswandlers 1 geschaltet wird, sowie eine am Ausgang angeordnete Diode D1–D4. Die Dioden D1–D4 sind jeweils zwischen die zugehörige Induktivität L2–L5 und den Ausgang geschaltet. Die Schalter T1–T4 werden von einem Spannungsregler 9 mittels eines PWM-Signals angesteuert. Das Tastverhältnis des PWM-Signals bestimmt dabei die Höhe der Ausgangsspannung U₂.
Sowohl am Eingang als auch am Ausgang des Aufwärts-Wandlers 1 ist jeweils ein EMV-Filter 7 bzw. 8 angeschlossen, der für alle Phasen gemeinsam vorgesehen ist. Die EMV-Filter 7, 8 sind hier als Pi-Filter realisiert und umfassen jeweils zwei parallel, gegen ein Bezugspotential geschaltete Kondensatoren C1, C2 bzw. C3, C4 sowie eine im Hauptpfad angeordnete Induktivität L1 bzw. L6. Die Kondensatoren C1 bis C4 bilden jeweils einen Energiespeicher zur Stabilisierung der Netzspannung. Die Induktivität L1 bzw. L6 in Verbindung mit den Kondensatoren C1 bis C4 bildet jeweils ein Tiefpassfilter zur Reduzierung der EMV-Emission.
Die Dimensionierung der EMV-Filter 7 und 8 erfolgt abhängig von der Phasenzahl des Aufwärts-Wandlers 1.
Durch die Verteilung des Gesamtstroms I auf mehrere Phasen werden die einzelnen Bauelemente L, C, T weniger stark belastet, so dass sie kleiner dimensioniert werden können. Die Bauelemente können somit automatisch auf eine Leiterplatte gesetzt werden und sind weniger empfindlich gegen mechanische Schock- und Vibrationsbelastungen des zugehörigen Steuergeräts. Der mehrphasige Aufwärts-Wandler hat außerdem den Vorteil, dass sich die EMV-Emission gegenüber einem einphasigen Wandler erheblich verringert.

Claims

Verwendung eines mehrphasigen, getakteten Spannungswandlers (1) zur Versorgung wenigstens eines Verbrauchers (6) in einem Kraftfahrzeug.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrphasige, getaktete Spannungswandler (1) zur Absicherung eines DC-Verbrauchers (6) gegen Unterspannung verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrphasige getaktete Spannungswandler (1) je Phase eine Induktivität (L2–L5) und einen Schalter (T1–T4) aufweist, mittels dessen die Induktivität (L2–L5) wahlweise gegen den Wandlerausgang oder ein Referenzpotential geschaltet werden kann.
Mehrphasiger, getakteter Spannungswandler (1), der je Phase wenigstens eine Induktivität (L2–L5) und einen Schalter (T1–T4) zur Magnetisierung der Induktivität (L2–L5) aufweist und zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist.
Spannungswandler (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang als auch am Ausgang des Spannungswandler (1) ein EMV-Filter (7, 8) für alle Phasen gemeinsam vorgesehen ist.