DE102011051482A1 - Brückenschaltungsanordnung und Betriebsverfahren für einen Spannungswandler und Spannungswandler - Google Patents

Brückenschaltungsanordnung und Betriebsverfahren für einen Spannungswandler und Spannungswandler Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brückenschaltungsanordnung für einen Spannungswandler mit zwei Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) und mit Anschlüssen (11, 12, 21, 22) zur Verbindung mit einer DC-Stromquelle oder einer Last. Die Brückenschaltungsanordnung weist Schaltelemente (14a, 14b, 15, 24a, 24b, 25) auf zur Umschaltung zwischen einer ersten Konfiguration, in der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) parallel geschaltet mit den Anschlüssen (11, 12, 21, 22) verbunden sind, und einer zweiten Konfiguration, in der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) zwischen den Anschlüssen (11, 12, 21,22) in Serie geschaltet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Spannungswandler mit einer solchen Brückenschaltungsanordnung und ein Betriebsverfahren für einen derartigen Spannungswandler.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brückenschaltungsanordnung für einen Spannungswandler mit zwei Halbbrückenanordnungen und mit Anschlüssen zur Verbindung mit einer Gleichstromquelle oder einer Last. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Spannungswandler und ein Betriebsverfahren für einen derartigen Spannungswandler.
  • Spannungswandler und insbesondere Gleichspannungswandler, im Folgenden auch als DC(Direct Current)/DC-Wandler bezeichnet, werden beispielsweise als Eingangsstufen eines Wechselrichters eingesetzt, zum Beispiel in einer Photovoltaikanlage, einem Brennstoffzellensystem oder für batteriegespeiste Ersatzstromanlagen für ein lokales Energieversorgungsnetz. Für DC/DC-Wandler sind grundsätzlich verschiedenste Topologien und Betriebsverfahren bekannt.
  • In vielen Einsatzfällen ist die Spannung einer den DC/DC-Wandler speisenden Stromquelle nicht konstant. Beispielsweise ändert sie sich bei einer Photovoltaikanlage, wenn einstrahlungs- und lastabhängig der Arbeitspunkt von Photovoltaikmodulen der Photovoltaikanlage variiert. Bei einer batteriegespeisten Ersatzstromanlage ist die Batteriespannung als Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers von der übertragenen Last und dem Ladezustand der Batterie abhängig. Ebenso variiert die Zellspannung einer Brennstoffzelle als Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers gerade im Niederlastbereich in einem besonderen Maße. Hinzu kommt, dass man in vielen Fällen verschiedene Typen von PV-Modulen, Brennstoffzellen oder Batterien an einen Gleichspannungswandler anschließen können möchte, so dass ein möglichst großer Eingangsspannungsbereich des Wandlers eine größtmögliche Flexibilität ermöglicht. Demgegenüber ist es zumeist wünschenswert, am Ausgang des DC/DC-Wandlers eine möglichst konstante Spannung als Eingangsspannung für eine dem DC/DC-Wandler nachgeschaltete Schaltung, beispielsweise eine Wechselrichterbrücke des Wechselrichters, bereitzustellen. Bei variierender Eingangsspannung setzt dieses ein variables Spannungsübersetzungsverhältnis des DC/DC-Wandlers voraus.
  • Neben dem variablen Spannungsübersetzungsverhältnis eines DC/DC-Wandlers ist bei einem solchen Wandler, der für einen weiten Eingangsspannungsbereich geeignet sein soll, zu bedenken, dass die eingesetzten Leistungshalbleiter eine entsprechende Spannungsfestigkeit aufweisen müssen. In einem Eingangsspannungsbereich, der bis zu mehreren hundert Volt reicht, sind nicht nur die hohen Preise für geeignete Leistungshalbleiterschalter nachteilig, sondern auch, dass solche Halbleiterschalter oft einen hohen Innenwiderstand oder hohe Durchlassspannungen aufweisen. Wenn bei niedrigeren Eingangsspannungen die Eingangsströme zur Übertragung gleicher Leistungen ansteigen, entstehen aufgrund des hohen Innenwiderstandes bzw. der hohen Durchlassspannung auch entsprechend hohe Durchlassverluste. Diese Verluste heizen die Leistungshalbleiterschalter auf, wodurch zum Beispiel bei MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)-Halbleiterschaltern deren Innenwiderstand erhöht wird und damit die Verluste weiter ansteigen.
  • Bekannt zum Einsatz in DC/DC-Wandlern sind Brückenschaltungsanordnungen mit einer sogenannten Halbbrückenanordnung, die zwei Endanschlüsse als Eingangsanschlüsse und einen Mittenabgriff als Ausgangsanschluss aufweist, wobei der Ausgangsanschluss in verschiedenen Schaltzuständen mit einem der Eingangsanschlüsse oder einem Zwischenpotenzial verbunden ist. In Verbindung mit einer ausgangsseitigen Drossel stellt eine solche Brückenschaltungsanordnung mit einer Halbbrückenanordnung bereits einen vollständigen DC/DC-Wandler dar.
  • Wenn eine galvanische Trennung erwünscht ist, sind DC/DC-Wandler mit einer Halbbrückenanordnung bekannt, bei denen die Anschlüsse einer Primärwicklung eines Übertragers jeweils direkt oder über Kapazitäten einerseits mit dem Ausgang der Halbbrückenanordnung und andererseits mit einem oder beiden Eingangsanschlüssen verbunden sind. Durch einen Gleichrichter auf der Sekundärseite des Übertragers und evtl. zusätzliche Filterelemente wie Glättungsdrosseln oder -kondensatoren kann die gewünschte galvanisch getrennte Ausgangsspannung erzeugt werden. Solche DC/DC-Wandler sind in hartschaltenden, wie auch in resonanten bzw. quasiresonanten Ausführungen mit und auch ohne Stellfunktion gebräuchlich.
  • Weiterhin sind DC/DC-Wandler mit einer Brückenschaltungsanordnung mit zwei Halbbrückenanordnungen, auch Vollbrückenwandler genannt, bekannt, bei denen die Halbbrückenanordnungen bezüglich ihrer Endanschlüsse parallel angeordnet sind und die Anschlüsse einer Primärwicklung eines Übertragers jeweils direkt oder über Kapazitäten mit den Ausgängen der zwei Halbbrückenanordnungen verbunden sind. Gegenüber den zuvor genannten DC/DC-Wandlern mit einer Brückenschaltungsanordnung mit einer Halbbrückenanordnung, die auch als Halbbrückenwandler bezeichnet werden, ermöglichen sie es, bei gleicher Eingangsspannung den Übertrager mit der doppelten Primärspannung zu betreiben. Zur Übertragung der gleichen Leistung ist damit nur der halbe Übertragereingangsstrom erforderlich.
  • All diesen Wandlertypen ist gemein, dass ihr Betrieb über einen großen Eingangsspannungsbereich ungünstig ist. Die eingesetzten Halbleiter müssen nämlich nach der größten auftretenden Eingangsspannung ausgewählt werden, wodurch Halbleitertypen mit hoher Durchlassspannung erforderlich werden, die beim Betrieb mit der kleinsten Eingangsspannung, d. h. dem höchsten Eingangsstrom hohe Durchlassverluste verurusachen.
  • Um den Einsatz von Halbleitern mit hoher Sperrspannung zu vermeiden, wird in dem Artikel „DC/DC Converter for High Input Voltage: Four Switches with Peak Voltage of Vin/2, Capacitive Turn-Off Snubbing, and Zero Voltage Turn-On" von Barbi et al., PESO Record, IEEE 1998, vorgeschlagen, zwei Halbbrücken mit Halbleitern kleinerer Sperrspannung in Reihe zu schalten. Nachteilig ist hierbei, dass im Vergleich zu einer Vollbrücke nur die halbe Primärspannung am Übertrager anliegt, so dass zur Übertragung einer definierten Leistung der doppelte Strom benötigt wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brückenschaltungsanordnung und ein Betriebsverfahren für einen Spannungswandler und einen Spannungswandler zu schaffen, bei denen eine Variation des Spannungsübertragungsverhältnisses möglich ist und die, gemessen an der Nominalspannung der eingesetzten Leistungshalbleiter, eine hohe Eingangsspannung erlauben, kombiniert mit geringen Durchlassverlusten.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brückenschaltungsanordnung, einen Spannungswandler und ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird die Erfindung gelöst durch eine Brückenschaltungsanordnung mit zwei Halbbrückenanordnungen und mit Anschlüssen zur Verbindung mit einer DC-Stromquelle oder einer Last. Die Brückenschaltungsanordnung weist Schaltelemente auf zur Umschaltung zwischen einer ersten Konfiguration, in der die Halbbrückenanordnungen parallel geschaltet mit den Anschlüssen verbunden sind, und einer zweiten Konfiguration, in der die Halbbrückenanordnungen zwischen den Anschlüssen in Serie geschaltet sind.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers mit zwei Schaltbrücken, von denen zumindest eine eine Brückenschaltungsanordnung mit zwei Halbbrückenanordnungen aufweist. Die zumindest eine Schaltbrücke wird zur Variation eines Spannungsübertragungsverhältnisses des Spannungswandlers wahlweise in einer ersten Konfiguration betrieben, in der die Halbbrückenanordnungen parallel geschaltet sind, und in einer zweiten Konfiguration betrieben, in der die Halbbrückenanordnungen in Serie geschaltet sind.
  • Bei einer Serienschaltung der Halbbrückenanordnungen teilt sich eine Spannung, mit der die Brückenschaltungsanordnung beaufschlagt wird, im Wesentlichen gleichmäßig auf beide Halbbrücken auf. Durch die Serienschaltung der Halbbrückenanordnungen wird entsprechend der Betrieb der Brückenanordnung und eines mit dieser Brückenanordnung versehenen Spannungswandlers mit einer Spannung einer Höhe ermöglicht, die doppelt so hoch ist, wie die Spannung, mit der die einzelne Halbbrücke nominell beaufschlagt werden kann. Umgekehrt können dementsprechend die Halbbrücken und die darin enthaltenen Halbleiterschalter nominell für eine um den Faktor zwei geringere Spannung ausgelegt sein, als die Spannung, die bei Serienverschaltung der Halbbrücken an der Brückenschaltungsanordnung maximal anliegt. Die geringere Spannungsfestigkeit der Halbleiterschalter senkt Kosten und kann, bedingt durch einen geringeren Innenwiderstand, zu geringeren Durchlassverlusten führen. Bei geringerer Eingangsspannung kann die Brückenschaltungsanordnung mit parallel geschalteten Halbbrücken betrieben werden, wodurch sich bei gleicher Eingangsspannung die Primärspannung des Übertragers verdoppelt, sodass die gleiche Leistung mit einem kleineren Strom übertragen werden kann und damit die Durchlassverluste der Halbleiter gesenkt werden können.
  • Gemäß einem dritten Aspekt wird die Erfindung durch einen Spannungswandler, insbesondere DC/DC-Spannungswandler, gelöst, der eine erste Schaltbrücke und eine zweite Schaltbrücke aufweist, von denen zumindest eine eine Brückenschaltungsanordnung der zuvor genannten Art aufweist. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie bei dem ersten und zweiten Aspekt. Wenn beide Schaltbrücken erfindungsgemäß ausgebildet sind, kann zusätzlich der Variationsbereich des Übertragungsverhältnisses durch getrennte Umschaltung der beiden Schaltbrücken zwischen den oben beschriebenen Anordnungen weiter erhöht werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brückenschaltungsanordnung weisen die Halbbrückenanordnungen jeweils einen ersten Endanschluss, einen zweiten Endanschluss und einen Mittelabgriff auf. Sie sind mit jeweils dem ersten Endanschluss fest und mit dem zweiten Endanschluss über eines der Schaltelemente mit den Anschlüssen verbunden, wobei diese Schaltelemente der Parallelschaltung der Halbbrückenanordnungen in der ersten Konfiguration dienen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Brückenschaltungsanordnung sind die zweiten Endanschlüsse miteinander über ein weiteres der Schaltelemente verbunden, welches der Serienverschaltung der Halbbrückenanordnungen in der zweiten Konfiguration dient. Beide Ausgestaltungen ermöglichen eine einfache und elegante Realisierung einer Umschaltung der Schaltbrücke in die erste bzw. zweite Konfiguration.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Brückenschaltungsanordnung ist mindestens ein Trennkondensator mit den Halbbrückenanordnungen verbunden, über den elektrische Leistung zwischen der Brückenschaltungsanordnung und einem Übertragungsnetzwerk ausgetauscht wird. Auch dieses dient einer einfachen und eleganten Realisierung einer Umschaltung der Schaltbrücke in die erste bzw. zweite Konfiguration.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Spannungswandlers weist die erste Schaltbrücke die Brückenschaltungsanordnung auf und ist mit einer Eingangsspannung beaufschlagbar, wobei eine Steuereinrichtung vorhanden ist, die die Schaltelemente abhängig von der Höhe der Eingangsspannung ansteuert. Auf diese Weise wird eine geeignete Ansteuerung der Umschaltung zwischen den Konfigurationen erreicht.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Spannungswandlers sind zusätzliche Schaltungsanordnungen zur Variation eines Spannungsübertragungsverhältnisses des Spannungswandlers vorgesehen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden zusätzlich eine oder mehrere weitere Maßnahmen zur Änderung des Spannungsübersetzungsverhältnisses durchgeführt. Bei beiden Ausgestaltungen kann die durch die anmeldungsgemäße Umschaltung der Konfiguration erreichte Variation des Spannungsübertragungsverhältnisses weiter vergrößert werden.
  • Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von acht Figuren näher erläutert.
  • Die Figuren zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem Prinzipschaltbild,
  • 2 ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für einen DC/DC-Wandler,
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem Prinzipschaltbild,
  • 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem Prinzipschaltbild und
  • 5 bis 8 jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Halbbrückenanordnung zur Verwendung in einem DC/DC-Wandler.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem Prinzipschaltbild. Der DC/DC-Wandler weist eine erste Schaltbrücke 10 und eine zweite Schaltbrücke 20 auf, die über ein Übertragungsnetzwerk, umfassend ein Resonanznetzwerk 30 und einen Übertrager 40, miteinander verbunden sind. Resonanznetzwerk 30 und Übertrager 40 sind jeweils nicht zwingend und können in anderen Ausführungen entfallen.
  • Wie im Folgenden noch detaillierter ausgeführt wird, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Schaltbrücke 10 mit aktiven Brückenschaltelementen ausgestattet, wohingegen die zweite Schaltbrücke 20 mit passiven Brückenschaltelementen ausgeführt ist. Im Folgenden werden Brückenschaltelemente auch kurz als Brückenschalter bezeichnet. Der dargestellte DC/DC-Wandler arbeitet somit unidirektional mit einem Energiefluss von der ersten Schaltbrücke 10 über den Resonanzkreis 30 und den Übertrager 40 zur zweiten Schaltbrücke 20. Zur einfacheren Darstellung wird im Folgenden die erste Schaltbrücke 10 auch als Primärschaltbrücke 10 und die zweite Schaltbrücke 20 auch als Sekundärschaltbrücke 20 bezeichnet. Entsprechend wird die Spannung, mit der die Primärschaltbrücke 10 an Eingangsanschlüssen 11, 12 beaufschlagt wird, im Folgenden als Eingangsspannung UE bezeichnet. Die an Ausgangsanschlüssen 21, 22 der zweiten Schaltbrücke 20 vom DC/DC-Wandler bereitgestellte Spannung wird als Ausgangspannung UA bezeichnet. Es wird angemerkt, dass in alternativen Ausgestaltungen der DC/DC-Wandler auch als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgeführt sein kann, wenn beide Schaltbrücken mit aktiven Brückenschaltern ausgestattet sind.
  • Es wird werter vorab angemerkt, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 nur die erste Schaltbrücke 10 von der anmeldungsgemäßen Brückenschaltungsanordnung Gebrauch macht. Auch dieses ist lediglich beispielhaft und nicht einschränkend. Es ist möglich, einen DC/DC-Wandler beidseitig mit Schaltbrücken aufzubauen, die eine anmeldungsgemäße Brückenschaltungsanordnung aufweisen.
  • Die Primärschaltbrücke 10 weist zwei Halbbrückenanordnungen 13a, 13b, im Folgenden abgekürzt als Halbbrücken 13a, 13b bezeichnet, auf, die jeweils zwei Endanschlüsse 131a, 132a bzw. 131b und 132b sowie einen Mittelabgriff 133a bzw. 133b. Die Funktion der Halbbrücken 13a, 13b besteht im einfachsten Fall im Wesentlichen darin, einen der Endanschlüsse 131a oder 132a bzw. 131b oder 132b wahlweise mit dem jeweiligen Mittelabgriff 133a bzw. 133b zu verbinden. Für die Halbbrücken 13a, 13b können bekannte Halbbrückenschaltungsanordnungen unterschiedlichster Topologie eingesetzt werden, wobei die Halbbrückenanordnungen 13a und 13b eines DC/DC-Wandlers bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, den gleichen Aufbau aufweisen.
  • In 5 ist ein erstes Beispiel einer im DC/DC-Wandler der 1 als Halbbrücke 13a, 13b einsetzbaren Halbbrücke 13 dargestellt. Zwischen den Endanschlüssen 131 und 132 ist ein Kondensator 134, im Folgenden als Halbbrückenkondensator 134 bezeichnet, parallel zu einer Serienschaltung zweier Schaltransistoren 135 und 136 vorgesehen. Die Schaltransistoren 135, 136 werden im Folgenden auch als Brückenschalter 135, 136 bezeichnet. Beispielhaft sind in der 3 IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) als Brückenschalter 135, 136 eingesetzt. Zu jedem der Brückenschalter 135, 136 ist antiparallel eine Freilaufdiode 137 angeordnet. Es versteht sich, dass alle bekannten Typen von ansteuerbaren Halbleiterschaltern, insbesondere Leistungshalbleiterschaltern, als Brückenschalter 135, 136 verwendet werden können, insbesondere neben den genannten IGBTs auch MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) oder bipolare Transistoren. Bei einigen Typen von Leistungshalbleiterschaltern, insbesondere bei MOSFETs, ist eine Freilaufdiode bereits integriert im Leistungshalbleiterschalter enthalten, wodurch die in 5 separate Freilaufdiode 137 entfallen kann. Die in der 5 dargestellte Topologie wird auch als „2-level” Halbbrücke bezeichnet, da durch wahlweises Schalten der Brückenschalter 135, 136 zwei verschiedene Spannungsniveaus an dem Ausgang 133 eingestellt werden können.
  • Beispielhaft und nicht einschränkend wird für die folgende Erläuterung der Funktion des DC/DC-Wandlers gemäß 1 angenommen, dass die Halbbrücken 13a, 13b die in der 5 gezeigte Topologie aufweisen. Der Endanschluss 131a der Halbbrücke 13a ist fest mit dem Eingangsanschluss 11 und der Endanschluss 132b der Halbbrücke 13b fest mit dem Eingangsanschluss 12 der ersten Schaltbrücke 10 verbunden. Die Primärschaltbrücke 10 weist Schaltelemente 14a, 14b auf, über die der Endanschluss 132a der Halbbrücke 13a und der Endanschluss 131b der Schaltbrücke 13b, also der jeweils nicht fest mit den Eingangsanschlüssen 11 bzw. 12 verbundene Endanschluss, mit dem jeweils anderen Eingangsanschluss 12 bzw. 11 verbunden werden. Zudem weist die Primärschaltbrücke 10 das Schaltelement 15 auf, über das der Endanschluss 132a mit dem Endanschluss 131b verbunden werden kann.
  • Die Schaltelemente 14a, 14b, 15 dienen der Einstellung von zwei unterschiedlichen Betriebszuständen der Primärbrücke 10, wie weiter unten detaillierter ausgeführt wird. Im einfachsten Fall können diese als mechanische Schaltelemente ausgeführt sein, also in Form von mechanischen Schaltern oder steck- oder schraubbare Verbindungen. Damit kann bereits manuell der Eingangsspannungsbereich eines Geräts konfiguriert werden. Die Schaltelemente 14a, 14b und 15 können auch elektromagnetische Schalter sein, zum Beispiel Relais, oder auch Halbleiterschalter. Wenn der DC/DC-Wandler unidirektional ausgeführt ist, können auch die Schaltelemente 14a, 14b und 15 unidirektional ausgelegt sein. Bei einem bidirektionalen DC/DC-Wandler sind auch die Schaltelemente 14a, 14b und 15 bidirektional auszulegen, was beispielsweise durch den Einsatz eines unidirektionalen Halbleiterschalters mit einer antiparallel geschalteten Halbleiterdiode realisiert werden kann. Als Halbleiterschalter können die im Zusammenhang mit den Brückenschaltern 135, 136 genannten IGBTs oder MOSFETs oder bipolare Transistoren eingesetzt werden. Bei unidirektional arbeitenden DC/DC-Wandlern ist es zudem möglich, je nach Stromflussrichtung, entweder die Schaltelemente 14a und 14b oder das Schaltelement 15 durch je eine bzw. eine Diode zu realisieren. Bei der im Ausführungsbeispiel der 1 vorliegenden Energieflussrichtung von der Primärschaltbrücke 10 zur Sekundärschaltbrücke 20 kann beispielsweise das Schaltelement 15 durch eine in Durchflussrichtung vom Endanschluss 132a zum Endanschluss 131b weisende Diode realisiert sein. Bei umgekehrter Energieflussrichtung können dagegen die Schaltelemente 14a und 14b durch Dioden ersetzt werden, die in Durchflussrichtung vom (dann Ausgangs-)Anschluss 12 zum (dann Ausgangs-)Anschluss 11 weisen.
  • Die Mittelabgriffe 133a, b der Halbbrücken 13a, 13b sind über einen Trennkondensator 16, dessen Funktion weiter unten näher erläutert wird, mit dem Übertragungsnetzwerk verbunden, wodurch die Primärbrücke mit der Sekundärbrücke 20 gekoppelt ist. Diese Verbindung kann, wie dargestellt, über das Resonanznetzwerk 30 erfolgen. Das Resonanznetzwerk 30 kann kapazitive und/oder induktive Elemente enthalten, durch die ein Serienresonanzkreis gebildet wird. Das Resonanznetzwerk 30 ist optional und kann in alternative Ausgestaltungen auch entfallen. Es ist auch denkbar, dass Streuinduktivitäten des Übertragers 40 zusammen mit dem Trennkondensator 16 bereits einen Serienresonanzkreis bilden oder Teil eines Serienresonanzkreises sind. Auch können kapazitive und/oder induktive Elemente des Resonanzkreises auf der der zweiten Schaltbrücke 20 zugewandten Seite des Übertragers 40 angeordnet sein, die Teil eines Serien- oder Parallelresonanzkreises bilden. Wenn ein Resonanzkreis gebildet ist, wird der DC/DC-Wandler bevorzugt resonant bei einer Resonanzfrequenz des Resonanzkreises oder in deren Nähe, insbesondere mit einer Frequenz, die nicht mehr als 20% von der Resonanzfrequenz abweicht, betrieben. Um eine effektive Leistungsübertragung zu erreichen, werden die Brückenschalter der Primärbrücke 10 bevorzugt ”weich” geschaltet, worunter ein Schalten ohne fließenden Strom (Zero Current Switching; ZCS) und/oder ohne eine am Brückenschalter anliegende Spannung (Zero Voltage Switching; ZVS) zu verstehen ist. In alternativen Ausgestaltungen ist es zudem möglich, den Wandler nicht resonant zu betreiben und ohne Resonanznetzwerk und ohne Resonanzkreis auszugestalten.
  • Ebenso ist es denkbar, den Resonanzkreis mit mehreren Resonanzfrequenzen auszulegen, wobei die Betriebsfrequenz in der Nähe einer der Resonanzfrequenzen gewählt wird.
  • Der Übertrager 40 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel galvanisch trennend als Hochfrequenztransformator mit einer Primärwicklung 41 und einer Sekundärwicklung 42 ausgeführt. Der Übertrager 40 kann ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 haben oder auch spannungstransformierend mit einem davon abweichenden Übersetzungsverhältnis ausgebildet sein. Auf die Variation des Spannungsübersetzungsverhältnisses des DC/DC-Wandlers, also das Verhältnis der minimalen zur maximalen Ausgangsspannung UA bei gleichbleibender Eingangsspannung UE (bzw. umgekehrt), hat das in diesem Ausführungsbeispiel als fest angenommene Übersetzungsverhältnis des Übertragers 40 keinen Einfluss.
  • Alternativ ist es ebenso möglich, statt des Übertrages 40 eine nicht galvanisch trennende Übertragungsanordnung einzusetzen (nicht dargestellt). Eine solche Übertragungsanordnung weist beispielsweise zwei Strompfade zwischen der Primärbrücke 10 und der Sekundärbrücke 20 auf, sowie eine Anordnung aus mindestens zwei Induktivitäten, wobei eine der Induktivitäten als Serieninduktivität in einem der Strompfade angeordnet ist, während die andere Induktivität als Parallelinduktivität zwischen den beiden die Brücken verbindenden Strompfaden liegt. Letztere kann zur Schaltentlastung der Brückenschalter verwendet werden, ohne dass sie Teil eines Resonanzkreises wäre. Im Hinblick auf DC/DC-Wandler mit Resonanzkreis sei darauf hingewiesen, dass auch im Fall eines galvanisch trennenden Übertragers, wie dem gezeigten Übertrager 40, Streuinduktivitäten der Wicklungen 41, 42 einen Resonanzkreis beeinflussen und in diesem Sinne als Teil des Resonanzkreises angesehen werden können. Es ist bekannt, dass die Streuinduktivität eines Transformators durch bauliche Maßnahmen auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, so dass auf die Verwendung einer separaten Drossel zur Bildung einer Resonanzinduktivität für den Resonanzkreis unter Umständen sogar ganz verzichtet werden kann. Auch die nicht galvanisch trennende Übertragungsanordnung kann komplett entfallen (30 und 40 werden dann nur durch zwei Verbindungen ersetzt).
  • Die zweite Schaltbrücke 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 als Vollbrücke mit zwei Gleichrichterhalbbrücken 28a, 28b ausgeführt, wobei die Gleichrichterhalbbrücken 28a, 28b Dioden 285a, b und 286a, b als Brückenschalter aufweisen. Wie bereits erwähnt, arbeitet der DC/DC-Wandler der 1 aufgrund der passiven Brückenschalter unidirektional. In einer alternativen Ausgestaltung, in der auch die Sekundärbrücke 20 zumindest teilweise aktive Brückenschalter aufweist, beispielsweise realisiert durch Transistoren, kann der DC/DC-Wandler auch bidirektional betrieben werden. Die Halbbrücken 23a, 23b sind mit ihren Mittelabgriffen mit der Sekundärwicklung 42 des Übertragers 40 verbunden. Mit ihren Endanschlüssen sind die Halbbrücken 23a, 23b parallel geschaltet und mit den Ausgangsanschlüssen 21 und 22 verbunden, wobei ein paralleler Pufferkondensator 29 vorgesehen ist. Als Ausgangsspannung UA des DC/DC-Wandlers stellt sich zwischen den Ausgangsanschlüssen 21 und 22 der Scheitelwert der Spannung über der Sekundärwicklung 42 des Übertragers 40 ein. Die Schaltbrücke 20 kann auch als Halbbrückengleichrichter ausgeführt werden, indem z. B. die Dioden 285b, 286b durch Kondensatoren ersetzt werden.
  • In 2 ist ein Verfahren zum Betreiben eines DC/DC-Wandlers schematisch in einem Flussdiagramm dargestellt, wie es beispielsweise von dem in 1 gezeigten DC/DC-Wandler ausgeführt werden kann. Im Folgenden wird das Verfahren beispielhaft mit Bezug auf 1 beschrieben. Benutzte Bezugszeichen beziehen sich entsprechend auf 1.
  • Ausgehend von einer Ausgangskonfiguration (nicht gezeigt) für die Schaltelemente 14a, 14b, 15 wird in einem ersten Schritt S1 die am DC/DC-Wandler anliegende Eingangsspannung UE gemessen. In einem zweiten Schritt S2 wird die Eingangsspannung mit einer vorgegebenen Schwellenwertspannung US verglichen.
  • Wenn die Eingangsspannung UE kleiner als der Schwellenwert US ist, wird in einem Schritt S3 eine erste Konfiguration eingestellt, bei der die Schaltelemente 14a und 14b geschlossen sind, wohingegen das Schaltelement 15 geöffnet ist. In dieser ersten Konfiguration sind die Halbbrücken 13a, 13b parallel geschaltet und mit ihren Endpunkten 131a und 131b mit dem Eingangsanschluss 11 und mit den Endpunkten 132a und 132b mit dem Eingangsanschluss 12 verbunden. Die Anordnung der Halbbrücken 13a, 13b entspricht somit der einer Voll- oder H-Brücke. Der DC/DC-Wandler wird sodann in dieser ersten Konfiguration in einem ersten Betriebszustand betrieben. Im Betrieb werden die Brückenschalter 135a, 136a bzw. 135b, 136b in bekannter Weise im Gegentaktbetrieb angesteuert, derart, dass jeweils der obere Brückenschalter 135a bzw. 135b gleichzeitig mit dem unteren Brückenschalter 136b bzw. 136a der anderen Halbbrücke leitend ist. Die dazu eingesetzte und mit den Steuereingängen der Brückenschalter 135, 136 verbundene Steuereinrichtung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 1 nicht dargestellt. Die Ansteuerung der Halbbrücken 13a, 13b kann dabei in bekannter Weise zum Beispiel in einem PWM(Pulsweitenmodulations)-Verfahren erfolgen. Nach dem Einstellen der ersten Konfiguration im Schritt S3 springt das Verfahren erneut zu Schritt S1 zur Messung der Eingangsspannung UE und Wiederholung der dem Schritt S1 nachfolgenden Schritte, wobei der DC/DC-Wandler weiterhin im ersten Betriebszustand betrieben wird.
  • Falls in dem Schritt S2 festgestellt wurde, dass die Eingangsspannung UE nicht kleiner als die Schwellenwertspannung US ist, wird das Verfahren mit einem Schritt S4 fortgesetzt, in dem die gemessene Eingangsspannung UE mit der Summe aus der vorgegebenen Schwellenwertspannung US und einer Schalthysteresespannung ΔU verglichen wird.
  • Wenn die Eingangsspannung UE größer oder gleich der Schwellenwertspannung US zuzüglich der Schalthysteresespannung ΔU ist, wird in einem Schritt S5 eine zweite Konfiguration eingestellt, in der die Schaltelemente 14a und 14b geöffnet sind, wohingegen das Schaltelement 15 geschlossen ist. In dieser zweiten Konfiguration sind die beiden Halbbrücken 13a, 13b der Primärschaltbrücke 10 in Serie geschaltet. Über jeder der beiden Halbbrücken 13a, 13b liegt folglich die halbe Eingangsspannung UE an, die innerhalb jeder der Halbbrücken 13a, 13b durch den Halbbrückenkondensator 134 bzw. die Halbbrückenkondensatoren 1341, 1342 gepuffert wird. Zwischen den Mittelabgriffen 133a und 133b liegt im Betrieb eine Wechselspannung an, deren Amplitude halb so groß ist, wie sie es bei gleicher Eingangsspannung UE in der ersten Konfiguration wäre, und die einer Gleichspannungskomponente überlagert ist. Diese Gleichspannungskomponente wird durch den Trennkondensator 16 von der Primärwicklung 41 des Übertragers 40 fern gehalten. Der DC/DC-Wandler wird sodann in dieser zweiten Konfiguration in einem zweiten Betriebszustand betrieben.
  • Durch den im zweiten Betriebszustand um den Faktor 2 kleineren Wechselspannungsanteil zwischen den Mittelabgriffen 133a und 133b weist der DC/DC-Wandler in diesem zweiten Betriebszustand auch ein um den Faktor 2 kleineres Spannungsübertragungsverhältnis auf als im ersten Betriebszustand.
  • Bei der Serienschaltung der Halbbrücken 13a, 13b teilt sich die Eingangsspannung UE im Wesentlichen gleichmäßig auf beide Halbbrücken 13a, 13b auf. Die Eingangsspannung UE, mit der die Primärbrücke 10 beaufschlagt ist, kann somit doppelt so hoch sein, wie die Spannung, mit der die Halbbrücken 13a, 13b nominell beaufschlagt werden können. Umgekehrt können dementsprechend die Halbbrücken 13a, 13b und die darin enthaltenen Brückenschalter 135a, 136a bzw. 135b, 136b nominell für eine um den Faktor zwei geringere Spannung ausgelegt sein, als die im zweiten Betriebszustand maximal an der Brückenschaltungsanordnung anliegende Spannung. Die geringere Spannungsfestigkeit der Brückenschalter senkt die Herstellungskosten des DC/DC-Wandlers und bedingt einen geringeren Durchlasswiderstand und geringere Durchlassverluste.
  • Nach dem Einstellen der zweiten Konfiguration im Schritt S5 springt das Verfahren erneut zu Schritt S1 zur Messung der Eingangsspannung UE und Wiederholung der dem Schritt S1 nachfolgenden Schritte, wobei der DC/DC-Wandler weiterhin im zweien Betriebszustand betrieben wird.
  • Bevorzugt ist eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schaltelemente 14a, 14b und 15 vorgesehen, die abhängig von der Höhe der Eingangsspannung UE die Schaltelemente 14a, 14b und 15 so ansteuert, dass die Schaltbrücke 10 im ersten bzw. zweiten Betriebszustand betrieben wird Die Schwellenwertspannung US kann dabei beispielsweise gleich der halben maximalen Betriebsspannung sein. Als Schalthysteresespannung ΔU wird bevorzugt ein kleiner positiver Spannungswert eingesetzt. Die über die Schalthysteresespannung ΔU realisierte Schalthysterese verhindert einen unkontrollierten Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand, falls die Eingangsspannung UE im Bereich der Schwellenwertspannung US liegt. Eine solche Schalthysterese ist jedoch optional und kann ggf. entfallen (entspricht ΔU = 0).
  • Aufgrund der unterschiedlichen Spannungsübertragungsverhältnisse in den beiden Betriebszuständen variiert die Ausgangsspannung UA bereits ohne weitere Maßnahmen beim Durchfahren des gesamten Eingangsspannungsbereichs von der minimalen bis zur maximalen Betriebsspannung nur halb so viel, wie sie es ohne diese Bereichsumschaltung tun würde. Dies schliesst nicht aus, dass mittels weiterer Maßnahmen, auf die in der folgenden Beschreibung Bezug genommen wird, innerhalb des jeweiligen Spannungsbereiches das Übertragungsverhältnis zusätzlich angepasst wird, zum Beispiel, um die Ausgangsspannung beim gesamten Durchfahren des Eingangsspannungsbereichs konstant oder zumindest innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches zu halten.
  • Es versteht sich, das auch andere Kriterien als die Höhe der Eingangsspannung UE bei einem anmeldungsgemäßen Verfahren zur Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration bzw. zum Umschalten zwischen einem ersten bzw. zweiten Betriebszustand herangezogen werden können.
  • 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem Prinzipschaltbild analog zu 1. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in diesem Ausführungsbeispiel gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
  • Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten durch eine andere Art der Anbindung des Übertragungsnetzwerkes (Resonanznetzwerk 30, Übertrager 40) an die Halbbrücken 13a, 13b der Primärbrücke 10. Vorliegend sind beide Mittelabgriffe 133a und 133b über jeweils einen Trennkondensator 16a, 16b zusammen auf einen Eingang des Übertragungsnetzwerkes geschaltet, wohingegen der andere Eingang des Übertragungsnetzwerkes über weitere Trennkondensatoren 17a, 17b an jeweils den Endanschluss 132a bzw. 132b angeschlossen ist. Alternativ wäre hier ebenso eine Verbindung über die weiteren Trennkondensatoren 17a, 17b an dem jeweils anderen Endanschluss, also 131a bzw. 131b möglich.
  • Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 1 werden bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Brückenschalter 135a, 135b, 136a, 136b nicht kreuzweise, sondern gleichphasig geschaltet. Es sind also jeweils die oberen Brückenschalter 135a und 135b sowie die unteren Brückenschalter 136a, 136b gleichzeitig leitend. Dieses gilt für den ersten und auch den zweiten Betriebszustand. An den Auswirkungen der Betriebszustände auf das Spannungsübertragungsverhältnis und die Vorteile im Bezug auf die Spannungsfestigkeit der eingesetzten Halbleiterschalter haben die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen der 1 und 3 keinen Einfluss, weswegen diesbezüglich auf die Ausführungen im Zusammenhang mit 1 verwiesen wird. Gleiches gilt für die Auslegung der Schaltelemente 14a, 14b und 15.
  • Bei beiden dargestellten Ausführungsbeispielen kann die durch die anmeldungsgemäße Brückenschaltungsanordnung erreichte Variation des Spannungsübertragungsverhältnisses des DC/DC-Wandlers durch Betrieb im ersten bzw. zweiten Betriebszustand mit weiteren Methoden zur Variation des Spannungsübertragungsverhältnis kombiniert werden. Beispielsweise ist es möglich, die zweite Schaltbrücke 20 mit einer statischen Umschaltung zwischen einem Voll- und einem Halbbrückenbetrieb zu versehen, durch die eine weitere stufenweise Variation des Spannungsübertragungsverhältnis um einen Faktor 2 erreicht wird. Zudem kann, wie in der Patentanmeldung mit der Anmeldenummer PCT/EP2011/052544 ausgeführt ist, eine Umschaltung zwischen einem Halb- und einem Vollbrückenbetrieb dynamisch innerhalb einer jeden Periodendauer des Schaltens der Brückenschalter einer Schaltbrücke vorgenommen werden, wodurch sich das Spannungsübertragungsverhältnis kontinuierlich um einen Faktor zwischen 1 und 2 variieren lässt. Weitere bekannte Methoden zur stufenweisen und/oder kontinuierlichen Variation des Spannungsübertragungsverhältnisses können alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden, beispielsweise eine Variation einer Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers und/oder eines Tastverhältnisses der Brückenschalter sowie eine Variation einer Phasenverschiebung der Schaltzeitpunkte von aktiven Brückenschaltern einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Schaltbrücke.
  • In 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers in einem Prinzipschaltbild analog zu den 1 und 3 wiedergegeben. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen auch diesem Ausführungsbeispiel gleiche oder gleichwirkende Elemente wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Im Unterschied zu den Beispielen der 1 und 3 weisen vorliegend beide Schaltbrücken 10 und 20 anmeldungsgemäß wahlweise seriell bzw. parallel verschaltbaren Halbbrückenanordnungen 13a, 13b bzw. 23a, 23b auf. Sowohl die Halbbrückenanordnungen 13a, 13b als auch die Halbbrückenanordnungen 23a, 23b können wie in 5 dargestellt aufgebaut sein.
  • Zur Beschreibung der Schaltbrücke 10 wird auf die ersten beiden Ausführungsbeispiele verwiesen. Die Schaltbrücke 20 ist analog dazu aufgebaut. Es sind Schaltelemente 24a, 24b, 25 vorgesehen, die in entsprechender Weise mit Endanschlüssen 232a und 231b der Halbbrückenanordnungen 23a, 23b und den Anschlüssen 21, 22 der Schaltbrücke 20 verbunden sind. Die an den Anschlüssen 21, 22 anliegende Spannung wird auch in diesem Beispiel als Ausgangsspannung UA bezeichnet, obwohl der DC/DC-Wandler grundsätzlich auch bidirektional betrieben werden kann. Die Halbbrückenanordnungen 23a, 23b sind über ihre Mittenabgriffe 233a, 233b wiederum über einen Trennkondensator 26 mit der Sekundärwicklung 42 des Übertragers 40 und damit mit dem Übertragungsnetzwerk verbunden.
  • Bei dem in 4 gezeigten DC/DC-Wandler kann jede der beiden Schaltbrücken 10, 20 in der ersten bzw. zweiten Konfiguration im ersten bzw. zweiten Betriebszustand betrieben werden, woraus insgesamt eine Variation des Spannungsübertragungsverhältnisses um einen Faktor 4 resultiert. Zudem ergeben sich für beide Schaltbrücken 10, 20 die zuvor genannten Vorteile im Hinblick auf die Spannungsfestigkeit und die Durchlassverluste der als Brückenschalter eingesetzten Leistungshalbleiter.
  • In den 6 bis 8 sind in gleicher Weise wie in 5 weitere Ausführungsbeispiele von Halbbrücken dargestellt, die innerhalb einer anmeldungsgemäßen Brückenschaltanordnung eingesetzt werden können, beispielsweise als Halbbrücken 13a, 13b in den Ausführungsbeispielen der 1, 3 und 4 oder auch als Halbbrücken 23a, 23b in dem Ausführungsbeispiel der 4.
  • Im Unterschied zu der in 5 dargestellten Halbbrücke, bei der durch wahlweises Schalten der Brückenschalter 135 und 136 an dem Mittelabgriff 133 zwei verschiedene Spannungsniveaus einstellbar sind, sind die in den 6 bis 8 dargestellten Halbbrückenanordnungen, sogenannte ”3-level” Schaltbrücken, die das Einstellen von drei verschiedenen Spannungsniveaus an dem Mittelabgriff 133 ermöglichen. In dem oberen, zwischen dem Endanschluss 131 und dem Mittelabgriff 133 angeordneten Brückenabschnitt sind zu diesem Zweck zwei Brückenschalter 1351 und 1352 vorgesehen und im unteren, zwischen dem Mittelabgriff 133 und dem Endanschluss 132 liegenden Brückenabschnitt ebenfalls zwei Brückenschalter 1361, 1362.
  • Weiterhin sind statt des einen Halbbrückenkondensators 134 jeweils zwei Halbbrückenkondensatoren 1341 und 1342 vorhanden, entweder in einer Reihenschaltung wie bei den 7 und 8, oder in der Anordnung gemäß 6, bei der der zweite Halbbrückenkondensator 1342 als sogenannter „flying capacitor” bezeichnet wird. Beim Ausführungsbeispiel der 7 ist der Mittelabgriff zwischen den Halbbrückenkondensatoren 1341 und 1342 über sogenannten Klemmdioden 138 mit den Brückentransistoren 1351, 1352, 1361, 1362 verbunden, weswegen diese Topologie auch als „3-level diode clamped converter” bezeichnet wird.
  • Beim Ausführungsbeispiel der 8 ist der Mittelabgriff zwischen den Halbbrückenkondensatoren 1341 und 1342 mit dem Mittelabgriff 133 über einen aus zwei antiseriell angeordneten Schaltern 1352 und 1362 aufgebauten bidirektionalen Schalter verbunden, weswegen die dargestellte Topologie auch als ”3-level bidirectional switch neutral-point clamped converter” (BS-NPC) bezeichnet wird. Es wird angemerkt, dass die Aufzählung von geeigneten Halbbrücken in den 5 bis 8 lediglich beispielhaft ist und nicht einschränkend. Weitere Typen (Topologien) von Halbbrücken können im Rahmen der Anmeldung Verwendung finden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    erste Schaltbrücke (Primärschaltbrücke)
    11, 12
    Eingangsanschluss
    13a, b
    Halbbrückenanordnung
    14a, 14b, 15
    Schaltelement
    16, 16a, b
    Trennkondensator
    17a, b
    Trennkondensator
    20
    zweite Schaltbrücke (Sekundärschaltbrücke)
    21, 22
    Ausgangsanschluss
    23a, b
    Halbbrückenanordnung
    24a, 24b, 25
    Schaltelement
    26
    Trennkondensator
    28a, b
    Gleichrichterhalbbrücken
    285a, b
    Diode
    286a, b
    Diode
    29
    Pufferkondensator
    30
    Resonanznetzwerk
    40
    Übertrager
    41
    Primärwicklung
    42
    Sekundärwicklung
    131a, b
    Endanschluss
    132a, b
    Endanschluss
    133a, b
    Mittelabgriff
    134, 1341, 1342
    Halbbrückenkondensator
    135, 1351, 1352
    Brückenschalter (oberer)
    136, 1361, 1362
    Brückenschalter (unterer)
    137
    Freilaufdiode
    138
    Klemmdiode
    231a, b
    Endanschluss
    232a, b
    Endanschluss
    233a, b
    Mittelabgriff
    UE
    Eingangsspannung
    UA
    Ausgangsspannung
    US
    Schwellenwertspannung
    ΔU
    Schalthysteresespannung
    S1–S5
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2011/052544 [0054]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Artikel „DC/DC Converter for High Input Voltage: Four Switches with Peak Voltage of Vin/2, Capacitive Turn-Off Snubbing, and Zero Voltage Turn-On” von Barbi et al., PESO Record, IEEE 1998 [0009]

Claims (17)

  1. Brückenschaltungsanordnung für einen Spannungswandler mit zwei Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) und mit Anschlüssen (11, 12, 21, 22) zur Verbindung mit einer DC-Stromquelle oder einer Last, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltungsanordnung Schaltelemente (14a, 14b, 15, 24a, 24b, 25) aufweist zur Umschaltung zwischen einer ersten Konfiguration, in der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) parallel geschaltet mit den Anschlüssen (11, 12) verbunden sind, und einer zweiten Konfiguration, in der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) zwischen den Anschlüssen (11, 12, 21, 22) in Serie geschaltet sind.
  2. Brückenschaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) jeweils einen ersten Endanschluss (131a, 132b, 231a, 232b), einen zweiten Endanschluss (132a, 131b, 232a, 231b) und einen Mittelabgriff (133a, 133b, 233a, 233b) aufweisen und mit jeweils dem ersten Endanschluss (131a, 132b, 231a, 232b) fest und mit dem zweiten Endanschluss (132a, 131b, 232a, 231b) über eines der Schaltelemente (14a, 14b, 24a, 24b) mit den Anschlüssen (11, 12, 21, 22) verbunden sind, wobei diese Schaltelemente (14a, 14b, 24a, 24b) der Parallelschaltung der Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) in der ersten Konfiguration dienen.
  3. Brückenschaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der die zweiten Endanschlüsse (132a, 131b, 232a, 231b) miteinander über ein weiteres der Schaltelemente (15, 25) verbunden sind, welches der Serienverschaltung der Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) in der zweiten Konfiguration dient.
  4. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Schaltelemente (14a, 14b, 15, 24a, 24b, 25) mechanische oder elektromechanische Schalter oder Halbleiterschalter sind.
  5. Brückenschaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, bei der das weitere der Schaltelemente (15, 25) zur Serienverschaltung eine Diode ist.
  6. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) zwischen den Endanschlüssen (131a, 132a, 131b, 132b, 231a, 232a, 231b, 232b) mindestens zwei in Serie geschaltete Brückenschalter (135, 136, 1351, 1352, 1361, 1362) aufweisen.
  7. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) zwischen den Endanschlüssen (131a, 132a, 131b, 132b, 231a, 232a, 231b, 232b) mindestens je einen Halbbrückenkondensator (134, 1341, 1342) aufweisen.
  8. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) eine 2- oder 3-level Halbbrücke ist.
  9. Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der mindestens ein Trennkondensator (16, 16a, 16b, 17a, 17b, 26) mit den Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) verbunden ist, über den elektrische Leistung zwischen der Brückenschaltungsanordnung und einem Übertragungsnetzwerk ausgetauscht wird.
  10. Spannungswandler, insbesondere DC/DC-Spannungswandler, aufweisend eine erste Schaltbrücke (10) und eine zweite Schaltbrücke (20), von denen zumindest eine der Schaltbrücken (10, 20) eine Brückenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
  11. Spannungswandler nach Anspruch 10, bei dem die erste Schaltbrücke (10) mit einer Eingangsspannung (UE) beaufschlagbar ist und die Brückenschaltungsanordnung aufweist, wobei eine Steuereinrichtung vorhanden ist, die die Schaltelemente (14a, 14b, 15) abhängig von der Höhe der Eingangsspannung (UE) ansteuert.
  12. Spannungswandler nach Anspruch 10 oder 11, bei dem zusätzliche Schaltungsanordnungen zur Variation eines Spannungsübertragungsverhältnisses des Spannungswandlers vorgesehen sind.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers mit zwei Schaltbrücken (10, 20), von denen zumindest eine der Schaltbrücken (10, 20) eine Brückenschaltungsanordnung mit zwei Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schaltbrücke (10, 20) zur Variation eines Spannungsübertragungsverhältnisses des Spannungswandlers wahlweise in einer ersten Konfiguration betrieben wird, in der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) parallel geschaltet sind, und in einer zweiten Konfiguration betrieben wird, in der die Halbbrückenanordnungen (13a, 13b, 23a, 23b) in Serie geschaltet sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem zusätzlich eine oder mehrere weitere Maßnahmen zur Änderung des Spannungsübersetzungsverhältnisses des durchgeführt werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ein Übertragungsverhältnis eines zwischen den beiden Schaltbrücken (10, 20) angeordneten Übertragers (40) des Spannungswandlers geändert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei zumindest eine der Schaltbrücken (10, 20) als umschaltbare Schaltbrücke ausgeführt ist, die statisch oder dynamisch entweder als Vollbrücke oder als Halbbrücke betrieben wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem als zusätzliche weitere Maßnahme eine statische Änderung eines Tastverhältnisses zwischen einer Einschaltdauer und einer Ausschaltdauer von Brückenschaltern einer oder beider Schaltbrücken (10, 20) erfolgt.
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