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Die Erfindung betrifft einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit Leistungsskalierung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit einem Resonanzkonverter mit Potenzialtrennung.
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Stand der Technik
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Obwohl die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand eines zweistufigen Gleichspannungswandlers erläutert wird, bei welchem einen galvanische Trennung mittels eine Resonanzkonverters erreicht wird, ist sie auch auf beliebige andere zweistufige Gleichspannungswandler anwendbar, bei denen eine galvanische Trennung vorgesehen ist.
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Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen ist es unter anderem notwendig, Energie von einem Hochvoltznetz in ein Niedervoltznetz zu übertragen. Hierbei kommt typischerweise ein Gleichspannungswandler zur Anwendung, mit Hilfe dessen beispielsweise aus einem Hochvoltnetz (bei mehreren hundert Volt) Energie in ein Niedervoltbordnetz eingespeist wird, um damit eine Batterie des Fahrzeugs bei 12 V aufzuladen bzw. die Niedervoltverbraucher zu speisen. Sowohl im Hochvoltnetz als auch im Niedervoltnetz können die Spannungen stark schwanken, so dass der Gleichspannungswandler in typischen Anwendungen dafür ausgelegt werden muss, auf der Hochvoltseite und/oder auf der Niedervoltseite einen weiten Spannungsbereich abzudecken. Je nach Anwendungsgebiet wird für den Gleichspannungswandler eine galvanische Trennung zwischen Hoch- und Niedervoltseite gefordert, so dass es mitunter vorteilhaft ist, den Gleichspannungswandler beispielsweise als Gegentaktwandler auszuführen. Alternativ eignet sich hierzu beispielsweise auch ein Resonanzkonverter mit Potenzialtrennung.
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Die Druckschrift
US 2011/0090717 A1 beschreibt einen zweistufigen bidirektionalen Gleichspannungswandler, welcher unter anderem einen Resonanzkonverter umfasst, der bei einem konstanten Arbeitspunkt betrieben wird. Weiterhin ist dem Resonanzkonverter ein bidirektionaler geregelter Gleichspannungswandler zugeschaltet, der in einer ersten Richtung als Hochsetzsteller und in einer zweiten Richtung als Tiefsetzsteller betrieben wird.
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Für die Anwendung in modernen Hybridelektrofahrzeugen bedarf es jedoch eines platzsparenden sowie einfach ausgestalteten und damit kostengünstigen Gleichspannungswandlers, der einen weiten Spannungsbereich abdeckt und gleichzeitig keine Nachteile bezüglich des Wirkungsgrads aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler mit einer hochvoltseitigen Schaltungsanordnung, welche dazu ausgelegt ist, eine hochvoltseitig anliegende Gleichspannung in eine mittlere Gleichspannung umzusetzen, und welche einen ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler aufweist, der die hochvoltseitige Gleichspannung empfängt und in die mittlere Gleichspannung umsetzt; mit einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler mit einem im Wesentlichen fest eingestellten Übertragungsverhältnis zu betreiben; mit einer niedervoltseitigen Schaltungsanordnung, welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung in eine konstante niedervoltseitige Gleichspannung umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Tiefsetzstellern aufweist, die die mittlere Gleichspannung empfangen und in die niedervoltseitige Gleichspannung herabsetzen, wobei N2 ≥ 2 ist; und mit einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die mittlere Gleichspannung zu erfassen und die Tiefsetzsteller so zu regeln, dass die niedervoltseitige Gleichspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher in einer ersten Stufe einen potenzialtrennenden Gleichspannungswandler enthält, der mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben wird und hinsichtlich des Wirkungsgrads optimiert ist, und welcher in einer zweiten Stufe eine Parallelschaltung aus einer Vielzahl von Tiefsetzstellern enthält, die geregelt betrieben werden.
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Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die durch den Gleichspannungswandler aufgenommene Leistung auf die parallel geschalteten Tiefsetzsteller aufgeteilt wird. Aus diesem Grund können diese mit Standardkomponenten, insbesondere passiven Bauelementen, realisiert werden. Hierdurch ergibt sich der erhebliche Vorteil, dass der Gleichspannungswandler platzsparend und kostengünstig gestaltbar ist.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich durch die zweistufige Ausführung. Die Tiefsetzsteller der niedervoltseitigen Schaltungsanordnung werden geregelt betrieben, während der potenzialtrennende Gleichspannungswandler der hochvoltseitigen Schaltungsanordnung mit einer festen Frequenz in einem Arbeitspunkt betrieben wird, der ein im Wesentlichen festes Übertragungsverhältnis aufweist. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung kann somit über die Wahl der Frequenz bzw. des Arbeitspunktes hinsichtlich des Wirkungsgrads optimiert werden. Gleichzeitig ist es durch die Regelung der niedervoltseitigen Schaltungsanordnung möglich, einen weiten Eingangsspannungsbereich für den Gleichspannungswandler abzudecken. Im Falle, dass die hochvoltseitige Gleichspannung schwankt, kann dies durch eine entsprechende Regelung der Tiefsetzsteller kompensiert werden, so dass die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.
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Bei Resonanzwandlern ist das Übertragungsverhältnis nicht nur von der Frequenz abhängig, sondern es besteht auch eine Lastabhängigkeit, d.h. wenn sich bei konstanter Frequenz die Last verändert, so kann sich in diesem Fall auch das Übertragungsverhältnis ändern. Aus diesem Grund wird der Resonanzwandler an einem Arbeitspunkt betrieben, der nur eine sehr geringe Lastabhängigkeit aufweist. Die Frequenz wird auf einen festen bzw. konstanten Wert eingestellt, so dass der Resonanzwandler folglich auf ein „Soll-Übertragungsverhältnis“ fest eingestellt wird, welches auch unter Einbeziehung einer Last im Wesentlichen fest bleibt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann der erste Gleichspannungswandler als Resonanzwandler ausgebildet sein. Ein Resonanzwandler ist eine mögliche vorteilhafte Ausführung eines Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung. Der Resonanzwandler wird in diesem Fall mit einer festen Frequenz betrieben, so dass ein im Wesentlichen festes Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung vorliegt. Die Frequenz wird dabei hinsichtlich des optimalen Wirkungsgrads eingestellt.
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Alternativ kann der erste Gleichspannungswandler gemäß einer bevorzugten Weiterbildung als Gegentaktflusswandler ausgebildet sein. Ein Gegentaktflusswandler ist eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, einen potenzialtrennenden Gleichspannungswandler zu gestalten, welche ebenso mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betreibbar ist, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.
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Vorzugsweise können die Tiefsetzsteller individuell anschaltbar und ausschaltbar sein. Dies hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad beispielsweise bei kleinen Ausgangsleistungen des Gleichspannungswandlers weiter verbessert werden kann. Der Wirkungsgrad eines Tiefsetzstellers ist eine nicht konstante Funktion der Leistung des Tiefsetzstellers. Insbesondere gibt es typischerweise ein Maximum im Wirkungsgrad für eine bestimmte Leistung. In dieser Weiterbildung kann also nur die Anzahl Tiefsetzsteller eingeschaltet werden, welche den optimalen Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebene Ausgangsleistung liefert. Die restlichen Tiefsetzsteller bleiben dabei ausgeschaltet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann die hochvoltseitige Schaltungsanordnung eine Anzahl N1 zweiter potenzialtrennender Gleichspannungswandler umfassen. Die Eingänge der jeweiligen potenzialtrennenden Gleichspannungswandler können parallel zu dem Eingang des ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlers geschaltet sein, um so die hochvoltseitige Gleichspannung zu empfangen und in die mittlere Gleichspannung umzusetzen. Hierbei kann N1 ≥ 1 sein. Ferner kann die hochvoltseitige Regelvorrichtung dazu ausgebildet sein, die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler mit demselben Übertragungsverhältnis wie den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler zu betreiben. Mit dieser Weiterbildung kann man die erwünschte Gesamtleistung des Gleichspannungswandlers auf mehrere potenzialtrennende Gleichspannungswandler kleinerer Leistung aufteilen, die dann vorteilhafterweise entsprechend einfacher ausführbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können auch die zweiten Gleichspannungswandler als Resonanzwandler ausgebildet sein. Alternativ können die zweiten Gleichspannungswandler vorzugsweise auch als Gegentaktflusswandler ausgebildet sein. Für beide Wandlertypen ergeben sich hierdurch ähnliche Vorteile wie für den ersten Gleichspannungswandler.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler individuell anschaltbar und ausschaltbar sein. Durch diese Weiterbildung kann der Gleichspannungswandler vorteilhafterweise leistungsskaliert betrieben werden, indem entsprechend der erwünschten Ausgangsleistung beispielsweise nur ein Anteil der zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler angeschaltet wird. Dementsprechend wird hierbei auch nur ein Anteil der Tiefsetzsteller angeschaltet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten möglichen Abwandlung der Erfindung; und
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4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten möglichen Abwandlung der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Gleichspannungswandler. Dieser umfasst eine hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 enthält einen Resonanzwandler (LLC) und die niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Tiefsetzstellern 6, wobei N2 ≥ 2 ist. Der Resonanzwandler wird von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Tiefsetzsteller 6 werden von einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 geregelt. An den Gleichspannungswandler 1 ist eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 angelegt, welche vom Resonanzwandler in eine mittlere Gleichspannung 31 umgesetzt wird, welche wiederum von den Tiefsetzstellern 6 in eine niedervoltseitige Gleichspannung 41 herabgesetzt wird. Der Resonanzwandler wird mit einer Ausgangsleistung POUT betrieben und die Tiefsetzsteller jeweils mit einer Leistung PB, wobei PB = POUT/N2 gilt.
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Der Resonanzwandler wird mit einer festen Frequenz betrieben, d.h. er ist auf einen festen Arbeitspunkt mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung eingestellt. Die Frequenz ist so gewählt, dass der Resonanzwandler mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet. Die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42 ist dazu ausgebildet, die mittlere Gleichspannung 31 zu erfassen und die Tiefsetzsteller 6 so zu regeln, dass die niedervoltseitige Gleichspannung 41 auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Beispielsweise wird der Resonanzwandler mit einer festen/konstanten Frequenz von 250 kHz betrieben und mit einem im Wesentlichen festen (d.h. lastunabhängigen) Übertragungsverhältnis von 10. Diese Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 1 kann zum Beispiel dafür vorgesehen sein, eine Batterie mit 12 V aufzuladen. Dementsprechend wird die niedervoltseitige Gleichspannung 41 von der niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 durch Regelung der Tiefsetzsteller 6 auf diesem Wert gehalten. Liegt beispielsweise eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 von 240 V an, wird diese vom Resonanzwandler in eine mittlere Gleichspannung 31 von 24 V umgesetzt, welche daraufhin von den Tiefsetzstellern 6 auf die niedervoltseitige Gleichspannung 41 von 12 V herabgesetzt wird. Bewegt sich die hochvoltseitige Gleichspannung 21 aufgrund von Schwankungen von diesem Betrag weg, werden die Tiefsetzsteller 6 entsprechend von der niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 nachgeregelt, so dass die niedervoltseitige Gleichspannung weiterhin bei 12 V liegt.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Leistung des Resonanzwandlers auf die parallel geschalteten Tiefsetzsteller 6 aufgeteilt wird. Aus diesem Grund können diese mit Standardkomponenten, insbesondere passiven Bauelementen, realisiert werden. Beispielsweise können für einen 1,8 kW Resonanzwandler drei Tiefsetzsteller 6 in der niedervoltseitigen Schaltungsanordnung 4 enthalten sein, welche jeweils 600 W Leistung haben.
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Alternativ zu dem Resonanzwandler kann auch ein anderer Gleichspannungswandlertyp mit Potenzialtrennung verwendet werden, beispielsweise ein Gegentaktflusswandler.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass einzelne Tiefsetzsteller 6 durch die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42 individuell ein- bzw. ausgeschaltet werden. Hierdurch ist es beispielsweise für kleine Ausgangsleistungen des Gleichspannungswandlers 1 möglich, den Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 1 weiter zu verbessern, indem nur die Anzahl Tiefsetzsteller eingeschaltet wird, welche den optimalen Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebene Ausgangsleistung liefert. Die restlichen Tiefsetzsteller bleiben dabei ausgeschaltet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In 2 umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 enthält einen ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 5 und einen zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 7. Diese sind beide als Resonanzwandler (LLC) ausgebildet, der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler als 1,2 kW Resonanzwandler, der andere als 600 W Resonanzwandler. Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler drei Tiefsetzsteller 6 mit jeweils 600 W. Die Resonanzwandler werden von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 mit dem gleichen im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Tiefsetzsteller 6 werden von einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 geregelt. Die Eingänge der beiden Resonanzwandler sind parallel geschaltet, so dass an beiden eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 anliegt. Diese wird von beiden Resonanzwandlern in eine mittlere Gleichspannung 31 umgesetzt, welche wiederum von den Tiefsetzstellern 6 in eine niedervoltseitige Gleichspannung 41 herabgesetzt wird. Auch die Ausgänge der Tiefsetzsteller 6 sind hierzu parallel geschaltet. Die Frequenz beider Resonanzwandler ist so gewählt, dass diese mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten. Die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42 ist dazu ausgebildet, die mittlere Gleichspannung 31 zu erfassen und die Tiefsetzsteller 6 so zu regeln, dass die niedervoltseitige Gleichspannung 41 auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Zu beachten ist, dass die Ausgänge der beiden Resonanzwandler nicht parallel verschaltet sind. Hierdurch lässt sich die Gesamtleistung des Gleichspannungswandlers 1 in Stufen von 600 W skalieren (600W, 1,2 kW und 1,8 kW), indem eine entsprechende Kombination aus Resonanzwandler und Tiefsetzsteller(n) 6 aus- bzw. eingeschaltet wird. Außerdem lässt sich durch Zu- bzw. Abschalten einzelner Stufen der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 1 verbessern. Geregelt wird dies durch die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 und die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42.
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Die Verschaltung der Resonanzwandler mit den Tiefsetzstellern 6 sowie die hier gewählte Ausführung der Stufen sind beispielhaft zu sehen. Gleiches gilt auch für die Leistungen der einzelnen Bauteile. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vielfältige Kombinationen aus einer Anzahl N1 von zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlern 7 und einer Anzahl N2 von Tiefsetzstellern 6 vor.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten möglichen Abwandlung der Erfindung.
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In 3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Gleichspannungswandler. Dieser umfasst eine hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 enthält eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8, wobei N2 ≥ 2 ist, und die niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält einen Resonanzwandler (LLC). Der Resonanzwandler wird von einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 werden von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 geregelt. An den Gleichspannungswandler 1 ist eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 angelegt, welche von den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 in eine mittlere Gleichspannung 31 umgesetzt wird, welche wiederum vom Resonanzwandler in eine niedervoltseitige Gleichspannung 41 umgesetzt wird. Der Resonanzwandler wird mit einer Ausgangsleistung POUT betrieben und die Hochsetz-Tiefsetz-Steller jeweils mit einer Leistung PB, wobei PB = POUT/N2 gilt.
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Der Resonanzwandler wird mit einer festen Frequenz betrieben, d.h. er ist auf einen festen Arbeitspunkt mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung eingestellt. Die Frequenz ist so gewählt, dass der Resonanzwandler mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet. Die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, die hochvoltseitige Gleichspannung 21 und/oder die niedervoltseitige Gleichspannung 41 zu erfassen und die Hochsetz-Tiefsetz-Steller 6 so zu regeln, dass die mittlere Gleichspannung 41 auf einem konstanten Wert gehalten wird. Als Hochsetz-Tiefsetz-Steller kann hier und im Folgenden jeweils entweder ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller oder eine Hochsetz-Tiefsetz-Steller-Anordnung vorgesehen sein.
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Beispielsweise wird der Resonanzwandler mit einer festen/konstanten Frequenz von 250 kHz betrieben und mit einem im Wesentlichen festen (d.h. lastunabhängigen) Übertragungsverhältnis von 10. Diese Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 1 kann zum Beispiel dafür vorgesehen sein, eine Batterie mit 12 V aufzuladen. Dementsprechend wird die mittlere Gleichspannung 21 von der hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 durch Regelung der Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 auf 120 V gehalten. Liegt beispielsweise eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 von 200 V an, wird diese von den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 in eine mittlere Gleichspannung 31 von 120 V herabgesetzt, welche daraufhin vom Resonanzwandler auf die niedervoltseitige Gleichspannung 41 von 12 V umgesetzt wird. Bewegt sich die hochvoltseitige Gleichspannung 21 aufgrund von Schwankungen von diesem Betrag weg, werden die Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 entsprechend von der hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 nachgeregelt, so dass die niedervoltseitige Gleichspannung weiterhin bei 12 V liegt.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Leistung des Resonanzwandlers auf die parallel geschalteten Tiefsetzsteller 8 aufgeteilt wird. Aus diesem Grund können diese mit Standardkomponenten, insbesondere passiven Bauelementen, realisiert werden. Beispielsweise können für einen 1,8 kW Resonanzwandler drei Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 in der hochvoltseitigen Schaltungsanordnung 2 enthalten sein, welche jeweils 600 W Leistung haben.
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Alternativ zu dem Resonanzwandler kann auch ein anderer Gleichspannungswandlertyp mit Potenzialtrennung verwendet werden, beispielsweise ein Gegentaktflusswandler.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass einzelne Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 durch die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 individuell ein- bzw. ausgeschaltet werden. Hierdurch ist es beispielsweise für kleine Ausgangsleistungen des Gleichspannungswandlers 1 möglich, den Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 1 weiter zu verbessern, indem nur die Anzahl Hochsetz-Tiefsetz-Steller eingeschaltet wird, welche den optimalen Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebene Ausgangsleistung liefert. Die restlichen Hochsetz-Tiefsetz-Steller bleiben dabei ausgeschaltet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten möglichen Abwandlung der Erfindung.
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In 4 umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält einen ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 5 und einen zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 7. Diese sind beide als Resonanzwandler (LLC) ausgebildet, der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler als 1,2 kW Resonanzwandler, der andere als 600 W Resonanzwandler. Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler drei Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 mit jeweils 600 W. Die Resonanzwandler werden von einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 mit dem gleichen im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 werden von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 geregelt. Die Eingänge der Hochsetz-Tiefsetz-Steller sind parallel geschaltet, so dass an diesen eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 anliegt. Diese wird von den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern in eine mittlere Gleichspannung 31 umgesetzt, welche wiederum von den beiden Resonanzkonvertern in eine niedervoltseitige Gleichspannung 41 umgesetzt wird. Auch die Ausgänge der Resonanzkonverter sind hierzu parallel geschaltet. Die Frequenz beider Resonanzwandler ist so gewählt, dass diese mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten. Die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, die hochvoltseitige Gleichspannung 21 und/oder die niedervoltseitige Gleichspannung 41 zu erfassen und die Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 so zu regeln, dass die mittlere Gleichspannung 31 auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Zu beachten ist, dass die Eingänge der beiden Resonanzwandler nicht parallel verschaltet sind. Hierdurch lässt sich die Gesamtleistung des Gleichspannungswandlers 1 in Stufen von 600 W skalieren (600W, 1,2 kW und 1,8 kW), indem eine entsprechende Kombination aus Resonanzwandler und Hochsetz-Tiefsetz-Steller(n) 6 aus- bzw. eingeschaltet wird. Außerdem lässt sich durch Zu- bzw. Abschalten einzelner Stufen der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 1 verbessern. Geregelt wird dies durch die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 und die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42.
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Die Verschaltung der Resonanzwandler mit den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 sowie die hier gewählte Ausführung der Stufen sind beispielhaft zu sehen. Gleiches gilt auch für die Leistungen der einzelnen Bauteile. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vielfältige Kombinationen aus einer Anzahl N1 von zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlern 7 und einer Anzahl N2 von Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 vor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0090717 A1 [0004]
