DE102014210337A1 - DC-DC converters for electric and hybrid vehicles with multi-voltage levels - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einer hochvoltseitigen Schaltungsanordnung (2), welche dazu ausgelegt ist, eine hochvoltseitig anliegende Gleichspannung (21) in eine mittlere Gleichspannung (31) umzusetzen, und welche einen ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) aufweist, der die hochvoltseitige Gleichspannung (21) empfängt und in die mittlere Gleichspannung (31) umsetzt; mit einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung (22), welche dazu ausgebildet ist, den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) mit einem im Wesentlichen fest eingestellten Übertragungsverhältnis zu betreiben; mit einer ersten und einer zweiten niedervoltseitigen Schaltungsanordnung (4), welche dazu ausgelegt sind, die mittlere Gleichspannung (31) in eine konstante erste und eine konstante zweite niedervoltseitige Gleichspannung (41, 51) umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten ersten Tiefsetzstellern (6) und eine Anzahl N3 von parallel geschalteten zweiten Tiefsetzstellern (8) aufweist, die die mittlere Gleichspannung (31) empfangen und in die erste und zweite niedervoltseitige Gleichspannung (41, 51) herabsetzen; und mit einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung (42), welche dazu ausgebildet ist, die mittlere Gleichspannung (31) zu erfassen und die ersten und/oder zweiten Tiefsetzsteller (6, 8) so zu regeln, dass die erste und/oder zweite niedervoltseitige Gleichspannung (41, 51) auf einem konstanten Wert gehalten wird.The invention relates to a DC-DC converter having a high-voltage side circuit arrangement (2) which is designed to convert a high-voltage side DC voltage (21) into an average DC voltage (31), and which has a first potential-separating DC-DC converter (5) which supplies the high-voltage DC voltage ( 21) receives and converts into the mean DC voltage (31); with a high-voltage side control device (22), which is adapted to operate the first potential-separating DC-DC converter (5) with a substantially fixed transmission ratio; with a first and a second low-voltage side circuit arrangement (4) which are designed to convert the average DC voltage (31) into a constant first and a constant second low-voltage side DC voltage (41, 51) and which comprise a number N2 of parallel first step-down converters (6) and having a number N3 of second step-down converters (8) connected in parallel receiving and reducing the average DC voltage (31) to the first and second low-voltage DC voltages (41, 51); and with a low-voltage side control device (42) which is designed to detect the average DC voltage (31) and to regulate the first and / or second buck converters (6, 8) so that the first and / or second low-voltage DC voltage (41 , 51) is kept at a constant value.

Description

Die Erfindung betrifft einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit Leistungsskalierung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit einem Resonanzkonverter mit Potenzialtrennung zur Versorgung eines Zweispannungsbordnetzes.The invention relates to a two-stage DC-DC converter with power scaling. In particular, the invention relates to a two-stage DC-DC converter with a resonance converter with electrical isolation for supplying a two-voltage on-board network.

Stand der TechnikState of the art

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.Although the present invention and its underlying problem will be explained with reference to a two-stage DC-DC converter, in which a galvanic isolation is achieved by means of a resonant converter, it is also applicable to any other two-stage DC-DC converter, in which a galvanic isolation is provided.

Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen ist es unter anderem notwendig, Energie von einem Hochvoltnetz in ein Niedervoltnetz 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. 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.In electric and hybrid vehicles, it is necessary, among other things, to transfer energy from a high-voltage network into a low-voltage network. In this case, typically a DC-DC converter is used, by means of which, for example, from a high-voltage network (at several hundred volts) energy is fed into a low-voltage electrical system to charge a battery of the vehicle at 12 V or to feed low-voltage consumers. Both in the high-voltage network and in the low-voltage network, the voltages can fluctuate greatly, so that the DC-DC converter in typical applications must be designed to cover a wide range of voltages on the high-voltage side and / or on the low-voltage side. Depending on the field of application, galvanic isolation between the high and low-voltage side is required for the DC-DC converter, so that it is sometimes advantageous to design the DC-DC converter as a push-pull converter. Alternatively, this is for example also a resonant converter with electrical isolation.

Die Entwicklung moderner Hybridkonzepte stellt die Hersteller vor die besondere Herausforderung, die ständig wachsenden Leistungsanforderungen der im Fahrzeug verwendeten Verbraucher zu erfüllen. Als Gründe für den steigenden Leistungsbedarf sind beispielsweise zunehmende Komfortbedürfnisse auszumachen, als auch der generelle Trend, mechanische oder hydraulische Komponenten durch elektrische zu ersetzen. Insbesondere sehr stromintensive Verbraucher sind in dieser Beziehung problematisch, wie beispielsweise Heckscheibenheizungen oder Klimakompressoren. Hierzu verfolgte Lösungsansätze ergänzen beispielsweise Bordnetze mit nur einer Niederspannungsebene (z.B. 12 V) mit einer zweiten Niederspannungsebene (z.B. 48 V), welche speziell zur Versorgung der leistungsintensiven Verbraucher genutzt wird. Zur Übertragung von Energie vom Hochvoltnetz in dieses zweite Niedervoltnetz kommt beispielsweise ein separater Gleichspannungswandler zur Anwendung.The development of modern hybrid concepts presents manufacturers with the particular challenge of meeting the ever increasing performance requirements of consumers in the vehicle. The reasons for the increasing demand for power include, for example, increasing comfort requirements, as well as the general trend to replace mechanical or hydraulic components with electrical ones. In particular, very power-intensive consumers are problematic in this regard, such as rear window heaters or air conditioning compressors. For example, approaches to this include completing on-line systems with only one low voltage level (e.g., 12V) with a second low voltage level (e.g., 48V), which is specifically used to power the high-power loads. For example, a separate DC-DC converter is used for transmitting energy from the high-voltage network into this second low-voltage network.

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.The publication US 2011/0090717 A1 describes a two-stage bidirectional DC-DC converter, which inter alia includes a resonant converter, which is operated at a constant operating point. Furthermore, the resonance converter is switched to a bidirectional regulated DC-DC converter, which is operated in a first direction as a boost converter and in a second direction as a buck converter.

Für die Anwendung in modernen Hybridelektrofahrzeugen mit Zweispannungsbordnetzen 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. For use in modern hybrid electric vehicles with two-voltage on-board networks, however, requires a space-saving and simply designed and therefore cost DC-DC converter, which covers a wide voltage range and at the same time has no disadvantages in terms of efficiency.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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 ersten niedervoltseitigen Schaltungsanordnung, welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung in eine konstante erste niedervoltseitige Gleichspannung umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten ersten Tiefsetzstellern aufweist, die die mittlere Gleichspannung empfangen und in die erste niedervoltseitige Gleichspannung herabsetzen, wobei N2 ≥ 1 ist; mit einer zweiten niedervoltseitigen Schaltungsanordnung, welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung in eine konstante zweite niedervoltseitige Gleichspannung umzusetzen, und welche eine Anzahl N3 von parallel geschalteten zweiten Tiefsetzstellern aufweist, die die mittlere Gleichspannung empfangen und in die zweite niedervoltseitige Gleichspannung herabsetzen, wobei N3 ≥ 1 ist; und mit einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die mittlere Gleichspannung zu erfassen und die ersten Tiefsetzsteller so zu regeln, dass die erste niedervoltseitige Gleichspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird, und/oder die zweiten Tiefsetzsteller so zu regeln, dass die zweite niedervoltseitige Gleichspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird.The present invention provides a DC-DC converter having a high-voltage side circuit arrangement which is designed to convert a high-voltage side applied DC voltage into a mean DC voltage, and which has a first potential-separating DC-DC converter, which receives the high-voltage DC voltage and converts it into the average DC voltage; with a high-voltage side control device, which is designed to operate the first potential-separating DC-DC converter with a substantially fixed transmission ratio; with a first low-voltage side circuit arrangement, which is designed to convert the average DC voltage into a constant first low-voltage DC voltage, and which has a number N 2 of parallel-connected first buck-boosters receiving the average DC voltage and reducing it to the first low-voltage DC voltage, wherein N 2 ≥ 1; with a second low-voltage side circuit arrangement which is designed to convert the average DC voltage into a constant second low-voltage side DC voltage, and which has a number N 3 of parallel second step-down converters which receive the average DC voltage and reduce it to the second low-voltage side DC voltage, wherein N 3 ≥ 1; and with a low-voltage side control device, which is adapted to detect the average DC voltage and the first step-down converter so that the first low-voltage DC voltage is kept at a constant value, and / or the second buck converter so that the second low-voltage side DC voltage is kept at a constant value.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen einzelnen Gleichspannungswandler zur Versorgung zweier unterschiedlicher niedervoltseitiger Spannungsebenen 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 für jede der beiden niedervoltseitigen Spannungsebenen jeweils einen oder mehrere Tiefsetzsteller bzw. Parallelschaltungen aus Tiefsetzstellern enthält, die geregelt betrieben werden.It is an idea of the present invention to provide a single DC-DC converter for supplying two different low-voltage side voltage levels, which in a first stage includes a potential-separating DC-DC converter, which is operated with a substantially fixed transmission ratio and optimized in terms of efficiency, and which in one second stage for each of the two low-voltage side voltage levels in each case one or more buck converter or parallel circuits of Tiefsetzstellern contains that are operated in a regulated manner.

Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die durch den Gleichspannungswandler aufgenommene Leistung auf die jeweils 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. Darüber hinaus stellt die erfindungsgemäße Lösung vorteilhafterweise einen einzelnen Gleichspannungswandler bereit, der gleichzeitig beide niedervoltseitigen Spannungsebenen versorgen kann.A significant advantage of the solution according to the invention is that the power consumed by the DC-DC converter power is distributed to the respective step-down converter connected in parallel. For this reason, these can be realized with standard components, in particular passive components. This results in the considerable advantage that the DC-DC converter can be designed to save space and cost. In addition, the solution according to the invention advantageously provides a single DC-DC converter, which can simultaneously supply both low-voltage side voltage levels.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich durch die zweistufige Ausführung. Die Tiefsetzsteller der beiden niedervoltseitigen Schaltungsanordnungen 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 beiden niedervoltseitigen Schaltungsanordnungen 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 beiden niedervoltseitigen Ausgangsspannungen auf einem konstanten Wert gehalten werden können. Another advantage of the solution according to the invention results from the two-stage design. The buck converters of the two low-voltage side circuit arrangements are operated in a regulated manner, while the potential-separating DC-DC converter of the high-voltage side circuit arrangement is operated at a fixed frequency at an operating point having a substantially fixed transmission ratio. The high-voltage side circuit arrangement can thus be optimized by choosing the frequency or the operating point in terms of efficiency. At the same time, by controlling the two low-voltage side circuit arrangements, it is possible to cover a wide input voltage range for the DC-DC converter. In the event that the high-voltage side DC voltage fluctuates, this can be compensated by an appropriate regulation of the buck converter, so that the two low-voltage side output voltages can be kept at a constant value.

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.In resonant converters, the transmission ratio is not only dependent on the frequency, but there is also a load dependency, i. If the load changes at a constant frequency, the transmission ratio may change in this case as well. For this reason, the resonant converter is operated at an operating point which has only a very low load dependency. The frequency is set to a fixed value, so that the resonant converter is thus set to a "target transmission ratio" which remains substantially fixed even with the inclusion of a load.

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 des Resonanzwandlers vorliegt. Die Frequenz wird dabei hinsichtlich des optimalen Wirkungsgrads eingestellt.According to a preferred development, the first DC-DC converter can be designed as a resonant converter. A resonant converter is a possible advantageous embodiment of a DC-DC converter with galvanic isolation. The resonant converter is operated in this case at a fixed frequency, so that there is a substantially fixed transmission ratio between the input and output voltage of the resonant converter. The frequency is set with regard to the optimum efficiency.

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. Alternatively, the first DC-DC converter according to a preferred embodiment may be formed as push-pull flow converter. A push-pull type flux converter is another advantageous way of designing a potential-separating DC-DC converter which is also operable with a substantially fixed transmission ratio to achieve optimum efficiency.

Vorzugsweise können die ersten und/oder zweiten 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 erster und/oder zweiter Tiefsetzsteller eingeschaltet werden, welche den optimalen Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebenen Ausgangsleistungen liefert. Die restlichen Tiefsetzsteller bleiben dabei jeweils ausgeschaltet. Preferably, the first and / or second buck converter can be individually switched on and off. This has the advantage that the efficiency can be further improved, for example, at low output powers of the DC-DC converter. The efficiency of a buck converter is a non-constant function of the buck converter performance. In particular, there is typically a maximum in efficiency for a given power. In this development, therefore, only the number of first and / or second buck converter can be turned on, which provides the optimum efficiency of the DC-DC converter for the given output power. The remaining buck converters remain switched off.

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.According to a further preferred development, the high-voltage side circuit arrangement may comprise a number N 1 of second potential-separating DC-DC converter. The inputs of the respective potential-separating DC-DC converter can be connected in parallel with the input of the first potential-separating DC-DC converter so as to receive the high-voltage-side DC voltage and convert it into the mean DC voltage. Here, N 1 ≥ 1. Furthermore, the high-voltage side control device may be configured to operate the second potential-separating DC-DC converter with the same transmission ratio as the first potential-separating DC-DC converter. With this training, you can get the desired Divide the total power of the DC-DC converter to several potential-separating DC voltage converter smaller power, which are then advantageously correspondingly easier to carry out.

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. According to a preferred development, the second DC-DC converter can also be designed as a resonant converter. Alternatively, the second DC-DC converter can preferably also be designed as push-pull flow converter. For both converter types, this results in similar advantages as for the first DC-DC converter.

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. According to a preferred development, the second potential-separating DC-DC converter can be individually switched on and off. As a result of this further development, the DC-DC converter can advantageously be operated in a power-scaled fashion, in that, for example, only a portion of the second potential-separating DC-DC converter is switched on in accordance with the desired output power. Accordingly, only a portion of the buck converter is turned on in this case.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the figures.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und 1 a schematic representation of an exemplary DC-DC converter according to a first embodiment of the invention; and

2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 2 a schematic representation of an exemplary DC-DC converter according to a second embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 1 shows a schematic representation of an exemplary DC-DC converter according to a first embodiment of the invention.

In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Gleichspannungswandler. Dieser umfasst eine hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2, eine erste niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 und eine zweite niedervoltseitige Schaltungsanordnung 8. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 enthält einen Resonanzwandler (LLC), die erste niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält eine Anzahl N2 von parallel geschalteten ersten Tiefsetzstellern 6, wobei N2 ≥ 1 ist, und die zweite niedervoltseitige Schaltungsanordnung 8 enthält eine Anzahl N3 von parallel geschalteten zweiten Tiefsetzstellern 9, wobei N3 ≥ 1 ist. Der Resonanzwandler wird von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die ersten und zweiten Tiefsetzsteller 6, 9 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 ersten Tiefsetzstellern 6 in eine erste niedervoltseitige Gleichspannung 41 herabgesetzt wird und von den zweiten Tiefsetzstellern 9 in eine zweite niedervoltseitige Gleichspannung 81 herabgesetzt wird. Der Resonanzwandler wird mit einer Ausgangsleistung POUT betrieben, die ersten Tiefsetzsteller 6 jeweils mit einer Leistung PB1 und die zweiten Tiefsetzsteller 9 jeweils mit einer Leistung PB2, wobei POUT = N2·PB1 + N3·PB2 gilt.In 1 denotes the reference numeral 1 the DC-DC converter. This includes a high-voltage side circuit 2 , A first low-voltage side circuit arrangement 4 and a second low-voltage side circuit 8th , The high-voltage side circuit arrangement 2 includes a resonant converter (LLC), the first low-voltage side circuit 4 contains a number N 2 of parallel first buck-boosters 6 , where N 2 ≥ 1, and the second low-voltage side circuit 8th contains a number N 3 of second buck-boosters connected in parallel 9 where N 3 ≥ 1. The resonant converter is controlled by a high-voltage side control device 22 operated with a substantially fixed transmission ratio. The first and second buck converters 6 . 9 be from a low-voltage side control device 42 regulated. To the DC-DC converter 1 is a high-voltage DC voltage 21 applied, which from the resonant converter into a medium DC voltage 31 is implemented, which in turn of the first buck converters 6 in a first low-voltage DC voltage 41 and from the second buck converters 9 in a second low-voltage DC voltage 81 is lowered. The resonant converter is operated with an output power P OUT , the first buck converters 6 each with a power P B1 and the second buck converter 9 each with a power P B2 , where P OUT = N 2 * P B1 + N 3 * P B2 .

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 ersten Tiefsetzsteller 6 so zu regeln, dass die erste niedervoltseitige Gleichspannung 41 auf einem konstanten Wert gehalten wird, bzw. die zweiten Tiefsetzsteller 9 so zu regeln, dass die zweite niedervoltseitige Gleichspannung 81 auf einem konstanten Wert gehalten wird. The resonant converter is operated at a fixed frequency, ie it is set to a fixed operating point with a substantially fixed transmission ratio between input and output voltage. The frequency is chosen so that the resonant converter works with optimum efficiency. The low-voltage side control device 42 is designed to be the average DC voltage 31 to capture and the first buck converter 6 to regulate so that the first low-voltage DC voltage 41 is kept at a constant value, or the second buck converter 9 to regulate so that the second low-voltage DC voltage 81 is kept at a constant value.

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, einen ersten Verbraucher mit 12 V zu betreiben und gleichzeitig einen zweiten Verbraucher mit 48 V zu betreiben. Dementsprechend wird die erste niedervoltseitige Gleichspannung 41 von der niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 durch Regelung der ersten Tiefsetzsteller 6 auf 12 V gehalten, während die zweite niedervoltseitige Gleichspannung 81 von der niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 durch Regelung der zweiten Tiefsetzsteller 9 auf 48 V gehalten wird. Liegt beispielsweise eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 von 500 V an, wird diese vom Resonanzwandler in eine mittlere Gleichspannung 31 von 50 V umgesetzt, welche daraufhin von den ersten Tiefsetzstellern 6 auf die erste niedervoltseitige Gleichspannung 41 von 12 V herabgesetzt wird und entsprechend von den zweiten Tiefsetzstellern 9 auf die zweite niedervoltseitige Gleichspannung 81 von 48 V herabgesetzt wird. Bewegt sich die hochvoltseitige Gleichspannung 21 aufgrund von Schwankungen von diesem Betrag weg, werden die ersten bzw. zweiten Tiefsetzsteller 6, 9 entsprechend von der niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 nachgeregelt, so dass die erste niedervoltseitige Gleichspannung 41 weiterhin bei 12 V liegt und die zweite niedervoltseitige Gleichspannung 81 weiterhin bei 48 V liegt. For example, the resonant converter is operated at a fixed / constant frequency of 250 kHz and with a substantially fixed (ie load-independent) transmission ratio of 10 , This embodiment of the DC-DC converter 1 For example, it may be intended to operate a first 12 V consumer while operating a second 48 V consumer. Accordingly, the first low-voltage side DC voltage 41 from the low-voltage side control device 42 by regulation of the first buck converter 6 held at 12 V, while the second low-voltage DC 81 from the low-voltage side control device 42 by regulation of the second buck converter 9 is kept at 48V. For example, is a high-voltage DC voltage 21 from 500 V, this is from the resonant converter in a medium DC voltage 31 implemented by 50 V, which thereupon by the first buck converters 6 to the first low-voltage DC voltage 41 is lowered by 12 V and accordingly by the second buck converters 9 to the second low-voltage DC voltage 81 from 48 V is lowered. Moves the high-voltage DC voltage 21 due to fluctuations away from this amount, the first and second buck converters become respectively 6 . 9 according to the low-voltage side control device 42 readjusted, so that the first low-voltage DC voltage 41 continues to be at 12 V and the second low-voltage DC voltage 81 continues to be at 48V.

Ein erheblicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Leistung des Resonanzwandlers jeweils auf die parallel geschalteten ersten bzw. zweiten Tiefsetzsteller 6, 9 aufgeteilt wird. Aus diesem Grund können diese mit Standardkomponenten, insbesondere passiven Bauelementen, realisiert werden. A significant advantage of this embodiment is that the power of the resonant converter in each case to the parallel-connected first and second buck converter 6 . 9 is split. For this reason, these can be realized with standard components, in particular passive components.

Beispielsweise können für einen 1,8 kW Resonanzwandler drei erste Tiefsetzsteller 6 in der ersten niedervoltseitigen Schaltungsanordnung 4 enthalten sein, welche jeweils 600 W Leistung haben.For example, for a 1.8 kW resonant converter, three first buck converters 6 in the first low-voltage side circuit arrangement 4 be contained, which each have 600 W of power.

Alternativ zu dem Resonanzwandler kann auch ein anderer Gleichspannungswandlertyp mit Potenzialtrennung verwendet werden, beispielsweise ein Gegentaktflusswandler. As an alternative to the resonant converter, it is also possible to use another type of DC voltage converter with potential separation, for example a push-pull type flux converter.

Weiterhin ist vorgesehen, dass einzelne Tiefsetzsteller 6, 9 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.Furthermore, it is provided that individual buck converters 6 . 9 through the low-voltage side control device 42 individually switched on or off. This makes it, for example, for small output power of the DC-DC converter 1 possible, the efficiency of the DC-DC converter 1 To further improve by only the number of buck converter is turned on, which provides the optimum efficiency of the DC-DC converter for the given output power. The remaining buck converters remain switched off.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 2 shows a schematic representation of an exemplary DC-DC converter according to a second embodiment of the invention.

In 2 umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2, eine erste niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 und eine zweite niedervoltseitige Schaltungsanordnung 8. 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 jeweils drei erste und zweite Tiefsetzsteller 6, 9 mit jeweils 600 W. Die Resonanzwandler werden von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 mit dem gleichen im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Tiefsetzsteller 6, 9 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 ersten Tiefsetzstellern 6 in eine erste niedervoltseitige Gleichspannung 41 herabgesetzt wird und von den zweiten Tiefsetzstellern 9 in eine zweite niedervoltseitige Gleichspannung 81 herabgesetzt wird. Auch die Ausgänge der ersten bzw. zweiten Tiefsetzsteller 6, 9 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, 9 so zu regeln, dass die erste niedervoltseitige Gleichspannung 41 und die zweite niedervoltseitige Gleichspannung 81 jeweils auf einem konstanten Wert gehalten werden. In 2 includes the DC-DC converter 1 a high-voltage side circuit arrangement 2 , A first low-voltage side circuit arrangement 4 and a second low-voltage side circuit 8th , The high-voltage side circuit arrangement 2 contains a first potential-separating DC-DC converter 5 and a second potential-separating DC-DC converter 7 , These are both designed as a resonant converter (LLC), the first DC-DC converter as a 1.2 kW resonant converter, the other than 600 W resonant converter. Furthermore, the DC-DC converter each comprises three first and second buck converters 6 . 9 each with 600 W. The resonant converter are from a high-voltage side control device 22 operated with the same substantially fixed transmission ratio. The buck converters 6 . 9 be from a low-voltage side control device 42 regulated. The inputs of the two resonant converters are connected in parallel, so that both have a high-voltage DC voltage 21 is applied. This is from both resonant converters in a medium DC voltage 31 implemented, which in turn from the first buck converters 6 in a first low-voltage DC voltage 41 and from the second buck converters 9 in a second low-voltage DC voltage 81 is lowered. Also the outputs of the first and second buck converter 6 . 9 are connected in parallel. The frequency of both resonant converters is chosen so that they work with optimum efficiency. The low-voltage side control device 42 is designed to be the average DC voltage 31 to capture and the buck converters 6 . 9 to regulate so that the first low-voltage DC voltage 41 and the second low-voltage DC voltage 81 each be kept at a constant value.

Durch individuelles Einschalten bzw. Ausschalten der Resonanzwandler und der Tiefsetzsteller 6, 9 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, 9 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. By individually switching on or off the resonant converter and the buck converter 6 . 9 can be the overall performance of the DC-DC converter 1 scale in 600W increments (600W, 1.2kW and 1.8kW) using a combination of resonant converter and step down converter (s) 6 . 9 is switched off or on. In addition, by switching on or off individual stages of the efficiency of the DC-DC converter 1 improve. This is regulated by the high-voltage side control device 22 and the low-voltage side control device 42 ,

Die Verschaltung der Resonanzwandler mit den Tiefsetzstellern 6, 9 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, einer Anzahl N2 von ersten Tiefsetzstellern 6 und einer Anzahl N3 von zweiten Tiefsetzstellern 9 vor.The interconnection of the resonant converter with the buck converters 6 . 9 as well as the version of the steps chosen here are to be seen as an example. The same applies to the performance of the individual components. The solution according to the invention sees various combinations of a number N 1 of second potential-separating DC-DC converters 7 , a number N 2 of first buck converters 6 and a number N 3 of second buck converters 9 in front.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (8)

Gleichspannungswandler, mit: einer hochvoltseitigen Schaltungsanordnung (2), welche dazu ausgelegt ist, eine hochvoltseitig anliegende Gleichspannung (21) in eine mittlere Gleichspannung (31) umzusetzen, und welche einen ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) aufweist, der die hochvoltseitige Gleichspannung (21) empfängt und in die mittlere Gleichspannung (31) umsetzt; einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung (22), welche dazu ausgebildet ist, den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) mit einem im Wesentlichen fest eingestellten Übertragungsverhältnis zu betreiben; einer ersten niedervoltseitigen Schaltungsanordnung (4), welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung (31) in eine konstante erste niedervoltseitige Gleichspannung (41) umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten ersten Tiefsetzstellern (6) aufweist, die die mittlere Gleichspannung (31) empfangen und in die erste niedervoltseitige Gleichspannung (41) herabsetzen, wobei N2 ≥ 1 ist; einer zweiten niedervoltseitigen Schaltungsanordnung (8), welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung (31) in eine konstante zweite niedervoltseitige Gleichspannung (81) umzusetzen, und welche eine Anzahl N3 von parallel geschalteten zweiten Tiefsetzstellern (9) aufweist, die die mittlere Gleichspannung (31) empfangen und in die zweite niedervoltseitige Gleichspannung (81) herabsetzen, wobei N3 ≥ 1 ist; und einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung (42), welche dazu ausgebildet ist, die mittlere Gleichspannung (31) zu erfassen und die ersten Tiefsetzsteller (6) so zu regeln, dass die erste niedervoltseitige Gleichspannung (41) auf einem konstanten Wert gehalten wird, und/oder die zweiten Tiefsetzsteller (9) so zu regeln, dass die zweite niedervoltseitige Gleichspannung (81) auf einem konstanten Wert gehalten wird. DC-DC converter, comprising: a high-voltage side circuit arrangement ( 2 ), which is adapted to a high-voltage side applied DC voltage ( 21 ) into an average DC voltage ( 31 ), and which a first potential-separating DC-DC converter ( 5 ), which the high-voltage side DC voltage ( 21 ) and in the middle DC voltage ( 31 ) converts; a high-voltage side control device ( 22 ), which is adapted to the first potential-separating DC-DC converter ( 5 ) to operate with a substantially fixed transmission ratio; a first low-voltage side circuit arrangement ( 4 ), which is adapted to the average DC voltage ( 31 ) into a constant first low-voltage DC voltage ( 41 ), and which a number N 2 of parallel first buck-boosters ( 6 ), which the average DC voltage ( 31 ) and into the first low-voltage DC voltage ( 41 ), where N 2 ≥ 1; a second low-voltage side circuit arrangement ( 8th ), which is adapted to the average DC voltage ( 31 ) into a constant second low-voltage DC voltage ( 81 ) and a number N 3 of second buck-boosters connected in parallel ( 9 ), which the average DC voltage ( 31 ) and into the second low-voltage DC voltage ( 81 ), where N 3 ≥ 1; and a low-voltage side control device ( 42 ), which is adapted to the average DC voltage ( 31 ) and the first buck converters ( 6 ) so that the first low-voltage DC voltage ( 41 ) is kept at a constant value, and / or the second buck converters ( 9 ) so that the second low-voltage DC voltage ( 81 ) is kept at a constant value. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, wobei der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler (5) als Resonanzwandler ausgebildet ist.A DC-DC converter according to claim 1, wherein the first potential-separating DC-DC converter ( 5 ) is designed as a resonant converter. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, wobei der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler (5) als Gegentaktflusswandler ausgebildet ist.A DC-DC converter according to claim 1, wherein the first potential-separating DC-DC converter ( 5 ) is designed as push-pull flow converter. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Tiefsetzsteller (6) und/oder zweiten Tiefsetzsteller (9) individuell anschaltbar und ausschaltbar sind.DC-DC converter according to one of claims 1 to 3, wherein the first buck converters ( 6 ) and / or second buck converter ( 9 ) can be individually switched on and off. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die hochvoltseitige Schaltungsanordnung (2) eine Anzahl N1 zweiter potenzialtrennender Gleichspannungswandler (7) umfasst, deren Eingänge jeweils parallel zu dem Eingang des ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlers (5) geschaltet sind, um die hochvoltseitige Gleichspannung (21) zu empfangen und in die mittlere Gleichspannung (31) umzusetzen, wobei N1 ≥ 1 ist und die hochvoltseitige Regelvorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) mit demselben Übertragungsverhältnis wie den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) zu betreiben.DC-DC converter according to one of claims 1 to 4, wherein the high-voltage side circuit arrangement ( 2 ) a number N 1 of second potential-separating DC-DC converter ( 7 ) whose inputs are each parallel to the input of the first potential-separating DC-DC converter ( 5 ) are switched to the high-voltage side DC voltage ( 21 ) and in the middle DC voltage ( 31 ), where N 1 ≥ 1 and the high-voltage side control device ( 22 ) is adapted to the second potential-separating DC-DC converter ( 7 ) with the same transmission ratio as the first potential-separating DC-DC converter ( 5 ) to operate. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) als Resonanzwandler ausgebildet sind.A DC-DC converter according to claim 5, wherein the second potential-separating DC-DC converter ( 7 ) are designed as resonant converter. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) als Gegentaktflusswandler ausgebildet sind. A DC-DC converter according to claim 5, wherein the second potential-separating DC-DC converter ( 7 ) are designed as Gegentaktflusswandler. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) individuell anschaltbar und ausschaltbar sind.DC-DC converter according to one of claims 5 to 7, wherein the second potential-separating DC-DC converter ( 7 ) can be individually switched on and off.
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