DE102016004102A1

DE102016004102A1 - DC / DC converter

Info

Publication number: DE102016004102A1
Application number: DE102016004102.1A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; Moritz Haußmann; Jörg Weigold; Peter Wurster
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2016-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler (10), mit einem ersten Wandleranschluss (16) zum Anschließen an einen ersten Gleichspannungszwischenkreis (12) und einem zweiten Wandleranschluss (18) zum Anschließen an einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis (14), einer an den ersten Wandleranschluss (16) angeschlossenen ersten Schalteinheit (20) zum Erzeugen einer elektrischen Wechselspannung, einer einen ersten und einen zweiten Energiespeicheranschluss (24, 26) aufweisenden Energiespeichereinheit (28) und einer zweiten Schalteinheit (22) zum Bereitstellen einer Gleichspannung am zweiten Wandleranschluss (18), wobei der erste Energiespeicheranschluss (24) angeschlossen und der zweite Energiespeicheranschluss (26) mit dem zweitem Wandleranschluss (18) elektrisch gekoppelt ist und wobei die Energiespeichereinheit (28) zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicheranschluss (24, 26) eine energietechnische Kopplung und eine elektrische Isolation bereitstellt und drei in Reihe geschaltete elektrische Kondensatoren (C1, C2, C3) aufweist, wobei die hierdurch gebildete Reihenschaltung den ersten Energiespeicheranschluss (24) und zwei elektrische Verbindungen der in Reihe geschalteten elektrischen Kondensatoren (C1, C2, C3) den zweiten Energiespeicheranschluss (26) bereitstellen.The invention relates to a DC / DC converter (10) having a first converter terminal (16) for connection to a first DC intermediate circuit (12) and a second converter terminal (18) for connection to a second DC intermediate circuit (14), one to the first Converter terminal (16) connected to the first switching unit (20) for generating an electrical AC voltage, a first and a second energy storage terminal (24, 26) having energy storage unit (28) and a second switching unit (22) for providing a DC voltage at the second converter terminal (18) wherein the first energy storage connection (24) is connected and the second energy storage connection (26) is electrically coupled to the second converter connection (18) and wherein the energy storage unit (28) between the first and the second energy storage connection (24, 26) an energy technology coupling and a providing electrical insulation and scarfed three in series tete electrical capacitors (C1, C2, C3), wherein the series circuit formed thereby the first energy storage port (24) and two electrical connections of the series-connected electrical capacitors (C1, C2, C3) provide the second energy storage port (26).

Description

Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler zum energietechnischen Koppeln eines ersten und eines zweiten Gleichspannungszwischenkreises, mit einem ersten Wandleranschluss zum Anschließen an den ersten Gleichspannungszwischenkreis und einem zweiten Wandleranschluss zum Anschließen an den zweiten Gleichspannungszwischenkreis, einer an den ersten Wandleranschluss angeschlossenen ersten Schalteinheit zum Erzeugen einer elektrischen Wechselspannung aus der am ersten Wandleranschluss bereitgestellten Gleichspannung des ersten Gleichspannungszwischenkreises, einer einen ersten und einen zweiten Energiespeicheranschluss mit jeweils einem Paar von Anschlusskontakten aufweisenden Energiespeichereinheit und einer zweiten Schalteinheit zum Bereitstellen einer Gleichspannung am zweiten Wandleranschluss, wobei der erste Energiespeicheranschluss zum Beaufschlagen mit der elektrischen Wechselspannung an die Schalteinheit angeschlossen und der zweite Energiespeicheranschluss mit dem zweiten Wandleranschluss elektrisch gekoppelt ist und wobei die Energiespeichereinheit ausgebildet ist, zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicheranschluss eine energietechnische Kopplung und eine elektrische Isolation bereitzustellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum energietechnischen Koppeln eines ersten und eines zweiten Gleichspannungszwischenkreises, wobei mittels einer ersten Schalteinheit eine elektrische Wechselspannung aus einer elektrischen Gleichspannung des ersten Gleichspannungszwischenkreises erzeugt wird, wobei mit der Wechselspannung ein erster Energiespeicheranschluss einer Energiespeichereinheit beaufschlagt wird, wobei die Energiespeichereinheit zwischen dem ersten und einem zweiten Energiespeicheranschluss der Energiespeichereinheit eine energietechnische Kopplung und eine elektrische Isolation bereitstellt, wobei eine am zweiten Energiespeicheranschluss angeschlossene zweite Schalteinheit eine Gleichspannung am zweiten Gleichspannungszwischenkreis bereitstellt.The invention relates to a DC / DC converter for power-technically coupling a first and a second DC voltage intermediate circuit, with a first converter terminal for connection to the first DC voltage intermediate circuit and a second converter terminal for connection to the second DC voltage intermediate circuit, a first switching unit connected to the first converter terminal for generating an electrical AC voltage from the DC voltage of the first DC voltage intermediate circuit provided at the first converter terminal, a first energy storage unit having a pair of terminal contacts and a second switching unit for supplying a DC voltage to the second converter terminal, wherein the first energy storage terminal for applying the electrical AC voltage connected to the switching unit and the second energy storage connection with the second Wandleran is electrically coupled and wherein the energy storage unit is designed to provide between the first and the second energy storage connection a power engineering coupling and electrical insulation. Furthermore, the invention relates to a method for energy-related coupling of a first and a second DC voltage intermediate circuit, wherein by means of a first switching unit, an electrical AC voltage is generated from an electrical DC voltage of the first DC intermediate circuit, wherein the AC voltage, a first energy storage port of an energy storage unit is acted upon, wherein the energy storage unit between the first and a second energy storage connection of the energy storage unit provides an energy-related coupling and an electrical insulation, wherein a second switching unit connected to the second energy storage connection provides a DC voltage at the second DC voltage intermediate circuit.

DC/DC-Wandler und Verfahren der gattungsgemäßen Art sind dem Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür dem Grunde nach nicht bedarf. Sie dienen dazu, eine energietechnische Kopplung zwischen zwei elektrischen Gleichspannungszwischenkreisen zu realisieren. Die elektrische Kopplung kann zu diesem Zweck unidirektional sowie auch bidirektional ausgebildet sein. Elektrische Gleichspannungszwischenkreise sind ebenfalls vielfältig im Stand der Technik bekannt und dienen der energietechnischen Kopplung von an den jeweiligen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen elektrischen Funktionseinheiten. Die elektrischen Gleichspannungszwischenkreise dienen somit dem Austausch von elektrischer Energie zwischen den an ihnen angeschlossenen Funktionseinheiten. Eine Funktionseinheit kann neben einer Energiequelle wie einem elektrischen Generator, einer Brennstoffzelle, einem Windrad und/oder dergleichen auch eine Energiesenke sein wie beispielsweise ein elektrischer Verbraucher, eine elektrische Beleuchtung, eine elektrische Heizanlage, eine elektrisch betreibbare Klimaeinrichtung und/oder dergleichen. Eine Funktionseinheit kann auch sowohl die Funktion einer Energiesenke als auch die Funktion einer Energiequelle bereitstellen, beispielsweise einen elektrischer Energiespeicher nach Art eines Akkumulators und/oder dergleichen.DC / DC converters and methods of the generic type are widely known in the prior art, so that there is no need for a separate documentary evidence for this reason. They serve to realize an energy-technical coupling between two electrical DC voltage intermediate circuits. The electrical coupling can be designed for this purpose unidirectional as well as bidirectional. Electrical DC voltage intermediate circuits are also widely known in the prior art and serve the energy technology coupling of connected to the respective DC voltage intermediate electrical functional units. The electrical DC voltage intermediate circuits thus serve the exchange of electrical energy between the functional units connected to them. In addition to an energy source such as an electric generator, a fuel cell, a wind turbine and / or the like, a functional unit may also be an energy sink, such as an electrical load, electrical lighting, an electric heating system, an electrically operable air conditioning device and / or the like. A functional unit can also provide both the function of an energy sink and the function of an energy source, for example an electrical energy accumulator in the manner of a rechargeable battery and / or the like.

Energietechnisches Koppeln meint, dass elektrische Energie in vorgebbarer Weise vom ersten zum zweiten Gleichspannungszwischenkreis oder auch umgekehrt gewandelt werden kann. Zu diesem Zweck weist der DC/DC-Wandler zwei Wandleranschlüsse auf, die jeweils an einen der beiden Gleichspannungszwischenkreise anschließbar sind, um die elektrische Verbindung herzustellen.Energy-technical coupling means that electrical energy can be converted in a predeterminable manner from the first to the second DC voltage intermediate circuit or vice versa. For this purpose, the DC / DC converter has two converter connections, which can each be connected to one of the two DC voltage intermediate circuits in order to establish the electrical connection.

Gattungsgemäße DC/DC-Wandler weisen darüber hinaus eine am ersten Wandleranschluss angeschlossene erste Schalteinheit auf, die dem Erzeugen einer elektrischen Wechselspannung aus der am ersten Wandleranschluss bereitgestellten Gleichspannung des ersten Gleichspannungszwischenkreises dient. Die erste Schalteinheit kann beispielsweise durch eine Transistoreinheit gebildet sein, die im Schaltbetrieb betrieben wird. Die Schalteinheit kann darüber hinaus auch durch eine Halbbrücken- sowie eine Vollbrückenschaltung gebildet sein. Derartige Schaltungstoppologien sind im Stand der Technik bekannt, weshalb diesbezüglich hierauf nicht weiter eingegangen zu werden braucht.Generic DC / DC converters furthermore have a first switching unit connected to the first converter terminal, which serves to generate an electrical alternating voltage from the DC voltage of the first DC voltage intermediate circuit provided at the first converter terminal. The first switching unit may be formed, for example, by a transistor unit which is operated in the switching mode. The switching unit can also be formed by a half-bridge and a full bridge circuit beyond. Such circuit stoppers are known in the art, and therefore need not be discussed further in this respect.

Ferner weisen gattungsgemäße DC/DC-Wandler eine einen ersten und einen zweiten Energiespeicheranschluss aufweisende Energiespeichereinheit auf, die ausgebildet ist, neben einer Energiespeicherfunktion für einen bestimmungsgemäßen Wandlerbetrieb zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicheranschluss auch eine energietechnische Kopplung und eine elektrische Isolation bereitzustellen. Im Stand der Technik sind diese Energiespeichereinheiten in der Regel als Transformatoren ausgebildet, die die Energie in einem magnetischen Feld speichern und zwei voneinander galvanisch getrennte elektrische Wicklungen aufweisen, um den ersten und den zweiten Energiespeicheranschluss bereitstellen zu können. Der erste Energiespeicheranschluss ist dann an die Schalteinheit angeschlossen, damit der erste Energiespeicheranschluss mit der elektrischen Wechselspannung beaufschlagt werden kann. Der zweite Energiespeicheranschluss ist mit dem zweiten Wandleranschluss elektrisch gekoppelt.Furthermore, generic DC / DC converters have a first and a second energy storage connection having energy storage unit, which is designed to provide in addition to an energy storage function for a proper converter operation between the first and the second energy storage connection and a power engineering coupling and electrical isolation. In the prior art, these energy storage units are usually designed as transformers that store the energy in a magnetic field and two electrically isolated from each other electrical windings to provide the first and the second energy storage port can. The first energy storage connection is then connected to the switching unit, so that the first energy storage connection can be acted upon by the electrical AC voltage. The second energy storage connection is electrically coupled to the second converter connection.

Die Kopplung des zweiten Energiespeicheranschlusses erfolgt über die zweite Schalteinheit, die häufig durch eine Gleichrichteinheit, gelegentlich aber auch durch eine Schalteinheit nach Art der ersten Schalteinheit gebildet sein kann. Die zweite Schalteinheit dient dazu, den zweiten Wandleranschluss, der mit Gleichspannung beaufschlagt ist, an den zweiten Energiespeicheranschluss anzukoppeln, der in der Regel auch eine elektrische Wechselspannung bereitstellt. The coupling of the second energy storage connection via the second switching unit, which may often be formed by a rectifying unit, but occasionally by a switching unit in the manner of the first switching unit. The second switching unit serves to couple the second converter terminal, which is acted upon by DC voltage, to the second energy storage connection, which as a rule also provides an electrical alternating voltage.

Die Nutzung von Transformatoren in DC/DC-Wandlern, auch Spannungswandler, Converter oder dergleichen genannt, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten, ist im Stand der Technik üblich. Innerhalb des Energiespeichers erfolgt die Energieübertragung durch Nutzung eines magnetischen Wechselfeldes. Um den Transformator möglichst klein zu gestalten, wird eine Frequenz der elektrischen Wechselspannung möglichst hoch gewählt. Mit zunehmender Frequenz erhöhen sich jedoch bei Transformatoren neben den Magnetisierungsverlusten auch Verluste, die aufgrund des Skin-Effekts in den elektrischen Leitern von dessen Wicklungen entstehen. Um diesem Effekt zu begegnen, ist es zunehmend üblich, einen Leiter der Wicklung durch einen Litzenleiter zu ersetzen. Hierdurch entstehen erhöhte Kosten. Besonders bei DC/DC-Wandlern für große Leistungen, wie sie beispielsweise bei elektrischen Antrieben, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen wie Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder dergleichen, auftreten, erweist sich dies als nachteilig.The use of transformers in DC / DC converters, also called voltage converters, converters or the like, to ensure galvanic isolation is common in the art. Within the energy storage, the energy transfer takes place by using an alternating magnetic field. To make the transformer as small as possible, a frequency of the electrical AC voltage is selected as high as possible. With increasing frequency, however, in addition to the losses in magnetization losses also arise in transformers, which arise due to the skin effect in the electrical conductors of the windings. To counteract this effect, it is increasingly common to replace a conductor of the winding with a stranded conductor. This results in increased costs. Especially with DC / DC converters for high power, as they occur for example in electric drives, especially in electrically powered vehicles such as hybrid vehicles, electric vehicles or the like, this proves to be disadvantageous.

Aus der WO 2015/091590 A2 ist es bekannt, einen DC/DC-Wandler unter Nutzung eines Resonanzwandlerprinzips zu realisieren. Das Ziel dieses Stands der Technik ist, eine Spannungsvervielfachung bereitzustellen, wobei die galvanische Trennung zwischen den beiden Gleichspannungszwischenkreisen nicht gewährleistet ist und auch nicht vorgesehen zu werden braucht. Insofern ist diese Lehre bereits grundsätzlich für den vorgesehenen Einsatz nicht geeignet. Darüber hinaus werden auch hier zwingend elektrische Spulen benötigt, um zusammen mit elektrischen Kondensatoren Resonanzschwingungskreise ausbilden zu können.From the WO 2015/091590 A2 It is known to realize a DC / DC converter using a resonant converter principle. The aim of this prior art is to provide a voltage multiplication, wherein the electrical isolation between the two DC voltage intermediate circuits is not guaranteed and also need not be provided. In this respect, this teaching is basically not suitable for the intended use. In addition, electric coils are also required here in order to be able to form resonant circuits together with electrical capacitors.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen DC/DC-Wandler dahingehend weiterzubilden, dass er für den Einsatz bei sehr hohen Frequenzen verbessert ist.It is the object of the invention to develop a generic DC / DC converter to the effect that it is improved for use at very high frequencies.

Als Lösung wird mit der Erfindung ein DC/DC-Wandler gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.As a solution, the invention proposes a DC / DC converter according to the independent claims.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.Further advantageous embodiments will become apparent from the features of the dependent claims.

Wandlerseitig wird für einen gattungsgemäßen DC/DC-Wandler insbesondere vorgeschlagen, dass die Energiespeichereinheit drei elektrische Kondensatoren aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei Endkontakte der hierdurch gebildeten Reihenschaltung das Paar der Anschlusskontakte des ersten Energiespeicheranschlusses und ein Abgriff an einem inneren der in Reihe geschalteten elektrischen Kondensatoren das Paar der Anschlusskontakte des zweiten Energiespeicheranschlusses bereitstellen.Converter side is proposed in particular for a generic DC / DC converter, that the energy storage unit comprises three electrical capacitors, which are connected in series, wherein the end contacts of the series circuit formed thereby the pair of terminals of the first energy storage port and a tap on an inner of the series-connected electrical capacitors provide the pair of terminals of the second energy storage port.

Verfahrenseitig wird für ein gattungsgemäßes Verfahren insbesondere vorgeschlagen, dass der erste und der zweite Energiespeicheranschluss mittels einer drei in Reihe geschaltete elektrische Kondensatoren aufweisenden Energiespeichereinheit elektrisch gekoppelt werden, wobei Endkontakte der hierdurch gebildeten Reihenschaltung ein Paar von Anschlusskontakten des ersten Energiespeicheranschlusses und ein Abgriff an einem inneren der in Reihe geschalteten elektrischen Kondensatoren das Paar der Anschlusskontakte des zweiten Energiespeicheranschlusses bereitstellen.In terms of the method, it is proposed in particular for a generic method that the first and the second energy storage connection be electrically coupled by means of a three energy storage unit having electrical capacitors connected in series, wherein end contacts of the series circuit formed thereby comprise a pair of connection contacts of the first energy storage connection and a tap on an inner energy storage connection in series electrical capacitors provide the pair of terminals of the second energy storage port.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass eine galvanische Trennung auch möglich ist, wenn das Medium für die Energieübertragung vom magnetischen Wechselfeld zum elektrischen Feld, insbesondere Wechselfeld geändert wird. Das Grundprinzip basiert darauf, dass in einem elektrischen Feld eines ersten Kondensators ein zweiter Kondensator angeordnet wird, und zwar derart, dass die elektrischen Felder miteinander wechselwirken können. Durch diese Anordnung wird aus schaltungstechnischer Sicht eine Reihenschaltung aus drei Kondensatoren erzeugt. Eine an den ersten Kondensator angelegte elektrische Spannung führt zu einer elektrischen Spannung am zweiten Kondensator. Der erste Kondensator beziehungsweise die Reihenschaltung der Kondensatoren stellt somit eine Primärseite und der zweite Kondensator eine Sekundärseite bereit. Hierdurch wird bei der Erfindung die elektrische Energiespeichereinheit bereitgestellt.The invention makes use of the knowledge that galvanic isolation is also possible if the medium for the energy transfer from the alternating magnetic field to the electric field, in particular the alternating field, is changed. The basic principle is based on that a second capacitor is arranged in an electric field of a first capacitor, in such a way that the electric fields can interact with each other. By this arrangement, a series connection of three capacitors is generated from a circuit engineering point of view. An electrical voltage applied to the first capacitor leads to an electrical voltage at the second capacitor. The first capacitor or the series connection of the capacitors thus provides a primary side and the second capacitor provides a secondary side. As a result, the electrical energy storage unit is provided in the invention.

Durch das elektrische Feld wird auf die Elektroden des zweiten Kondensators eine elektrische Ladung influenziert und somit Energie übertragen. Wird der erste Kondensator mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt, so wird am zweiten Kondensator, der auch den inneren Kondensator der Reihenschaltung bildet, ebenfalls eine Wechselspannung erzeugt, die an der Sekundärseite des hierdurch gebildeten Energiespeichers verfügbar ist. Durch die am ersten Kondensator beziehungsweise an der Reihenschaltung anliegende Wechselspannung der ersten Schalteinheit kann ein Lade- und Entladestrom des zweien Kondensators hervorgerufen werden, wenn nämlich an der Sekundärseite ein Stromkreis geschlossen werden kann. Somit ist eine Leistungsübertragung von der Primärseite auf die Sekundärseite möglich.As a result of the electric field, an electrical charge is induced on the electrodes of the second capacitor and energy is thus transferred. If the first capacitor is subjected to an electrical alternating voltage, an alternating voltage is also generated at the second capacitor, which also forms the internal capacitor of the series connection, which is available at the secondary side of the energy accumulator formed thereby. By the voltage applied to the first capacitor or to the series circuit AC voltage of the first switching unit, a charging and discharging of the second capacitor can be caused, namely, when a circuit can be closed on the secondary side. Thus, one is Power transfer from the primary side to the secondary side possible.

Die Energiespeichereinheit ist also – im Unterschied zum Stand der Technik – durch eine Reihenschaltung von drei elektrischen Kondensatoren gebildet, wobei die hierdurch gebildete Reihenschaltung den ersten Energiespeicheranschluss und zwei elektrische Verbindungen der in Reihe geschalteten elektrischen Kondensatoren, das heißt, der zweite Kondensator beziehungsweise der innere Kondensator der Reihenschaltung, den zweiten Energiespeicheranschluss bereitstellen. Der erste Energiespeicheranschluss stellt somit die Primärseite bereit, wohingegen der zweite Energiespeicheranschluss die Sekundärseite bereitstellt. Ein Transformator kann hierdurch vollständig eingespart werden. Die galvanische Isolation zwischen der Primärseite und der Sekundärseite wird durch die in Reihe geschalteten Kondensatoren erreicht. Vorzugsweise weist jeder der beiden Energiespeicheranschlüsse ein Paar von Anschlusskontakten auf.The energy storage unit is thus - in contrast to the prior art - formed by a series circuit of three electrical capacitors, wherein the series circuit formed thereby the first energy storage port and two electrical connections of the series-connected electrical capacitors, that is, the second capacitor or the inner capacitor the series circuit, provide the second energy storage port. The first energy storage connection thus provides the primary side, whereas the second energy storage connection provides the secondary side. A transformer can thereby be completely saved. The galvanic isolation between the primary side and the secondary side is achieved by the series-connected capacitors. Each of the two energy storage connections preferably has a pair of connection contacts.

Dadurch, dass ausschließlich die Kondensatoren erforderlich sind, um die Energiespeichereinheit zu realisieren, kann eine besonders hohe Beanspruchbarkeit in Bezug auf hohe Frequenzen erreicht werden. Aufwendige Wickelkonstruktionen, wie sie bei Transformatoren erforderlich sind, können weitgehend vermieden werden. Darüber hinaus kann mit der Erfindung erreicht werden, dass Magnetisierungsverluste gänzlich vermieden werden können, weil das Konzept der Erfindung dem Grunde nach ohne eine elektrische Spule auskommt. Zugleich erlaubt es die Erfindung, eine galvanische Trennung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite zu gewährleisten.Characterized in that only the capacitors are required to realize the energy storage unit, a particularly high resistance to high frequencies can be achieved. Elaborate winding structures, such as those required for transformers, can be largely avoided. In addition, it can be achieved with the invention that magnetization losses can be completely avoided because the concept of the invention basically manages without an electric coil. At the same time, the invention makes it possible to ensure electrical isolation between the primary side and the secondary side.

Das Funktionsprinzip der Erfindung ermöglicht darüber hinaus ein besonders hohes Maß im Hinblick auf die elektrische Sicherheit, weil ein sehr fehlertolerantes System bereitgestellt werden kann. Tritt nämlich bei einem der beiden äußeren Kondensatoren der Reihenschaltung ein Isolationsfehler auf, kann immer noch ein zuverlässiger Betrieb des DC/DC-Wandlers gewährleistet werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, einen Notbetrieb oder dergleichen zu realisieren. Die durch das Konzept der Erfindung kapazitiv basierte galvanische Trennung bietet sich somit beim Einsatz von Spannungswandlern zum Zwecke der Energieübertragung an, die aufgrund ihrer Primärspannungslage erhöhte Sicherheitsanforderungen bezüglich der elektrischen Sicherheit erfordern. Zur Sicherheit vor einem elektrischen Schlag kann es gewünscht sein, dass ein einfacher Fehler noch nicht zu einem gefährlichen Zustand führt. Beispielsweise könnte ein Kurzschluss in den äußeren Kondensatoren ein Übersetzungsverhältnis so ändern, dass auf der Sekundärseite eine höhere Spannung als 60 V Gleichspannung anliegt. Um dies zu vermeiden, kann das Übersetzungsverhältnis zum Beispiel so gewählt werden, dass selbst bei einem Kurzschluss in einem der äußeren Kondensatoren die elektrische Spannung sekundärseitig immer noch unter der vorgenannten Spannungsgrenze bleibt. Insbesondere können die äußeren Kondensatoren der Reihenschaltung so ausgebildet sein, dass die Durchschlagswahrscheinlichkeit reduziert ist und selbst im Fehlerfall die Sekundärspannung immer noch unter 60 V bleibt. Durch eine geeignete Steuerung der ersten und/oder der zweiten Schalteinheit kann eine entsprechende Störung sekundärseitig erkannt und durch entsprechende Steuerungsmaßnahmen vermieden werden. Der Fehlerfall kann also erkannt werden, wobei er aber durch Veränderung der Steuerung nicht zum Ausfall der sekundärseitigen Spannungsversorgung zu führen braucht. Ist die erste Schalteinheit beispielsweise ein getakteter Energiewandler, kann durch Veränderung eines Schaltverhältnisses eine entsprechende Anpassung erreicht werden.The operating principle of the invention also allows a particularly high level of electrical safety, because a very fault tolerant system can be provided. If an insulation fault occurs in one of the two external capacitors of the series connection, reliable operation of the DC / DC converter can still be ensured. This can serve, for example, to realize an emergency operation or the like. The galvanic isolation based capacitively on the concept of the invention thus lends itself to the use of voltage transformers for the purpose of energy transmission, which require increased safety requirements with regard to electrical safety due to their primary voltage position. For safety against electric shock, it may be desired that a simple fault not yet result in a dangerous condition. For example, a short circuit in the outer capacitors could change a gear ratio such that a higher voltage than 60 V DC is applied to the secondary side. To avoid this, the transmission ratio can be selected, for example, so that even with a short circuit in one of the outer capacitors, the electrical voltage on the secondary side still remains below the aforementioned voltage limit. In particular, the external capacitors of the series connection can be designed such that the breakdown probability is reduced and even in the event of a fault the secondary voltage still remains below 60 V. By suitable control of the first and / or the second switching unit, a corresponding fault can be detected on the secondary side and avoided by appropriate control measures. The error case can therefore be detected, but it does not need to lead to failure of the secondary-side power supply by changing the controller. If the first switching unit is, for example, a clocked energy converter, a corresponding adaptation can be achieved by changing a switching ratio.

Die galvanische Trennung kann sowohl durch mehrere einzelne, in Reihe geschaltete Kondensatoren als auch durch einen Folienkondensator mit mehreren ineinander verschachtelten Folien oder dergleichen realisiert sein.The galvanic isolation can be realized both by a plurality of individual capacitors connected in series and by a film capacitor with a plurality of films nested in one another or the like.

Die für den erfindungsgemäßen DC/DC-Wandler angegebenen Vorteile ergeben sich gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren.The advantages stated for the DC / DC converter according to the invention are equally evident for the method according to the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 in einer schematischen Darstellung einen Aufbau einer Energiespeichereinheit basierend auf drei in Reihe geschalteten Kondensatoren zur Erläuterung des Funktionsprinzips, 1 a schematic representation of a structure of an energy storage unit based on three series-connected capacitors to explain the principle of operation,

2 eine schematische Darstellung eines vereinfachten Schaltbildes zur Realisierung eines DC/DC-Wandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Energiespeichereinheit gemäß 1, und 2 a schematic representation of a simplified circuit diagram for the realization of a DC / DC converter according to a first embodiment of the invention with an energy storage unit according to 1 , and

3 ein schematisches vereinfachtes Schaltbild, das einen Ausschnitt aus einem erfinderischen DC/DC-Wandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Bereich der Energiespeichereinheit zeigt. 3 a schematic simplified circuit diagram showing a section of a inventive DC / DC converter according to a second embodiment of the invention in the field of energy storage unit shows.

1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Energiespeichereinheit 28 gemäß der Erfindung, wobei die Darstellung in 1 derart stilisiert ist, dass die Funktion der Energiespeichereinheit 28 verdeutlicht ist. Aus 1 ist ersichtlich, dass die Energiespeichereinheit 28 drei Kondensatoren C₁, C₂, C₃ umfasst, die in Reihe geschaltet an eine nicht weiter dargestellte Spannungsquelle angeschlossen sind. Die an die Spannungsquelle angeschlossene Reihenschaltung aus den Kondensatoren C₁, C₂, C₃ bildet einen ersten Kondensator, der eine elektrische Kapazität aufweist, die durch die in Reihe geschalteten Einzelkapazitäten der Kondensatoren C₁, C₂, C₃ bestimmt ist. Endkontakte der Reihenschaltung stellen ein Paar von Anschlusskontakten eines ersten Energiespeicheranschluss 24 bereit. An diesen ist die Spannungsquelle angeschlossen. Die Kondensatoren C₁ und C₃ sind äußere Kondensatoren der Reihenschaltung. Der Kondensator C₂ ist ein innerer Kondensator der Reihenschaltung und stellt einen zweiten Kondensator bereit, der zugleich auch ein Paar von Anschlusskontakten eines zweiten Energiespeicheranschlusses 26 bereitstellt. Das Paar der Anschlusskontakte des zweiten Energiespeicheranschlusses 26 kann auch durch elektrische Verbindungen der in Reihe geschalteten Kondensatoren gebildet sein. 1 shows a schematic diagram of an energy storage unit 28 according to the invention, wherein the illustration in 1 is stylized so that the function of the energy storage unit 28 is clarified. Out 1 it can be seen that the energy storage unit 28 comprises three capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ , which are connected in series to a voltage source, not shown. The connected to the voltage source series circuit of the capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ forms a first capacitor having an electrical capacitance which is determined by the series-connected individual capacitances of the capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ . End contacts of the series connection provide a pair of terminals of a first energy storage port 24 ready. At this the voltage source is connected. The capacitors C ₁ and C ₃ are external capacitors of the series connection. The capacitor C ₂ is an internal capacitor of the series circuit and provides a second capacitor, which at the same time also a pair of terminal contacts of a second energy storage port 26 provides. The pair of connection contacts of the second energy storage connection 26 can also be formed by electrical connections of the series-connected capacitors.

Die Darstellung in 1 verdeutlicht das Funktionsprinzip der Energiespeichereinheit 28, die neben einer energietechnischen Kopplung auch eine elektrische Isolation bereitstellt. Die energietechnische Kopplung basiert hier auf der Nutzung des elektrischen Feldes. In der schematischen Darstellung in 1 sind die drei Kondensatoren C₁, C₂, C₃ durch Kondensatorplatten 38 bis 44 gebildet, die benachbart zueinander angeordnet sind und gegeneinander elektrisch isoliert angeordnet sind. Zwischen benachbarten der Kondensatorplatten 38 bis 44 bilden sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den ersten Energiespeicheranschluss 24 der Energiespeichereinheit 28 elektrische Felder aus, wie sie in 1 anhand der Pfeile zwischen den Kondensatorplatten 38 bis 44 dargestellt sind. Die Kondensatorplatten 38 und 44 stellen die äußeren Anschlüsse der Reihenschaltung der Kondensatoren C₁, C₂, C₃ dar. Die Kondensatorplatten 40 und 42 stellen dagegen den zweiten Energiespeicheranschluss 26 dar. Zugleich bilden diese beiden Kondensatorplatten 40, 42 jeweils eine elektrische Verbindung der in Reihe geschalteten elektrischen Kondensatoren C₁, C₂, C₃.The representation in 1 clarifies the functional principle of the energy storage unit 28 , which also provides an electrical isolation in addition to an energy technology coupling. The energy-technical coupling is based here on the use of the electric field. In the schematic representation in 1 are the three capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ by capacitor plates 38 to 44 formed, which are arranged adjacent to each other and are arranged electrically isolated from each other. Between adjacent capacitor plates 38 to 44 form upon application of an electrical voltage to the first energy storage connection 24 the energy storage unit 28 electric fields like those in 1 using the arrows between the capacitor plates 38 to 44 are shown. The capacitor plates 38 and 44 represent the outer terminals of the series connection of the capacitors C ₁ , C ₂ , C _3. The capacitor plates 40 and 42 on the other hand make the second energy storage connection 26 At the same time these two capacitor plates form 40 . 42 in each case an electrical connection of the electrical capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ connected in series.

Die energietechnische Kopplung erfolgt durch das elektrische Feld und elektrische Influenz, insbesondere in den Kondensatorplatten 40, 42. Dadurch entsteht am zweiten Energiespeicheranschluss 26 eine elektrische Spannung, die abhängig ist von der elektrischen Spannung am ersten Energiespeicheranschluss 24 sowie dem Abstand der Kondensatorplatten 38 bis 44 untereinander und deren Fläche.The power engineering coupling is done by the electric field and electrical influence, especially in the capacitor plates 40 . 42 , This results in the second energy storage connection 26 an electrical voltage which is dependent on the electrical voltage at the first energy storage connection 24 as well as the distance of the capacitor plates 38 to 44 with each other and their area.

Bei derartigen Energiespeichereinheiten ist es üblich, das Verhältnis der elektrischen Spannungen am ersten und am zweiten Energiespeicheranschluss 24, 26 durch ein Übersetzungsverhältnis zu bestimmen, welches im Stand der Technik häufig mit ü bezeichnet ist. Vorliegend ergibt sich das Übersetzungsverhältnis ü durch das Verhältnis der elektrischen Kapazität des Kondensators C₂ im Verhältnis zur Gesamtkapazität der in Reihe geschalteten Kondensatoren C₁, C₂, C₃. Bei einer induktiven Energiespeichereinheit in Form eines Transformators ist das Übersetzungsverhältnis ü dagegen bestimmt durch ein Wicklungszahlenverhältnis der Wicklungen, die den ersten und den zweiten Energiespeicheranschluss bereitstellen.In such energy storage units, it is customary, the ratio of the electrical voltages at the first and second energy storage connection 24 . 26 determined by a gear ratio, which is often referred to in the art with ü. In the present case, the transmission ratio u is given by the ratio of the electrical capacitance of the capacitor C ₂ in relation to the total capacitance of the series-connected capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ . In an inductive energy storage unit in the form of a transformer, however, the transmission ratio ü is determined by a winding number ratio of the windings that provide the first and second energy storage terminals.

2 zeigt in einer schematischen reduzierten Schaltbilddarstellung einen DC/DC-Wandler 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der eine Energiespeichereinheit 28 gemäß 1 umfasst. Der DC/DC-Wandler 10 dient zum energietechnischen Koppeln eines ersten und eines zweiten Gleichspannungszwischenkreises 12, 14, die hier lediglich mit U_Primär(HV) und U_{Sekundär(Iv)} gekennzeichnet sind. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Gleichspannungszwischenkreis 12 ein Hochvoltgleichspannungszwischenkreis ist, wie er üblicherweise bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen vorliegt. Der zweite Gleichspannungszwischenkreis 14 nutzt hingegen eine Kleinspannung, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug für die elektrische Energieversorgung von Kleinverbrauchern wie dem Autoradio, einer Kraftfahrzeuginnenbeleuchtung, einem Navigationsgerät und/oder dergleichen vorgesehen ist. Die Gleichspannung des ersten Gleichspannungszwischenkreises 12 kann beispielsweise mehr als etwa 300 V, vorzugsweise mehr als etwa 500 V, insbesondere etwa 800 V oder auch mehr betragen. Die Gleichspannung des zweiten Gleichspannungszwischenkreises 14 kann beispielsweise 12 V, 24 V, 48 V oder dergleichen betragen. Zum Anschließen an den ersten und den zweiten Gleichspannungszwischenkreis 12, 14 weist der DC/DC-Wandler 10 einen entsprechenden ersten und zweiten Wandleranschluss 16, 18 auf. 2 shows a schematic reduced circuit diagram representation of a DC / DC converter 10 according to a first embodiment of the invention, the energy storage unit 28 according to 1 includes. The DC / DC converter 10 serves for energy-technical coupling of a first and a second DC voltage intermediate circuit 12 . 14 , which are marked here only with U _{primary (HV)} and U _{secondary (Iv)} . In the present embodiment, it is provided that the first DC voltage intermediate circuit 12 is a high-voltage DC voltage intermediate circuit, as is usually the case with electrically powered vehicles. The second DC voltage intermediate circuit 14 In contrast, uses a low voltage, as provided for example in a motor vehicle for the electrical power supply of small consumers such as the car radio, a motor vehicle interior lighting, a navigation device and / or the like. The DC voltage of the first DC intermediate circuit 12 may for example be more than about 300 V, preferably more than about 500 V, in particular about 800 V or even more. The DC voltage of the second DC voltage intermediate circuit 14 For example, it may be 12V, 24V, 48V, or the like. For connection to the first and the second DC voltage intermediate circuit 12 . 14 indicates the DC / DC converter 10 a corresponding first and second converter terminal 16 . 18 on.

Der DC/DC-Wandler 10 umfasst ferner eine erste Schalteinheit 20, die vorliegend durch eine Vollbrückenschaltung aus vier entsprechend verschalteten Halbleiterschaltern gebildet ist, die mittels einer nicht weiter dargestellten Schalteinheitsteuerung im Schaltbetrieb betrieben werden, um eine elektrische Wechselspannung aus der am ersten Wandleranschluss 16 bereitgestellten Gleichspannung des ersten Gleichspannungszwischenkreises 12 zu erzeugen. Die Halbleiterschalter können Transistoren, insbesondere MOSFET's (Metal Oxyd Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT's (Isolated Gate Bipolar Transistor) oder dergleichen sein.The DC / DC converter 10 further comprises a first switching unit 20 , Which in the present case is formed by a full bridge circuit of four correspondingly interconnected semiconductor switches, which are operated by means of a switching unit control not shown in the switching mode to an electrical AC voltage from the first transformer connection 16 provided DC voltage of the first DC intermediate circuit 12 to create. The semiconductor switches may be transistors, in particular MOSFET's (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT's (Isolated Gate Bipolar Transistor) or the like.

Der DC/DC-Wandler 10 umfasst ferner eine einen ersten und einen zweiten Energiespeicheranschluss 24, 26 aufweisende Energiespeichereinheit 28, wie sie in 1 dargestellt und anhand dieser Figur erläutert ist. Der erste Energiespeicheranschluss 24 ist über eine elektrische Induktivität 30 an die erste Schalteinheit 20 angeschlossen. Vorliegend dient die elektrische Induktivität 30 dazu, einen Einschaltstrom der ersten Schalteinheit 20 zu begrenzen und zugleich einen Resonanzbetrieb zum Zwecke des Energiewandels zu ermöglichen. Für die Funktion der Erfindung ist diese Induktivität 30 jedoch nicht zwingend erforderlich. Dem Grunde nach kann die erste Schalteinheit auch ohne diese Induktivität 30 betrieben werden. Vorliegend jedoch bilden die Energiespeichereinheit 28 sowie die elektrische Induktivität 30 einen Serienschwingkreis, der in geeigneter Weise durch die erste Schalteinheit 20 angesteuert wird. Dadurch können insbesondere Schaltverluste reduziert werden, sodass ein besonders effizienter Wandlungsprozess erreicht werden kann.The DC / DC converter 10 further includes a first and a second energy storage port 24 . 26 having energy storage unit 28 as they are in 1 represented and explained with reference to this figure. The first energy storage connection 24 is via an electrical inductance 30 to the first switching unit 20 connected. In the present case, the electrical inductance is used 30 in addition, an inrush current of the first switching unit 20 to limit and at the same time to allow a resonance operation for the purpose of energy conversion. For the function of the invention, this inductance 30 but not mandatory. Basically, the first switching unit without this inductance 30 operate. In the present case, however, form the energy storage unit 28 as well as the electrical inductance 30 a series resonant circuit suitably through the first switching unit 20 is controlled. As a result, in particular switching losses can be reduced, so that a particularly efficient conversion process can be achieved.

Wie in 1 bereits dargestellt und erläutert, umfasst die Energiespeichereinheit 28 vorliegend drei elektrische Kondensatoren C₁, C₂, C₃, die in Reihe geschaltet sind. Die hierdurch gebildete Reihenschaltung stellt den ersten Energiespeicheranschluss 24 bereit. Zwei elektrische Verbindungen der in Reihe geschalteten elektrischen Kondensatoren C₁, C₂, C₃ untereinander stellen den zweiten Energiespeicheranschluss 26 bereit.As in 1 already illustrated and explained includes the energy storage unit 28 present three electrical capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ , which are connected in series. The series circuit formed thereby provides the first energy storage connection 24 ready. Two electrical connections of the series-connected electrical capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ with each other provide the second energy storage connection 26 ready.

Durch diese Verschaltung ist der erste Energiespeicheranschluss 24 mit der elektrischen Wechselspannung der ersten Schalteinheit 20 beaufschlagt. Aufgrund der Kopplung durch das elektrische Feld stellt sich entsprechend einem Übersetzungsverhältnis ü an dem zweiten Energiespeicheranschluss 26 eine entsprechende Wechselspannung ein. Am zweiten Energiespeicheranschluss 26 ist sodann eine weitere zweite Schalteinheit 22 angeschlossen, die vorliegend als Brückengleichrichter ausgebildet ist. An die zweite, als Brückengleichrichter betriebene Schalteinheit 22 ist ferner ein Tiefpass angeschlossen, der durch eine zweite Induktivität 34 sowie einen Glättungskondensator 36 gebildet ist. Am Glättungskondensator 36 stellt sich die Gleichspannung des zweiten Gleichspannungszwischenkreises 14 ein, die an dem zweiten Wandleranschluss 18 bereitgestellt wird, der am Glättungskondensator 36 angeschlossen ist.This interconnection is the first energy storage connection 24 with the electrical AC voltage of the first switching unit 20 applied. Due to the coupling by the electric field is corresponding to a transmission ratio ü at the second energy storage port 26 a corresponding AC voltage. At the second energy storage connection 26 is then another second switching unit 22 connected, which is presently designed as a bridge rectifier. To the second, operated as a bridge rectifier switching unit 22 Furthermore, a low pass is connected by a second inductance 34 and a smoothing capacitor 36 is formed. At the smoothing capacitor 36 is the DC voltage of the second DC voltage intermediate circuit 14 at the second converter terminal 18 is provided on the smoothing capacitor 36 connected.

Bezüglich der Auslegung der Schaltung gemäß 2 ist ergänzend anzuführen, dass es auf einfache Weise möglich ist, einen verbesserten Schutz in Bezug auf die elektrische Sicherheit zu erreichen. So kann erreicht werden, dass ein Einfachfehler für sich allein genommen noch nicht zu einem gefährlichen Zustand zu führen braucht. Bei der Schaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in 2 kann dies dadurch erreicht werden, dass bei einem Kurzschluss in einem der beiden äußeren Kondensatoren C₁, C₃ das Übersetzungsverhältnis ü so verändert wird, dass auf der Sekundärseite eine größere Spannung als eine Kleinspannung anliegt, das heißt, eine Spannung, die 60 V übersteigt. Dies kann dadurch vermieden werden, dass beispielsweise das Übersetzungsverhältnis ü so gewählt wird, dass selbst bei einem Kurzschluss in einem der Kondensatoren C₁ oder C₃ die Spannung am inneren Kondensator C₂ immer noch im Bereich der Kleinspannung liegt. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Kapazität des inneren Kondensators C₂ sowohl kleiner als die Kapazität des Kondensators C₁ als auch kleiner als die Kapazität des Kondensators C₃ gewählt wird. Darüber hinaus können die Kondensatoren C₁ und C₃ auch als eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren realisiert sein, wodurch die Durchschlagswahrscheinlichkeit deutlich reduziert werden kann und selbst in einem Fehlerfall – wie zuvor erläutert – die Gleichspannung auf der Sekundärseite immer noch kleiner als 60 V bleiben kann. Ferner kann eine entsprechende Steuerung der ersten Schalteinheit 20 vorgesehen sein, sodass bei Detektion einer zu hohen Gleichspannung am Wandleranschluss 18 durch Ändern eines Schaltmusters der ersten Schalteinheit 20 einer solchen Spannung entgegengewirkt werden kann. Dadurch kann ein solcher Fehler erkannt werden, zugleich kann aber auch durch den vorgenannten Eingriff ein weiterer Betrieb des zweiten Gleichspannungszwischenkreises 14 gewährleistet werden.With regard to the design of the circuit according to 2 It should be added that it is easily possible to achieve improved protection in terms of electrical safety. Thus, it can be achieved that a single error alone does not need to lead to a dangerous state. In the circuit according to the first embodiment in 2 This can be achieved in that, in the case of a short circuit in one of the two external capacitors C ₁ , C _3, the transmission ratio u is changed such that a greater voltage than a low voltage is applied to the secondary side, that is to say a voltage which exceeds 60V , This can be avoided by, for example, selecting the transmission ratio u such that even with a short circuit in one of the capacitors C ₁ or C _3, the voltage at the inner capacitor C ₂ is still within the range of the low voltage. This can be achieved, for example, by selecting the capacitance of the inner capacitor C ₂ both smaller than the capacitance of the capacitor C ₁ and smaller than the capacitance of the capacitor C ₃ . In addition, the capacitors C ₁ and C _{3 can} also be realized as a series circuit of two capacitors, whereby the breakdown probability can be significantly reduced and even in a fault - as explained above - the DC voltage on the secondary side can still remain less than 60V , Furthermore, a corresponding control of the first switching unit 20 be provided so that upon detection of a high DC voltage at the converter connection 18 by changing a switching pattern of the first switching unit 20 such a tension can be counteracted. As a result, such an error can be detected, but at the same time can also by the aforementioned intervention, a further operation of the second DC voltage intermediate circuit 14 be guaranteed.

Eine weitere Ausgestaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in einem vereinfachten Schaltbild gemäß 3 dargestellt. In der dort dargestellten Variante sind die zwei Schalteinheiten sowie die hiermit verbundenen weiteren Einheiten nicht weiter dargestellt. Vorliegend ist vorgesehen, dass die vereinfachte Schaltung gemäß 3 ferner mit Messeinheiten ist, wie im Folgenden noch erläutert, sodass die Funktion der Schaltung nach 3 überwacht werden kann, und zwar mit Anzeigeeinheiten 54, 56. Die Anzeigeeinheit 54 stellt die der Energiespeichereinheit 28 zugeführte elektrische Leistung sowie die von einem elektrischen Verbraucher 52 aufgenommene elektrische Leistung der am zweiten Energiespeicheranschluss 26 von der Energiespeichereinheit 28 abgegebenen elektrischen Leistung dar. Die zweite Anzeigeeinheit 56 stellt Größen bezüglich der von der Energiespeichereinheit 28 am zweiten Energiespeicheranschluss 26 abgegebenen elektrischen Größen dar, und zwar der Wirkleistung, der elektrischen Gleichspannung sowie dem elektrischen Gleichstrom.A further embodiment according to a second embodiment of the invention is shown schematically in a simplified circuit diagram according to 3 shown. In the variant shown there, the two switching units and the further units connected thereto are not shown further. In the present case it is provided that the simplified circuit according to 3 Furthermore, with measuring units, as explained below, so that the function of the circuit after 3 can be monitored, with display units 54 . 56 , The display unit 54 represents the energy storage unit 28 supplied electrical power as well as that of an electrical consumer 52 recorded electrical power of the second energy storage port 26 from the energy storage unit 28 output electric power. The second display unit 56 represents quantities relative to that of the energy storage unit 28 on the second Energy storage connection 26 delivered electrical variables, namely the active power, the DC electrical voltage and the DC electrical current.

Die Energiespeichereinheit 28 umfasst vorliegend wieder drei in Reihe geschaltete Kondensatoren C₁, C₂, C₃. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist hier jedoch vorgesehen, dass der Kondensator C₂ über einen Brückengleichrichter 32 in der Reihenschaltung zwischengeschaltet ist. Obwohl in der Reihenschaltung nunmehr der Brückengleichrichter 32 enthalten ist, kann trotzdem die vorgesehene Funktion der Energiespeichereinheit 28 realisiert werden. Dies basiert darauf, dass der Brückengleichrichter 32 weiterhin einen bidirektionalen Stromfluss ermöglicht, sodass die Beaufschlagung des ersten Energiespeicheranschlusses 24 mit einer elektrischen Wechselspannung aufgrund einer Wechselspannungsquelle 38, wie zuvor erläutert, betrieben werden kann. Mit einer Einweggleichrichtung wäre diese Funktion so nicht realisierbar. Das Übersetzungsverhältnis ü bestimmt sich somit wieder, wie es bereits zur 1 erläutert worden ist.The energy storage unit 28 in the present case again comprises three capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ connected in series. In contrast to the first embodiment according to 2 However, it is provided here that the capacitor C ₂ via a bridge rectifier 32 is interposed in the series circuit. Although in the series circuit now the bridge rectifier 32 is still included, the intended function of the energy storage unit 28 will be realized. This is based on the fact that the bridge rectifier 32 Furthermore, allows a bidirectional current flow, so that the admission of the first energy storage connection 24 with an alternating electrical voltage due to an alternating voltage source 38 , as explained above, can be operated. With a half-wave rectification this function would not be feasible. The transmission ratio ü thus determined again, as it was already for 1 has been explained.

Mit einer Spannungsmesseinheit 40 wird die elektrische Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 38 erfasst. Darüber hinaus wird auch der dem ersten Energiespeicheranschluss 24 zugeführte elektrische Wechselstrom mittels eines Wechselstromsensors erfasst. Diese beiden Signale werden einer Multiplizierereinheit 44 zugeführt, die als Ergebnis die elektrische Leistung ermittelt und ein entsprechendes Signal an die Anzeigeeinheit 54 übermittelt. Damit kann mittels der Anzeigeeinheit 54 die der Energiespeichereinheit 28 zugeführte elektrische Leistung erfasst werden. An der Sekundärseite ist der zweite Energiespeicheranschluss 26 an den elektrischen Verbraucher 52 angeschlossen. Ein Spannungsmesssensor 46 erfasst die am Verbraucher 52 anliegende elektrische Gleichspannung. Mittels eines Stromsensors 48 wird der elektrische Strom durch den elektrischen Verbraucher 52 erfasst. Die entsprechend erfassten elektrischen Größen werden der Anzeigeeinheit 56 zugeführt und können dort visuell ausgegeben werden. Darüber hinaus werden diese beiden Größen einer Multiplizierereinheit 50 zugeführt, die eine elektrische Leistung ermittelt und ein entsprechendes Leistungssignal an beide Anzeigeeinheiten 54, 56 übermittelt.With a voltage measuring unit 40 becomes the AC electrical voltage of the AC source 38 detected. In addition, also the first energy storage connection 24 supplied AC electrical current detected by means of an AC sensor. These two signals become a multiplier unit 44 supplied as a result, the electrical power detected and a corresponding signal to the display unit 54 transmitted. This can be done by means of the display unit 54 the energy storage unit 28 supplied electrical power to be detected. On the secondary side is the second energy storage connection 26 to the electrical consumer 52 connected. A voltage measuring sensor 46 captures the consumer 52 applied DC electrical voltage. By means of a current sensor 48 the electric current gets through the electrical load 52 detected. The correspondingly detected electrical variables become the display unit 56 fed and can be issued there visually. In addition, these two sizes become a multiplier unit 50 supplied, which determines an electrical power and a corresponding power signal to both display units 54 . 56 transmitted.

Durch das Übersetzungsverhältnis ü ergibt sich eine entsprechende Spannungswandlung mittels der Energiespeichereinheit 28.By the transmission ratio ü results in a corresponding voltage conversion by means of the energy storage unit 28 ,

Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Natürlich können Merkmale der Ausführungsbeispiele in nahezu beliebiger Weise herangezogen werden, um zu weiteren Ausgestaltungen gemäß der Erfindung gelangen zu können.The embodiments are only illustrative of the invention and are not limiting for these. Of course, features of the embodiments can be used in almost any way to get to further embodiments according to the invention can.

Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung bei DC/DC-Wandlern einsetzen, die für die Nutzung bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen vorgesehen sind. Dadurch, dass dem Grunde nach elektrische Induktivitäten nicht zwingend erforderlich sind (siehe 3), können somit die im Stand der Technik bei sehr hohen Frequenzen auftretenden Nachteile, insbesondere Verluste, weitgehend vermieden werden, denn eine entsprechende Ausgestaltung von Kondensatoren für den Einsatz bei sehr hohen Frequenzen ist mit einem deutlich geringeren Aufwand verbunden, als es ein vergleichbarer Transformator wäre. Dadurch kann nicht nur eine Reduzierung der Baugröße des DC/DC-Wandlers erreicht werden, sondern es kann auch ein Betrieb bei sehr hohen Frequenzen bei einem hohen Wirkungsgrad und geringen Kosten erreicht werden.Particularly advantageously, the invention can be used in DC / DC converters, which are intended for use in electrically powered vehicles. Because basically electrical inductances are not absolutely necessary (see 3 ), Thus, the disadvantages occurring in the prior art at very high frequencies, in particular losses, can be largely avoided because a corresponding design of capacitors for use at very high frequencies is associated with a much lower cost than it would be a comparable transformer , As a result, not only can a reduction in the size of the DC / DC converter be achieved, but also operation at very high frequencies can be achieved with high efficiency and low cost.

Darüber hinaus können für Vorrichtungsmerkmale auch entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.In addition, corresponding device features and vice versa can be provided for device features.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: DC/DC-WandlerDC / DC converter
1212: Erster GleichspannungszwischenkreisFirst DC voltage intermediate circuit
1414: Zweiter GleichspannungszwischenkreisSecond DC voltage intermediate circuit
1616: Erster WandleranschlussFirst converter connection
1818: Zweiter WandleranschlussSecond converter connection
2020: Erste SchalteinheitFirst switching unit
2222: Zweite SchalteinheitSecond switching unit
2424: Erster EnergiespeicheranschlussFirst energy storage connection
2626: Zweiter EnergiespeicheranschlussSecond energy storage connection
2828: EnergiespeichereinheitEnergy storage unit
3030: Induktivitätinductance
3232: BrückengleichrichterBridge rectifier
3434: Induktivitätinductance
3636: Glättungskondensatorsmoothing capacitor
3838: Kondensatorplattecapacitor plate
4040: Kondensatorplattecapacitor plate
4242: Kondensatorplattecapacitor plate
4444: Kondensatorplattecapacitor plate
4646: SpannungsmesssensorVoltage measuring sensor
4848: StrommesssensorCurrent measuring sensor
5050: Multipliziereinheitmultiplier
5252: elektrischer Verbraucherelectrical consumer
5454: Erste AnzeigeeinheitFirst display unit
5656: Zweite AnzeigeeinheitSecond display unit
C₁, C₂, C₃ C ₁ , C ₂ , C ₃: Kondensatorcapacitor
üü: Übersetzungsverhältnisratio

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2015/091590 A2 [0008]

Claims

DC / DC converter ( 10 ) for the energy-technical coupling of a first and a second DC voltage intermediate circuit ( 12 . 14 ), with a first converter connection ( 16 ) for connection to the first DC voltage intermediate circuit ( 12 ) and a second converter terminal ( 18 ) for connection to the second DC voltage intermediate circuit ( 14 ), one to the first converter terminal ( 16 ) connected first switching unit ( 20 ) for generating an alternating electrical voltage from the first converter terminal ( 16 ) provided DC voltage of the first DC intermediate circuit ( 12 ), a first and a second energy storage connection ( 24 . 26 ) each having a pair of terminals having energy storage unit ( 28 ) and a second switching unit ( 22 ) for providing a DC voltage at the second converter terminal ( 18 ), wherein the first energy storage connection ( 24 ) for applying the alternating electrical voltage to the first switching unit ( 20 ) and the second energy storage connection ( 26 ) with the second converter connection ( 18 ) and wherein the energy storage unit ( 28 ) is formed, between the first and the second energy storage connection ( 24 . 26 ) provide an energy-technical coupling and an electrical insulation, characterized in that the energy storage unit ( 28 ) has three electrical capacitors (C ₁ , C ₂ , C ₃ ) which are connected in series, wherein end contacts of the series circuit formed thereby the pair of connection contacts of the first energy storage terminal ( 24 ) and a tap on an inner (C ₂ ) of the series-connected electrical capacitors (C ₁ , C ₂ , C ₃ ) the pair of terminal contacts of the second energy storage terminal ( 26 ) provide.

DC / DC converter according to claim 1, characterized in that the three electrical capacitors (C ₁ , C ₂ , C ₃ ) are formed by a common electrical component, which the first and the second energy storage terminal ( 24 . 26 ).

DC / DC converter according to claim 1 or 2, characterized in that the two outer electrical capacitors (C ₁ , C ₃ ) of the series circuit have approximately an equal value in terms of their electrical capacitance.

DC / DC converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first switching unit ( 20 ) via an electrical inductance ( 30 ) to the first energy storage connection ( 24 ) connected.

DC / DC converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second switching unit ( 22 ) a bridge rectifier ( 32 ), wherein the second converter terminal ( 18 ) via the bridge rectifier ( 32 ) to the second energy storage connection ( 26 ) connected.

DC / DC converter according to claim 5, characterized in that the series connection the bridge rectifier ( 32 ) and the bridge rectifier ( 32 ) is connected between the outer capacitors (C ₁ , C ₃ ) of the series circuit and the inner capacitor (C ₂ ) of the series circuit.

DC / DC converter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second converter terminal ( 18 ) via a low-pass filter ( 34 . 36 ) with the second energy storage connection ( 26 ) is electrically coupled.

Method for the energy-technical coupling of a first and a second DC voltage intermediate circuit ( 12 . 14 ), wherein by means of a first switching unit ( 20 ) an electrical AC voltage from a DC electrical voltage of the first DC intermediate circuit ( 12 ) is generated, wherein with the AC voltage, a first energy storage terminal ( 24 ) an energy storage unit ( 28 ), wherein the energy storage unit ( 28 ) between the first and a second energy storage connection ( 24 . 26 ) of the energy storage unit ( 28 ) provides an energy-technical coupling and an electrical insulation, wherein one at the second energy storage connection ( 26 ) connected second switching unit ( 22 ) a DC voltage at the second DC voltage intermediate circuit ( 14 ), characterized in that the first and the second energy storage connection ( 24 . 26 ) by means of a three series-connected electrical capacitors (C ₁ , C ₂ , C ₃ ) having energy storage unit ( 28 ) are electrically coupled, wherein the end contacts of the series circuit formed thereby a pair of terminal contacts of the first energy storage terminal ( 24 ) and a tap on an inner (C ₂ ) of the series-connected electrical capacitors (C ₁ , C ₂ , C ₃ ) the pair of terminal contacts of the second energy storage terminal ( 26 ) provide.