DE102012215293A1 - DC converter - Google Patents

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Abstract

Ein Gleichspannungswandler (1) weist eine Entlastungsschaltung (9) mit einem Serienschwingkreis (11, 12) zur Schaltentlastung auf.A DC / DC converter (1) has a relief circuit (9) with a series resonant circuit (11, 12) for switching relief.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler.The invention relates to a DC-DC converter.

Ein Gleichspannungswandler, auch als Gleichstromwandler, DC-DC-Wandler oder Gleichstromsteller bezeichnet, ist eine elektrische Schaltung, die eine an einem Eingang bereitgestellte Gleichspannung in eine an einem Ausgang bereitgestellte Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. A DC-DC converter, also referred to as a DC-DC converter, DC-DC converter or DC-DC converter, is an electrical circuit that converts a DC voltage provided at an input into a DC voltage provided at an output with a higher, lower or inverted voltage level.

Aus der einschlägigen Fachliteratur sind so genannte resonant geschaltete potentialtrennende Gleichspannungswandler in Vollbrückentopologie bekannt. Diese Gleichspannungswandler werden üblicherweise bei konstanter Schaltfrequenz im sogenannten Phase-Shift-Verfahren betrieben. Hierbei wird eine jeweilige Halbbrücke bzw. deren Halbleiterschalter mit einem Takt- bzw. Ansteuersignalsignal mit der Schaltfrequenz und einem An-Aus-Verhältnis von 1:1 betrieben. Eine Leistungsflusssteuerung wird über eine geeignete Einstellung der Phasenlage der beiden Taktsignale erreicht. From the relevant specialist literature so-called resonant switched potential-separating DC-DC converter in full-bridge topology are known. These DC-DC converters are usually operated at a constant switching frequency in the so-called phase-shift method. Here, a respective half-bridge or its semiconductor switch with a clock or Ansteuersignalsignal with the switching frequency and an on-off ratio of 1: 1 is operated. A power flow control is achieved via a suitable adjustment of the phase position of the two clock signals.

Das Verhältnis der Schaltfrequenz zu einer Resonanzfrequenz eines Lastkreises, der mit einer mittels der Halbbrücken erzeugten Spannung beaufschlagt wird, bestimmt eine Betriebsart des Gleichspannungswandlers mit charakteristischen Schaltentlastungsarten für die Halbleiterschalter der Halbbrücken. Grundsätzlich können drei Betriebsarten unterschieden werden:
Eine erste Betriebsart ist der unterresonante Betrieb, bei dem die Schaltfrequenz kleiner als die Resonanzfrequenz ist. Hierbei werden die Halbleiterschalter der Halbbrücken im ZCS-Modus (Zero Current Switch, d.h. Ausschalten bei Strom Null) betrieben.The ratio of the switching frequency to a resonant frequency of a load circuit, which is applied to a voltage generated by the half-bridges determines an operating mode of the DC-DC converter with characteristic Schaltentlastungsarten for the semiconductor switches of the half-bridges. Basically, three operating modes can be distinguished:
A first mode is the sub-resonant mode in which the switching frequency is less than the resonant frequency. Here, the semiconductor switches of the half-bridges in ZCS mode (Zero Current Switch, ie turning off at zero current) operated.

Eine zweite Betriebsart ist der quasiresonante Betrieb, bei dem die Schaltfrequenz in etwa der Resonanzfrequenz entspricht. Eine der Halbbrücken arbeitet hierbei im ZCS-Modus Modus und die andere der Halbbrücken im ZVS-Modus (Zero Valtage Switch, d.h. Einschalten bei Spannung Null).A second mode is the quasi-resonant operation in which the switching frequency corresponds approximately to the resonant frequency. One of the half bridges operates in ZCS mode mode and the other of the half bridges in ZVS mode (Zero Valtage Switch).

Die dritte Betriebsart ist der überresonante Betrieb, bei dem die Schaltfrequenz grösser als die Resonanzfrequenz ist. Die Halbbrücken werden hierbei jeweils im ZVS-Modus betrieben.The third operating mode is the over-resonant operation, in which the switching frequency is greater than the resonance frequency. The half bridges are each operated in ZVS mode.

Aufgrund parasitärer Effekte sind Halbleiterschalter in Form von Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) nur in Verbindung mit ZCS-Betrieb und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) nur in Verbindung mit ZVS-Betrieb sinnvoll verwendbar. Due to parasitic effects, semiconductor switches in the form of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) can only be usefully used in conjunction with ZCS operation and metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) only in conjunction with ZVS operation.

Da bei Zwischenkreisspannungen von über 450V aus Kostengründen derzeit nur IGBTs als Halbleiterschalter in Frage kommen, ist herkömmlich die unterresonante Betriebsart in Verbindung mit ZCS zwingend. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Halbleiterschalter hart auf Freilaufdioden der komplementären Halbleiterschalter einschalten müssen. Damit verbunden sind zusätzliche Schaltverluste durch die sogenannten Recovery-Ströme der Freilaufdioden. Lediglich die Verwendung teurer Siliziumkarbid-Dioden, die vernachlässigbare Recovery-Ströme aufweisen, könnte die zusätzlichen Schaltverluste reduzieren. Since, for cost reasons, only IGBTs are used as semiconductor switches at DC link voltages of more than 450V, conventionally the sub-resonant mode of operation in conjunction with ZCS is mandatory. The disadvantage here, however, that the semiconductor switches must turn hard on freewheeling diodes of the complementary semiconductor switch. This is associated with additional switching losses due to the so-called recovery currents of the freewheeling diodes. Only the use of expensive silicon carbide diodes, which have negligible recovery currents, could reduce the additional switching losses.

Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Betriebsart ist zudem ein erhöhtes Spannungsgefälle und damit zusätzliche Verluste im Gesamtsystem. Another disadvantage of the operating mode described is also an increased voltage gradient and thus additional losses in the overall system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen resonant geschalteten potentialtrennenden Gleichspannungswandler, zur Verfügung zu stellen, der eine verglichen mit herkömmlichen Gleichspannungswandlern erhöhte Leistungsdichte und mehr Freiheitsgrade beim elektrischen und mechanischen Design aufweist. The invention has for its object to provide a DC-DC converter, in particular a resonant switched potential-separating DC-DC converter, which has an increased compared with conventional DC-DC converters power density and more degrees of freedom in the electrical and mechanical design.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Gleichspannungswandler nach Anspruch 1.The invention solves this problem by a DC-DC converter according to claim 1.

Der Gleichspannungswandler weist eine erste Halbbrücke mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter auf, wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter in Serie zwischen einen ersten Eingangsspannungsanschluss und einen zweiten Eingangsspannungsanschluss eingeschleift sind, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsspannungsanschluss eine Eingangsgleichspannung (auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet) ansteht. Die Eingangsgleichspannung kann einen Spannungspegel von größer als 450V aufweisen.The DC-DC converter has a first half-bridge with a first semiconductor switch and a second semiconductor switch, wherein the first and second semiconductor switches are connected in series between a first input voltage terminal and a second input voltage terminal, wherein between the first and the second input voltage terminal, a DC input voltage (also as a DC link voltage indicated) is pending. The DC input voltage may have a voltage level greater than 450V.

Weiter weist der Gleichspannungswandler eine zweite Halbbrücke mit einem dritten Halbleiterschalter und einem vierten Halbleiterschalter auf, wobei der dritte und der vierte Halbleiterschalter in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss und den zweiten Eingangsspannungsanschluss eingeschleift sind.Furthermore, the DC-DC converter has a second half-bridge with a third semiconductor switch and a fourth semiconductor switch, wherein the third and fourth semiconductor switches are connected in series between the first input voltage terminal and the second input voltage terminal.

Die erste Halbbrücke und die zweite Halbrücke dienen herkömmlich zur Erzeugung einer Rechteckspannung aus der Eingangsgleichspannung, so dass insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird.The first half-bridge and the second half-bridge are conventionally used to generate a square-wave voltage from the input DC voltage, so that in this respect reference is also made to the relevant specialist literature.

Der Gleichspannungswandler weist weiter einen Lastkreis mit einer Lastkreis-Resonanzfrequenz auf, der mit der mittels der beiden Halbbrücken erzeugten Rechteckspannung beaufschlagt ist.The DC-DC converter further has a load circuit with a load circuit resonance frequency on, which is acted upon by the generated by means of the two half-bridges square wave.

Eine Steuereinheit des Gleichspannungswandlers dient zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der ersten und der zweiten Halbbrücke, insbesondere derart, dass sich ein vorgebbarer Pegel einer Ausgangsgleichspannung einstellt, beispielsweise indem herkömmlich eine Phasenlage zwischen Ansteuersignalen geeignet eingestellt wird. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.A control unit of the DC-DC converter is used to control the semiconductor switches of the first and the second half-bridge, in particular such that adjusts a predeterminable level of a DC output voltage, for example, by a phase angle between control signals is set appropriately. In that regard, reference is also made to the relevant specialist literature.

Der Gleichspannungswandler weist eine Entlastungsschaltung auf. Die Entlastungsschaltung umfasst eine dritte Halbbrücke, aufweisend einen fünften Halbleiterschalter und einen sechsten Halbleiterschalter und einen Serienschwingkreis mit einem Kondensator und einer in Serie geschalteten Spule. Der fünfte und der sechste Halbleiterschalter sind in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss und den zweiten Eingangsspannungsanschluss eingeschleift und der Serienschwingkreis ist zwischen einen Verbindungsknoten des fünften und des sechsten Halbleiterschalters und den Verbindungsknoten des dritten und des vierten Halbleiterschalters eingeschleift. The DC-DC converter has a discharge circuit. The relief circuit comprises a third half-bridge comprising a fifth semiconductor switch and a sixth semiconductor switch and a series resonant circuit having a capacitor and a series-connected coil. The fifth and sixth semiconductor switches are connected in series between the first input voltage terminal and the second input voltage terminal, and the series resonant circuit is connected between a connection node of the fifth and sixth semiconductor switches and the connection nodes of the third and fourth semiconductor switches.

Die Entlastungsschaltung ermöglicht einen Betrieb des Gleichspannungswandlers im Bereich der Lastkreis-Resonanzfrequenz, ohne dass es zu einer ungünstigen Schaltbelastung der Halbleiterschalter kommt.The discharge circuit enables operation of the DC-DC converter in the region of the load circuit resonance frequency, without resulting in an unfavorable switching load of the semiconductor switches.

Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Halbleiterschalter der dritten Halbbrücke derart anzusteuern, dass bei einem Wechsel eines Schaltzustands der Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke ein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke, der abgeschaltet wird, minimiert ist, insbesondere kein Strom fließt, so dass die zweite Halbbrücke aufgrund der geeignet angesteuerten Entlastungsschaltung im Ergebnis im ZCS-Modus betrieben wird.The control unit may be designed to control the semiconductor switches of the third half-bridge in such a way that, when a switching state of the semiconductor switches of the second half-bridge, a current through that semiconductor switch of the second half-bridge, which is turned off, is minimized, in particular no current flows, so that the second half-bridge is operated due to the appropriately controlled discharge circuit as a result in ZCS mode.

Die Steuereinheit kann weiter dazu ausgebildet sein, einen Wechsel des Schaltzustands der Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke zu einem Zeitpunkt zu bewirken, während dem kein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke fließt, der abgeschaltet wird, d.h. die erste Halbbrücke wird herkömmlich im ZCS-Modus betrieben.The control unit may be further configured to cause a change in the switching state of the semiconductor switches of the first half-bridge at a time during which no current flows through that semiconductor switch of the first half-bridge which is turned off, i. the first half bridge is conventionally operated in ZCS mode.

Die Steuereinheit kann weiter dazu ausgebildet sein, die Halbleiterschalter der ersten, der zweiten und der dritten Halbbrücke mit einer Schaltfrequenz anzusteuern, die der Lastkreis-Resonanzfrequenz entspricht, d.h. der Gleichspannungswandler wird quasiresonant betrieben.The control unit may be further configured to drive the semiconductor switches of the first, second and third half bridges at a switching frequency corresponding to the load circuit resonance frequency, i. the DC-DC converter is operated quasi-resonant.

Die Steuereinheit kann weiter dazu ausgebildet sein, den ersten Halbleiterschalter der dritten Halbbrücke während wiederkehrender erster Zeitbereiche einzuschalten, wobei während der ersten Zeitbereiche der erste Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird, und außerhalb der ersten Zeitbereiche auszuschalten, und den zweiten Halbleiterschalter der dritten Halbbrücke während widerkehrender zweiter Zeitbereiche einzuschalten, wobei während der zweiten Zeitbereiche der erste Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird, und außerhalb der zweiten Zeitbereiche auszuschalten.The control unit may be further configured to turn on the first semiconductor switch of the third half-bridge during recurring first time periods, during the first time periods the first semiconductor switch of the second half-bridge is turned on and the second semiconductor switch of the second half-bridge is turned off and off outside of the first time ranges, and turn on the second semiconductor switch of the third half-bridge during recurring second time ranges, wherein during the second time ranges the first semiconductor switch of the second half-bridge is turned off and the second semiconductor switch of the second half-bridge is turned on and off outside the second time ranges.

Der Serienschwingkreis der Entlastungsschaltung kann durch geeignete Wahl der Bauelemente eine Serienschwingkreis-Resonanzfrequenz aufweisen, die typischerweise in einem Bereich zwischen der zwanzigfachen Lastkreis-Resonanzfrequenz und der hundertfachen Lastkreis-Resonanzfrequenz liegt.The series resonant circuit of the relieving circuit, by suitable choice of the components, may have a series resonant circuit resonant frequency which is typically in a range between twenty times the load circuit resonant frequency and one hundred times the load circuit resonant frequency.

Die Halbleiterschalter können Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) sein.The semiconductor switches may be insulated gate bipolar transistors (IGBTs).

Der Lastkreis kann einen, beispielweise potentialtrennenden, Übertrager bzw. Transformator mit mindestens einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung aufweisen.The load circuit may have a, for example, potential-separating, transformer or transformer with at least one primary winding and at least one secondary winding.

Der Lastkreis kann weiter eine Gleichrichterschaltung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, aus einer Spannung an der mindestens einen Sekundärwicklung des Übertragers bzw. Transformators die Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Zwischen einen Verbindungsknoten des ersten und des zweiten Halbleiterschalters und einen Verbindungsknoten des dritten und des vierten Halbleiterschalters ist die mindestens eine Primärwicklung des Übertragers, gegebenenfalls mit weiteren zwischengeschalteten oder eingeschleiften Bauelementen, eingeschleift. The load circuit may further comprise a rectifier circuit which is designed to generate the output direct voltage from a voltage at the at least one secondary winding of the transformer or transformer. Between a connection node of the first and the second semiconductor switch and a connection node of the third and the fourth semiconductor switch, the at least one primary winding of the transformer, possibly with other intermediate or looped components, looped.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:The invention will be described in detail below with reference to the drawings. This shows schematically:

1 einen Gleichspanungswandler mit einer Entlastungsschaltung, 1 a DC-DC converter with a discharge circuit,

2 einen zeitlichen Verlauf von Signalen des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers, 2 a temporal course of signals of in 1 shown DC-DC converter,

3 eine erste alternative Ausführungsform eines Lastkreises des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers, 3 a first alternative embodiment of a load circuit of in 1 shown DC-DC converter,

4 eine weitere alternative Ausführungsform eines Lastkreises des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers und 4 a further alternative embodiment of a load circuit of in 1 shown DC-DC converter and

5 eine weitere alternative Ausführungsform eines Lastkreises des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers. 5 a further alternative embodiment of a load circuit of in 1 shown DC-DC converter.

1 zeigt einen Gleichspannungswandler 1 in Vollbrückenschaltung mit einer ersten Halbbrücke 2 und einer zweiten Halbbrücke 5 zur Erzeugung einer Rechteckspannung UR aus einer Zwischenkreisspannung UZK mit einem Spannungspegel von mehr als 450V, wobei ein Lastkreis 13 des Gleichspannungswandlers 1 mit der derart erzeugten Rechteckspannung UR beaufschlagt wird. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. 1 shows a DC-DC converter 1 in full bridge connection with a first half bridge 2 and a second half bridge 5 for generating a square-wave voltage UR from a link voltage UZK with a voltage level of more than 450V, wherein a load circuit 13 of the DC-DC converter 1 is applied with the thus generated square-wave voltage UR. In that regard, reference is also made to the relevant specialist literature.

Die erste Halbbrücke 2 weist auf: einen ersten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 2a und einen zweiten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 2b, wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter 2a, 2b in Serie zwischen einen ersten Eingangsspannungsanschluss 3 und einen zweiten Eingangsspannungsanschluss 4 eingeschleift sind, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsspannungsanschluss 3, 4 eine Eingangsgleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung UZK ansteht.The first half bridge 2 includes: a first semiconductor switch in the form of an IGBT 2a and a second semiconductor switch in the form of an IGBT 2 B wherein the first and second semiconductor switches 2a . 2 B in series between a first input voltage connection 3 and a second input voltage terminal 4 are looped in, wherein between the first and the second input voltage terminal 3 . 4 an input DC voltage or DC link voltage UZK is present.

Die zweite Halbbrücke 5 weist auf: einen dritten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 5a und einen vierten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 5b, wobei der dritte und der vierte Halbleiterschalter 5a, 5b in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss 3 und den zweiten Eingangsspannungsanschluss 4 eingeschleift sind.The second half bridge 5 comprising: a third semiconductor switch in the form of an IGBT 5a and a fourth semiconductor switch in the form of an IGBT 5b wherein the third and fourth semiconductor switches 5a . 5b in series between the first input voltage connection 3 and the second input voltage terminal 4 are looped.

Den Halbleiterschaltern 2a, 2b, 5a, 5b, 10a, 10b sind herkömmlich jeweils zugehörige Freilaufdioden parallel geschaltet.The semiconductor switches 2a . 2 B . 5a . 5b . 10a . 10b conventionally each associated freewheeling diodes are connected in parallel.

Der Lastkreis 13 weist auf: einen Transformator bzw. Übertrager 6 mit einer Primärwicklung 6a und einer Sekundärwicklung 6b, eine Gleichrichterschaltung 7, die dazu ausgebildet ist, aus einer Spannung an der Sekundärwicklung 6b des Übertragers 6 die Ausgangsgleichspannung UA zu erzeugen, und Kondensatoren 14, 20 und 24 und Spulen 15, 16, 17, 18, 19 und 23, die wie dargestellt verschaltet sind, wobei die Spulen 16, 17, 18 und 19 nichtideale Eigenschaften des Übertragers 6 abbilden und nicht als diskrete Bauelemente ausgeführt sind.The load circuit 13 indicates: a transformer or transformer 6 with a primary winding 6a and a secondary winding 6b , a rectifier circuit 7 , which is adapted to a voltage at the secondary winding 6b of the transformer 6 to produce the DC output voltage UA, and capacitors 14 . 20 and 24 and coils 15 . 16 . 17 . 18 . 19 and 23 which are interconnected as shown, with the coils 16 . 17 . 18 and 19 non-ideal characteristics of the transformer 6 and are not designed as discrete components.

Die Primärwicklung 6a ist in Serie mit dem Kondensator 14 und der Spule 15 zwischen einen Verbindungsknoten N1 des ersten und des zweiten Halbleiterschalters 2a, 2b und einen Verbindungsknoten N2 des dritten und des vierten Halbleiterschalters 5a, 5b eingeschleift.The primary winding 6a is in series with the capacitor 14 and the coil 15 between a connection node N1 of the first and second semiconductor switches 2a . 2 B and a connection node N2 of the third and fourth semiconductor switches 5a . 5b looped.

Der Übertrager 6 weist eine Mittenanzapfung auf, an der ein Ausgangsbezugspotential ansteht. Gleichrichterdioden 21 und 22 der Gleichrichterschaltung 7 bewirken eine Spannungsgleichrichtung, wobei die derart gleichgerichtete Spannung mittels der Spule 23 entstört und mittels des Kondensators 24 gepuffert wird.The transformer 6 has a center tap at which an output reference potential is present. Rectifier diodes 21 and 22 the rectifier circuit 7 cause a voltage rectification, wherein the thus rectified voltage by means of the coil 23 suppressed and by means of the capacitor 24 is buffered.

Eine Steuereinheit 8, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, dient zur Ansteuerung der Halbleiterschalter 2a, 2b, 5a, 5b der ersten und zweiten Halbbrücke 2, 5 derart, dass sich ein vorgebbarer bzw. gewünschter Pegel der Ausgangsgleichspannung UA einstellt.A control unit 8th , For example, in the form of a microprocessor, is used to drive the semiconductor switches 2a . 2 B . 5a . 5b the first and second half bridge 2 . 5 in such a way that a specifiable or desired level of the output direct voltage UA is set.

Eine Entlastungsschaltung 9 weist eine dritte Halbbrücke 10 auf. Die dritte Halbbrücke 10 umfasst einen fünften Halbleiterschalter in Form eines IGBT 10a und einen sechsten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 10b und einen Serienschwingkreis mit einem Kondensator 11 und einer in Serie geschalteten Spule 12, wobei der fünfte und der sechste Halbleiterschalter 10a, 10b in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss 3 und den zweiten Eingangsspannungsanschluss 4 eingeschleift sind und der Serienschwingkreis 11, 12 zwischen einen Verbindungsknoten N3 des fünften und des sechsten Halbleiterschalters 10a, 10b und den Verbindungsknoten N2 des dritten und des vierten Halbleiterschalters 5a, 5b eingeschleift ist. Die Halbleiterschalter 10a und 10b werden durch die Steuereinheit 8 angesteuert.A discharge circuit 9 has a third half bridge 10 on. The third half bridge 10 comprises a fifth semiconductor switch in the form of an IGBT 10a and a sixth semiconductor switch in the form of an IGBT 10b and a series resonant circuit with a capacitor 11 and a series-connected coil 12 , wherein the fifth and the sixth semiconductor switch 10a . 10b in series between the first input voltage connection 3 and the second input voltage terminal 4 are looped and the series resonant circuit 11 . 12 between a connection node N3 of the fifth and the sixth semiconductor switch 10a . 10b and the connection node N2 of the third and fourth semiconductor switches 5a . 5b is looped. The semiconductor switches 10a and 10b be through the control unit 8th driven.

2 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Signalen des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers 1 (d.h. einen logischen Signalzustand über der Zeit). 2 shows a time course of signals of in 1 shown DC-DC converter 1 (ie a logical signal state over time).

Hierbei bezeichnet S1 ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 2a, S2\ ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 2b (in komplementärer Darstellung), S3 ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 5a, S4\ ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 5b (in komplementärer Darstellung), S5 ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 10a, S6 ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 10b, VS1 eine am Halbleiterschalter 2a abfallende Spannung, iS1 einen Strom durch den Halbleiterschalter 2a, ID1 einen Strom durch die Freilaufdiode des Halbleiterschalters 2a, VS3 eine am Halbleiterschalter 5a abfallende Spannung, iS3 einen Strom durch den Halbleiterschalter 5a und iD3 einen Strom durch die Freilaufdiode des Halbleiterschalters 5a.Here, S1 denotes a drive signal for the semiconductor switch 2a , S2 \ a drive signal for the semiconductor switch 2 B (in complementary representation), S3 a drive signal for the semiconductor switch 5a , S4 \ a drive signal for the semiconductor switch 5b (in complementary representation), S5 a drive signal for the semiconductor switch 10a , S6 a drive signal for the semiconductor switch 10b , VS1 one at the semiconductor switch 2a decreasing voltage, iS1 a current through the semiconductor switch 2a , ID1 a current through the freewheeling diode of the semiconductor switch 2a , VS3 one at the semiconductor switch 5a falling voltage, iS3 a current through the semiconductor switch 5a and iD3 a current through the freewheeling diode of the semiconductor switch 5a ,

Die Steuereinheit 8 erzeugt die Ansteuersignale S1 bis S6 mit einer Schaltfrequenz, die in etwa der Lastkreis-Resonanzfrequenz entspricht, beispielsweise 100 kHz. Mit anderen Worten wird der Gleichspannungswandler 1 quasiresonant betrieben, wobei die Halbbrücke 2 herkömmlich im ZCS-Modus Modus arbeitet, d.h. ein Wechsel des Schaltzustands der Halbleiterschalter 2a, 2b der ersten Halbbrücke 2 wird zu einem Zeitpunkt bewirkt, während dem kein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke 2 fließt, der abgeschaltet wird.The control unit 8th generates the drive signals S1 to S6 with a switching frequency which corresponds approximately to the load circuit resonance frequency, for example 100 kHz. In other words, the DC-DC converter 1 operated quasi-resonant, the half-bridge 2 conventionally operates in ZCS mode mode, ie, a change in the switching state of the semiconductor switch 2a . 2 B the first half bridge 2 is effected at a time during which no current through that semiconductor switch of the first half-bridge 2 flows, which is switched off.

Aufgrund der Entlastungsschaltung 9 ist darüber hinaus eine transient-resonante Schaltentlastung (ZCS) auch der zweiten Halbbrücke 5 und zwar in beide Stromrichtungen möglich. Due to the discharge circuit 9 In addition, a transient-resonant switching discharge (ZCS) is also the second half-bridge 5 in both directions possible.

Hierzu schaltet die Steuereinheit 8 durch geeignetes Erzeugen des Signals S5 den ersten Halbleiterschalter 10a der dritten Halbbrücke 10 während wiederkehrender erster Zeitbereiche ZB1 ein, während derer der erste Halbleiterschalter 5a der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter 5b der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird.For this purpose the control unit switches 8th by suitably generating the signal S5, the first semiconductor switch 10a the third half bridge 10 during recurring first time ranges ZB1, during which the first semiconductor switch 5a the second half-bridge is turned on and the second semiconductor switch 5b the second half-bridge is turned off.

Entsprechend schaltet die Steuereinheit 8 durch geeignetes Erzeugen des Signals S6 den zweiten Halbleiterschalter 10b der dritten Halbbrücke 10 während widerkehrender zweiter Zeitbereiche ZB2 ein, während derer der erste Halbleiterschalter 5a der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter 5b der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird.The control unit switches accordingly 8th by suitably generating the signal S6, the second semiconductor switch 10b the third half bridge 10 during recurring second time ranges ZB2, during which the first semiconductor switch 5a the second half-bridge is turned off and the second semiconductor switch 5b the second half-bridge is turned on.

Ein Teil desjenigen Stroms, der bei einem herkömmlichen Gleichspannungswandler über die Freilaufdioden der komplementären Halbleiterschalter fließen würde, wird erfindungsgemäß von der Entlastungsschaltung 9 bzw. deren Schwingkreis aufgenommen und auch wieder abgegeben, so dass Schaltverluste in den Freilaufdioden reduziert werden. A portion of the current that would flow in a conventional DC-DC converter via the freewheeling diodes of the complementary semiconductor switches, according to the invention of the discharge circuit 9 or their resonant circuit recorded and also released again, so that switching losses are reduced in the freewheeling diodes.

Wie aus dem zeitlichen Verlauf der Ströme iS3 und iD3 hervorgeht, ist eine Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises der Entlastungsschaltung 9 wesentlich größer als die Schaltfrequenz der Steuersignale S1 bis S6. Die Resonanzfrequenz des Lastkreises 13, d.h. entsprechend die Schaltfrequenz der Steuersignale S1 bis S6, beträgt im Beispiel gemäß 2 ca. 100 kHz. Entsprechend werden auch die Halbbrücken 2 und 5 bzw. deren Halbleiterschalter getaktet. Die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises der Entlastungsschaltung 9 für einen transient-resonanten Betriebsfall liegt dagegen deutlich höher und beträgt typisch 2 bis 10 MHz. Je höher die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises der Entlastungsschaltung 9 gewählt wird, desto geringer werden die durch Totzeiten des Resonanzvorgangs entstehenden Spannungsabfälle im System. Die Obergrenze hängt von den Eigenschaften der Halbleiterschalter ab, insbesondere der Lebensdauer der Ladungsträger in der Sperrschicht.As can be seen from the time course of the currents iS3 and iD3, a resonant frequency of the series resonant circuit of the discharge circuit 9 much larger than the switching frequency of the control signals S1 to S6. The resonant frequency of the load circuit 13 , ie according to the switching frequency of the control signals S1 to S6, in the example according to 2 about 100 kHz. Accordingly, the half bridges 2 and 5 or their semiconductor switch clocked. The resonant frequency of the series resonant circuit of the discharge circuit 9 for a transient-resonant operating case, however, is significantly higher and is typically 2 to 10 MHz. The higher the resonant frequency of the series resonant circuit of the discharge circuit 9 is selected, the lower the resulting by dead times of the resonance process voltage drops in the system. The upper limit depends on the properties of the semiconductor switches, in particular the lifetime of the charge carriers in the barrier layer.

Daher kann der Gleichspannungswandler 1 im Bereich der Lastkreis-Resonanzfrequenz betrieben werden, wodurch eine optimale Ausnutzung der Halbleiterschalter und der magnetischen Bauelemente erreicht werden kann. Therefore, the DC-DC converter 1 be operated in the region of the load circuit resonance frequency, whereby an optimal utilization of the semiconductor switches and the magnetic components can be achieved.

Durch die Kombination von Phase-Shift-Steuerung und Schaltfrequenzvariation ist zudem eine Optimierung des dynamischen Verhaltens des Gleichspannungswandlers 1 in Bezug auf Lastsprünge möglich.The combination of phase-shift control and switching frequency variation also optimizes the dynamic behavior of the DC-DC converter 1 possible in terms of load jumps.

Die 3 bis 5 zeigen alternative Ausführungsform des in 1 gezeigten Lastkreises 13.The 3 to 5 show alternative embodiment of in 1 shown load circuit 13 ,

So zeigt 3 eine Lastkreis-Variante 13' mit einer Anordnung von Kondensatoren 20a und 20b über der Sekundärwicklung 6b zur Begrenzung eines Spannungsanstiegs an den Gleichrichterdioden 21 und 22, was sich günstig auf deren Recovery-Verhalten auswirkt.So shows 3 a load circuit variant 13 ' with an array of capacitors 20a and 20b over the secondary winding 6b for limiting a voltage increase at the rectifier diodes 21 and 22 , which has a favorable effect on their recovery behavior.

Durch Minimierung eines Spannungsgefälles innerhalb des Lastkreises 13' kann die primärseitig wirksame Serieninduktivität auf die Streuinduktivität des Übertragers 6 reduziert werden, so dass Bauteile eingespart werden können.By minimizing a voltage gradient within the load circuit 13 ' can the series side effective series inductance on the leakage inductance of the transformer 6 be reduced, so that components can be saved.

4 zeigt eine Ausführungsform des Lastkreises 13'', bei der zur Erhöhung der übertragbaren Leistung ein aufgeteilter Transformator 6' vorgesehen ist, der als sogenannter Power-Train verschaltet ist, d.h. es sind zwei in Reihe geschaltete Primärwicklung 6a_1 und 6a_2 und zwei parallel geschaltete Sekundärwicklungen 6b_1 und 6b_2 vorgesehen. Die Elemente 16 bis 19 sind entsprechend zweifach vorhanden (jeweils bezeichnet mit x_1 bzw. x_2) 4 shows an embodiment of the load circuit 13 '' in which, in order to increase the transferable power, a split transformer 6 ' is provided, which is connected as a so-called power train, ie there are two series-connected primary winding 6a_1 and 6a_2 and two parallel secondary windings 6b_1 and 6b_2 intended. The Elements 16 to 19 are available twice (in each case with x_1 or x_2)

5 zeigt ein vollständiges Powertrain-Konzept 13''', bei dem sekundärseitig erst nach Glättungsdrosseln 23_1 und 23_2 die Parallelverbindung erfolgt. 5 shows a complete powertrain concept 13 ''' , on the secondary side only after smoothing throttles 23_1 and 23_2 the parallel connection takes place.

Claims (8)

Gleichspannungswandler (1), aufweisend: – eine erste Halbbrücke (2), aufweisend: – einen ersten Halbleiterschalter (2a) und – einen zweiten Halbleiterschalter (2b), – wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter (2a, 2b) in Serie zwischen einen ersten Eingangsspannungsanschluss (3) und einen zweiten Eingangsspannungsanschluss (4) eingeschleift sind, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsspannungsanschluss (3, 4) eine Eingangsgleichspannung (UZK) ansteht, – eine zweite Halbbrücke (5), aufweisend: – einen dritten Halbleiterschalter (5a) und – einen vierten Halbleiterschalter (5b), wobei – der dritte und der vierte Halbleiterschalter (5a, 5b) in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss (3) und den zweiten Eingangsspannungsanschluss (4) eingeschleift sind, wobei die erste Halbbrücke (2) und die zweite Halbrücke (5) zur Erzeugung einer Rechteckspannung (UR) aus der Eingangsgleichspannung (UZK) ausgebildet sind, – einen Lastkreis (13, 13', 13'', 13''') mit einer Lastkreis-Resonanzfrequenz, der mit der Rechteckspannung (UR) beaufschlagt ist, und – eine Steuereinheit (8) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter (2a, 2b, 5a, 5b) der ersten und zweiten Halbbrücke (2, 5) derart, dass sich ein vorgebbarer Pegel einer Ausgangsgleichspannung (UA) einstellt, gekennzeichnet durch – eine Entlastungsschaltung (9), aufweisend: – eine dritte Halbbrücke (10), aufweisend: – einen fünften Halbleiterschalter (10a) und – einen sechsten Halbleiterschalter (10b) und – einen Serienschwingkreis mit einem Kondensator (11) und einer in Serie geschalteten Spule (12), wobei – der fünfte und der sechste Halbleiterschalter (10a, 10b) in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss (3) und den zweiten Eingangsspannungsanschluss (4) eingeschleift sind und – der Serienschwingkreis (11, 12) zwischen einen Verbindungsknoten (N3) des fünften und des sechsten Halbleiterschalters (10a, 10b) und den Verbindungsknoten (N2) des dritten und des vierten Halbleiterschalters (5a, 5b) eingeschleift ist.DC-DC converter ( 1 ), comprising: - a first half-bridge ( 2 ), comprising: - a first semiconductor switch ( 2a ) and - a second semiconductor switch ( 2 B ), - wherein the first and the second semiconductor switch ( 2a . 2 B ) in series between a first input voltage terminal ( 3 ) and a second input voltage terminal ( 4 ) are connected, wherein between the first and the second input voltage terminal ( 3 . 4 ) an input DC voltage (UZK) is present, - a second half-bridge ( 5 ), comprising: - a third semiconductor switch ( 5a ) and - a fourth semiconductor switch ( 5b ), in which The third and the fourth semiconductor switch ( 5a . 5b ) in series between the first input voltage terminal ( 3 ) and the second input voltage terminal ( 4 ), wherein the first half-bridge ( 2 ) and the second half bridge ( 5 ) for generating a square-wave voltage (UR) from the input DC voltage (UZK) are formed, - a load circuit ( 13 . 13 ' . 13 '' . 13 ''' ) with a load circuit resonance frequency, which is supplied with the square-wave voltage (UR), and - a control unit ( 8th ) for driving the semiconductor switches ( 2a . 2 B . 5a . 5b ) of the first and second half bridges ( 2 . 5 ) such that a predeterminable level of a DC output voltage (UA) is established, characterized by - a discharge circuit ( 9 ), comprising: - a third half-bridge ( 10 ), comprising: - a fifth semiconductor switch ( 10a ) and - a sixth semiconductor switch ( 10b ) and - a series resonant circuit with a capacitor ( 11 ) and a series-connected coil ( 12 ), wherein - the fifth and the sixth semiconductor switch ( 10a . 10b ) in series between the first input voltage terminal ( 3 ) and the second input voltage terminal ( 4 ) are looped and - the series resonant circuit ( 11 . 12 ) between a connection node (N3) of the fifth and the sixth semiconductor switch ( 10a . 10b ) and the connection node (N2) of the third and the fourth semiconductor switch ( 5a . 5b ) is looped. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, – die Halbleiterschalter (10a, 10b) der dritten Halbbrücke (10) derart anzusteuern, dass bei einem Wechsel eines Schaltzustands der Halbleiterschalter (5a, 5b) der zweiten Halbbrücke (5) ein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke (5), der abgeschaltet wird, minimiert ist.DC-DC converter according to claim 1, characterized in that the control unit ( 8th ) is designed to - the semiconductor switches ( 10a . 10b ) of the third half-bridge ( 10 ) such that when a switching state of the semiconductor switch ( 5a . 5b ) of the second half-bridge ( 5 ) a current through that semiconductor switch of the second half-bridge ( 5 ), which is turned off, is minimized. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, einen Wechsel des Schaltzustands der Halbleiterschalter (2a, 2b) der ersten Halbbrücke (2) zu einem Zeitpunkt zu bewirken, während dem kein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke (2) fließt, der abgeschaltet wird.DC-DC converter according to claim 1 or 2, characterized in that the control unit ( 8th ) is adapted to a change of the switching state of the semiconductor switch ( 2a . 2 B ) of the first half-bridge ( 2 ) at a time during which no current through the semiconductor switch of the first half-bridge ( 2 ), which is turned off. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, – die Halbleiterschalter (2a, 2b, 5a, 5b, 10a, 10b) der ersten, der zweiten und der dritten Halbbrücke (2, 5, 10) mit einer Schaltfrequenz anzusteuern, die der Lastkreis-Resonanzfrequenz entspricht. DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit ( 8th ) is designed to - the semiconductor switches ( 2a . 2 B . 5a . 5b . 10a . 10b ) of the first, second and third half bridges ( 2 . 5 . 10 ) with a switching frequency corresponding to the load circuit resonance frequency. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, – den ersten Halbleiterschalter (10a) der dritten Halbbrücke (10) während wiederkehrender erster Zeitbereiche (ZB1) einzuschalten, während derer der erste Halbleiterschalter (5a) der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter (5b) der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird, und außerhalb der ersten Zeitbereiche (ZB1) auszuschalten, und – den zweiten Halbleiterschalter (10b) der dritten Halbbrücke (10) während widerkehrender zweiter Zeitbereiche (ZB2) einzuschalten, während derer der erste Halbleiterschalter (5a) der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter (5b) der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird, und außerhalb der zweiten Zeitbereiche (ZB2) auszuschalten.DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit ( 8th ) is designed to - the first semiconductor switch ( 10a ) of the third half-bridge ( 10 ) during recurring first time ranges (ZB1), during which the first semiconductor switch ( 5a ) of the second half-bridge is turned on and the second semiconductor switch ( 5b ) of the second half-bridge is turned off, and off outside the first time ranges (ZB1), and - the second semiconductor switch ( 10b ) of the third half-bridge ( 10 ) during recurring second time periods (ZB2), during which the first semiconductor switch ( 5a ) of the second half-bridge is switched off and the second semiconductor switch ( 5b ) of the second half-bridge is turned on, and off outside the second time ranges (ZB2). Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienschwingkreis (11, 12) der Entlastungsschaltung (9) eine Serienschwingkreis-Resonanzfrequenz aufweist, die in einem Bereich zwischen der zwanzigfachen Lastkreis-Resonanzfrequenz und der hundertfachen Lastkreis-Resonanzfrequenz liegt.DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized in that the series resonant circuit ( 11 . 12 ) of the discharge circuit ( 9 ) has a series resonant circuit resonant frequency which is in a range between twenty times the load circuit resonant frequency and one hundred times the load circuit resonant frequency. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (2a, 2b, 5a, 5b, 10a, 10b) Insulated Gate Bipolar Transistoren sind. DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches ( 2a . 2 B . 5a . 5b . 10a . 10b ) Insulated gate bipolar transistors are. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Lastkreis (13, 13', 13'', 13''') aufweist: – einen Übertrager (6, 6') mit mindestens einer Primärwicklung (6a; 6a_1, 6a_2) und mindestens einer Sekundärwicklung (6b; 6b_1, 6b_2) und – eine Gleichrichterschaltung (7), die dazu ausgebildet ist, aus einer Spannung an der mindestens einen Sekundärwicklung (6b; 6b_1, 6b_2) des Übertragers (6, 6') eine Ausgangsgleichspannung (UA) zu erzeugen, – wobei zwischen einen Verbindungsknoten (N1) des ersten und des zweiten Halbleiterschalters (2a, 2b) und einen Verbindungsknoten (N2) des dritten und des vierten Halbleiterschalters (5a, 5b) die mindestens eine Primärwicklung (6b; 6b_1, 6b_2) des Übertragers (6, 6') eingeschleift ist.DC-DC converter according to one of the preceding claims, characterized in that the load circuit ( 13 . 13 ' . 13 '' . 13 ''' ) comprises: - a transformer ( 6 . 6 ' ) with at least one primary winding ( 6a ; 6a_1 . 6a_2 ) and at least one secondary winding ( 6b ; 6b_1 . 6b_2 ) and - a rectifier circuit ( 7 ), which is adapted from a voltage at the at least one secondary winding ( 6b ; 6b_1 . 6b_2 ) of the transformer ( 6 . 6 ' ) to generate a DC output voltage (UA), - wherein between a connection node (N1) of the first and the second semiconductor switch ( 2a . 2 B ) and a connection node (N2) of the third and fourth semiconductor switches ( 5a . 5b ) the at least one primary winding ( 6b ; 6b_1 . 6b_2 ) of the transformer ( 6 . 6 ' ) is looped.
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