DE102016013056A1

DE102016013056A1 - Galvanically isolated DC voltage conversion by means of different switching frequencies

Info

Publication number: DE102016013056A1
Application number: DE102016013056.3A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; Moritz Haußmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-05-18

Abstract

Die Erfindung betrifft Wechselrichtereinheit (10) zum Erzeugen einer primärseitigen Wechselspannung aus einer Gleichspannung für einen Gleichspannungswandler (5), mit – einem unteren Schalterelement (13) und einem oberen Schalterelement (14), sowie – einer Steuereinheit (16), die zum Ausgeben eines ersten Schaltsignals (40) zum Schalten des unteren Schalterelements (13) und zum Ausgeben eines zweiten Schaltsignals (41) zum Schalten des oberen Schalterelements (14) ausgebildet ist. Um eine glattere sekundärseitige Ausgangsspannung bei möglichst geringem Schaltungsaufwand zu erzeugen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Schaltfrequenz (F1) des ersten Schaltsignals (40) und eine zweite Schaltfrequenz (F2) des zweiten Schaltsignals (41) unterschiedlich sind.The invention relates to inverter unit (10) for generating a primary-side AC voltage from a DC voltage for a DC-DC converter (5), comprising - a lower switch element (13) and an upper switch element (14), and - a control unit (16) for outputting a first switching signal (40) for switching the lower switch element (13) and for outputting a second switching signal (41) for switching the upper switch element (14) is formed. In order to produce a smoother secondary-side output voltage with the lowest possible circuit complexity, it is provided according to the invention that a first switching frequency (F1) of the first switching signal (40) and a second switching frequency (F2) of the second switching signal (41) are different.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler zum galvanisch getrennten Transformieren einer Gleichspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.The invention relates to a DC-DC converter for galvanically separated transforming a DC voltage according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method according to the preamble of claim. 7

Zum Transformieren einer Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle sind aus dem Stand der Technik Gleichspannungswandler bekannt. Ein Gleichspannungswandler kann dazu ausgebildet sein, ein erstes Spannungsniveau, insbesondere die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle, auf einer Primärseite des Gleichspannungswandlers auf ein zweites Spannungsniveau auf der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers zu transformieren. Häufig ist neben der Transformation der Gleichspannung auch eine galvanische Trennung der Primärseite des Gleichspannungswandlers und der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers gewünscht. In diesem Fall ist keine direkte elektrische Verbindung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite des Spannungswandlers ausgebildet. Eine elektrische Leistung kann stattdessen beispielsweise über Koppelglieder, insbesondere eine Spule oder ein Kondensator, von der Primärseite auf die Sekundärseite des Gleichspannungswandlers übertragen werden.For the purpose of transforming a DC voltage of a DC voltage source, DC voltage converters are known from the prior art. A DC-DC converter can be designed to transform a first voltage level, in particular the DC voltage of the DC voltage source, on a primary side of the DC-DC converter to a second voltage level on the secondary side of the DC-DC converter. Often, in addition to the transformation of the DC voltage and a galvanic isolation of the primary side of the DC-DC converter and the secondary side of the DC-DC converter is desired. In this case, no direct electrical connection between the primary side and the secondary side of the voltage converter is formed. Instead, an electrical power can be transmitted from the primary side to the secondary side of the DC-DC converter, for example via coupling elements, in particular a coil or a capacitor.

Bevorzugt werden als Koppelglieder Spulen eingesetzt, insbesondere eine Primärspule und eine Sekundärspule, welche zusammen eine Transformatoreinheit bilden können, da diese gleichzeitig eine Transformation einer Wechselspannung und eine galvanische Trennung der Primärspule und der Sekundärspule ermöglichen. Da eine Kopplung der Primärspule und der Sekundärspule nur im Falle einer Wechselspannung in der Primärspule bereitgestellt ist, kann zunächst eine Wechselrichtung der Gleichspannung vorgesehen sein. Im Anschluss an die Transformation und die galvanische Trennung durch die Spule kann die sekundärseitige Wechselspannung wieder gleichgerichtet werden.Preferably, coils are used as coupling elements, in particular a primary coil and a secondary coil, which together can form a transformer unit, since these simultaneously enable a transformation of an alternating voltage and a galvanic isolation of the primary coil and the secondary coil. Since a coupling of the primary coil and the secondary coil is provided only in the case of an AC voltage in the primary coil, an AC direction of the DC voltage may initially be provided. Following the transformation and the galvanic isolation through the coil, the secondary-side AC voltage can be rectified again.

Demnach kann ein Gleichspannungswandler auf seiner Primärseite eine Wechselrichtereinheit zum Erzeugen einer primärseitigen Wechselspannung aus der Gleichspannung aufweisen. Die Transformatoreinheit kann zur Transformation der primärseitigen Wechselspannung in eine sekundärseitige Wechselspannung, insbesondere mittels Induktion, ausgebildet sein. Eine Gleichrichtereinheit auf der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers kann zum Gleichrichten der sekundärseitigen Wechselspannung ausgebildet sein.Accordingly, a DC-DC converter may have on its primary side an inverter unit for generating a primary-side AC voltage from the DC voltage. The transformer unit can be designed to transform the primary-side alternating voltage into a secondary-side alternating voltage, in particular by means of induction. A rectifier unit on the secondary side of the DC-DC converter can be designed to rectify the secondary-side AC voltage.

Die US 2014 020 46 16 A1 offenbart in diesem Kontext einen Gleichspannungswandler mit einer Primärseite und mit einer Sekundärseite, wobei sekundärseitig zumindest ein Paar an korrespondierenden Schaltern vorgesehen ist, wobei einer der Schalter sich im geöffneten Zustand befinden muss, wenn sich der korrespondierende Schalter im geschlossenen Zustand befindet.The US 2014 020 46 16 A1 discloses in this context a DC-DC converter having a primary side and a secondary side, wherein at least one pair of corresponding switches is provided on the secondary side, wherein one of the switches must be in the open state when the corresponding switch is in the closed state.

Der Stand der Technik besitzt den Nachteil, dass eine pulsierende Ausgangsspannung auf der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers erzeugt wird, die aufwendig gefiltert werden muss. Daraus kann ein hoher Schaltungsaufwand resultieren.The prior art has the disadvantage that a pulsating output voltage is generated on the secondary side of the DC-DC converter, which has to be filtered consuming. This can result in a high circuit complexity.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gegen über dem Stand der Technik glattere sekundärseitige Ausgangsspannung bei möglichst hohem Wirkungsgrad zu erzeugen.It is an object of the present invention to produce a smoother on the state of the art secondary output voltage at the highest possible efficiency.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Ausführungsformen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a DC-DC converter with the features of claim 1. The object is also achieved by a method having the features of claim 5. Advantageous embodiments with expedient developments are the subject of the dependent claims.

Um nun einen Gleichspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend weiterzuentwickeln, um eine glattere sekundärseitige Ausgangsspannung bei möglichst hohem Wirkungsgrad zu erzeugen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Schaltfrequenz des ersten Schaltsignals und eine zweite Schaltfrequenz des zweiten Schaltsignals unterschiedlich sind. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das untere Schalterelement mit dem ersten Schaltsignal mit einer ersten Schaltfrequenz zu schalten und das obere Schalterelement mittels eines zweiten Schaltsignals zu schalten, dessen zweite Schaltfrequenz sich von der ersten Schaltfrequenz unterscheidet. Vorzugsweise unterscheiden sich die erste Schaltfrequenz und die zweite Schaltfrequenz deutlich, beispielsweise um den Faktor 2, den Faktor 5, den Faktor 10, den Faktor 20, den Faktor 50 oder den Faktor 100. Die zweite Schaltfrequenz kann einem Vielfachen, insbesondere einem geradzahligen Vielfachen, der ersten Schaltfrequenz entsprechen, vorzugsweise jedoch entspricht die erste Schaltfrequenz einem Vielfachen, insbesondere einem geradzahligen Vielfachen, der zweiten Schaltfrequenz. Durch die von der ersten Schaltfrequenz unterschiedliche zweite Schaltfrequenz, kann auf besonders einfache Art und Weise eine besonders glatte sekundärseitige Ausgangsspannung in Verbindung mit einem hohen Wirkungsgrad erzielt werden.In order to further develop a DC-DC converter according to the preamble of patent claim 1 in order to produce a smoother secondary-side output voltage with the highest possible efficiency, the invention provides that a first switching frequency of the first switching signal and a second switching frequency of the second switching signal are different. In particular, the control unit is designed to switch the lower switching element with the first switching signal at a first switching frequency and to switch the upper switching element by means of a second switching signal whose second switching frequency differs from the first switching frequency. Preferably, the first switching frequency and the second switching frequency differ significantly, for example by a factor of 2, a factor of 5, a factor of 10, a factor of 20, a factor of 50 or a factor of 100. The second switching frequency may be a multiple, in particular an even multiple, However, the first switching frequency preferably corresponds to a multiple, in particular an even multiple, of the second switching frequency. Due to the different from the first switching frequency second switching frequency, a particularly smooth secondary-side output voltage can be achieved in conjunction with a high efficiency in a particularly simple manner.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. 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 a preferred embodiment and from the drawing. The The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of the invention to leave.

Dabei zeigen:Showing:

1 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Wechselrichters für einen Gleichspannungswandler mit unteren Schalterelementen und oberen Schalterelementen, 1 1 is a circuit diagram of an embodiment of an inverter for a DC-DC converter with lower switch elements and upper switch elements,

2 den Einfluss der ersten Schaltfrequenz und einer zweiten Schaltfrequenz auf eine Welligkeit eines Ausgangsstromes des Gleichspannungswandlers, 2 the influence of the first switching frequency and a second switching frequency on a ripple of an output current of the DC-DC converter,

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters 10 für einen Gleichspannungswandler 5, der neben dem Wechselrichter 10 eine Transformatoreinheit 20 und eine Gleichrichtereinheit 30 aufweist. Die Wechselrichtereinheit 10 ist vorliegend mit einer Gleichspannungsquelle 1 elektrisch verbunden und weist vorliegend zwei Teilbereiche 19 auf. Jeder der Teilbereiche 19 weist vorliegend ein erstes Paar aus einer ersten Diode 11 und einem ersten Schalterelement 13 sowie ein zweites Paar aus einer zweiten Diode 12 und einem zweiten Schalterelement 14 auf. Die unteren Dioden 11 und oberen Dioden 12 sind vorzugsweise als Halbleiter ausbildet und sind insbesondere als Freilaufdioden ausgebildet. Die unteren Schalterelemente 13 und die oberen Schalterelemente 14 können als Halbleiter, vorzugsweise als Transistoren, insbesondere als Feldeffekttransistoren, nochmals bevorzugt als Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor, ausgebildet sein. Insbesondere sind die Halbleiter, insbesondere die Schalterelemente 13, 14 und/oder die Dioden 11, 12, als Siliziumkarbid-Halbleiter oder Galliumnitrid-Halbleiter ausgebildet. Dadurch können Verluste reduziert und der Wirkungsgrad erhöht werden. Eine Ansteuerung der Schalterelemente 13, 14 ist vorliegend über eine Steuerseite 15, insbesondere eine Basis des Transistors, ermöglicht. 1 shows an embodiment of an inverter 10 for a DC-DC converter 5 , next to the inverter 10 a transformer unit 20 and a rectifier unit 30 having. The inverter unit 10 is present with a DC voltage source 1 electrically connected and in the present case has two subregions 19 on. Each of the sections 19 In this case, a first pair comprises a first diode 11 and a first switch element 13 and a second pair of a second diode 12 and a second switch element 14 on. The lower diodes 11 and upper diodes 12 are preferably formed as a semiconductor and are in particular designed as freewheeling diodes. The lower switch elements 13 and the upper switch elements 14 may be formed as semiconductors, preferably as transistors, in particular as field effect transistors, more preferably as metal oxide semiconductor field effect transistor. In particular, the semiconductors, in particular the switch elements 13 . 14 and / or the diodes 11 . 12 , formed as a silicon carbide semiconductor or gallium nitride semiconductor. As a result, losses can be reduced and the efficiency can be increased. A control of the switch elements 13 . 14 is present via a control page 15 , in particular a base of the transistor allows.

Jeder Teilbereich 19 des Wechselrichters 10 umfasst eine Steuereinheit 16. Alternativ kann auch eine einzelne Steuereinheit 16 für alle Teilbereich 19 vorgesehen sein. Jede der Steuereinheiten 16 umfasst einen ersten Signalgenerator 17 zum Ausgeben eines ersten Schaltsignals 40 sowie einen zweiten Signalgenerator 18 zum Ausgeben eines zweiten Schaltsignals 41. Der zweite Signalgenerator 18 ist zum Schalten des oberen Schalterelements 14 mittels des zweiten Schaltsignals 41 mit der Schaltseite 15 des oberen Schalterelements 15 elektrisch verbunden. Der erste Signalgenerator 17 kann zum Schalten des unteren Schalterelements 13 mittels des ersten Schaltsignals 40 mit der Steuerseite 15 des unteren Schalterelements 13 elektrisch verbunden sein.Each subarea 19 of the inverter 10 includes a control unit 16 , Alternatively, also a single control unit 16 for all subarea 19 be provided. Each of the control units 16 includes a first signal generator 17 for outputting a first switching signal 40 and a second signal generator 18 for outputting a second switching signal 41 , The second signal generator 18 is for switching the upper switch element 14 by means of the second switching signal 41 with the switch side 15 of the upper switch element 15 electrically connected. The first signal generator 17 can be used to switch the lower switch element 13 by means of the first switching signal 40 with the tax side 15 of the lower switch element 13 be electrically connected.

Der Wechselrichter 10 ist dazu ausgebildet, in einem Betrieb des Gleichspannungswandlers 5 durch Ansteuern der unteren Schalterelemente 13 sowie der oberen Schalterelemente 14 durch die Steuereinheit 16 eine primärseitige Wechselspannung durch die Primärspule 21 zu erzeugen. Insbesondere werden die unteren Schalterelemente 13 sowie der oberen Schalterelemente 14 dazu nacheinander leitend und nicht leitenden geschaltet beziehungsweise durch das erste Schaltsignal 40 beziehungsweise das zweite Schaltsignal 41 zwischen einem leitenden und einem nicht leitenden Zustand kommandiert.The inverter 10 is designed to operate in a DC-DC converter 5 by driving the lower switch elements 13 and the upper switch elements 14 through the control unit 16 a primary-side AC voltage through the primary coil 21 to create. In particular, the lower switch elements 13 and the upper switch elements 14 to successively conductive and non-conductive switched or by the first switching signal 40 or the second switching signal 41 commanded between a conducting and a non-conducting state.

Durch eine Steuerung von Und- und Oder-Gattern wie in 1 dargestellt wird beispielhaft in der Ansteuerung der einzelnen Schalterelemente vermieden, dass sich trotz unterschiedlicher Taktfrequenzen ein Brückenkurzschluß bildet. Dies kann aber auch durch andere Maßnahmen in der Ansteuerung erfolgen.By controlling AND and OR gates as in 1 is shown as an example in the control of the individual switch elements avoided that, despite different clock frequencies forms a bridge short circuit. But this can also be done by other measures in the control.

Die Primärspule 21 ist vorliegend mit einer jeweiligen Seite mit einem jeweiligen Teilbereich 19 des Wechselrichters 10 elektrisch verbunden. Durch die primärseitige Wechselspannung in der Primärspule 21 wird in der Sekundärspule 22 eine sekundärseitige Wechselspannung induziert. Eine Gleichrichtereinheit 30 ist vorliegend dazu ausgebildet, die sekundärseitige Wechselspannung gleichzurichten. Die Gleichrichtung erfolgt vorliegend mittels von Gleichrichterdioden 32. Mit jeder Seite der Sekundärspule 22 ist vorliegend eine jeweilige Anode der jeweiligen Gleichrichterdioden 32 elektrisch verbunden. Die Katoden der jeweiligen Gleichrichterdioden 32 können in einem Pluspol 34 des Gleichspannungswandlers 5 elektrisch verbunden sein.The primary coil 21 is present with a respective page with a respective subarea 19 of the inverter 10 electrically connected. Due to the primary-side AC voltage in the primary coil 21 is in the secondary coil 22 induces a secondary-side AC voltage. A rectifier unit 30 is designed in this case to rectify the secondary-side AC voltage. The rectification takes place here by means of rectifier diodes 32 , With each side of the secondary coil 22 in the present case is a respective anode of the respective rectifier diodes 32 electrically connected. The cathodes of the respective rectifier diodes 32 can in a plus pole 34 of the DC-DC converter 5 be electrically connected.

Eine sekundärseitige Gleichspannung des Gleichspannungswandlers 5 beziehungsweise eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 5 welche zwischen dem Pluspol 34 und dem Minuspol 35 anliegt, ist gegenüber dem Stand der Technik deutlich konstanter. Dennoch kann eine Filtereinheit 36 dazu ausgebildet sein die Ausgangsspannung noch weiter zu glätten. Hierzu kann beispielsweise ein Filter erster Ordnung mit einem Filterkondensator 38 oder einer Filterspule 37 oder ein Filter zweiter Ordnung mit einer Filterspule 37 und einem Filterkondensator 38 vorgesehen sein. Mittels der durch die Filtereinheit 36 geglätteten Ausgangsspannung kann eine elektrische Last 2 betrieben werden. Die elektrische Last 2 kann alternativ auch mit einer ungeglätteten Ausgangsspannung betrieben werden, wenn keine Filtereinheit 36 vorgesehen ist.A secondary-side DC voltage of the DC-DC converter 5 or an output voltage of the DC-DC converter 5 which between the positive pole 34 and the negative pole 35 is present, is significantly more constant compared to the prior art. Nevertheless, a filter unit 36 be designed to even further smooth the output voltage. For this purpose, for example, a filter of the first order with a filter capacitor 38 or a filter coil 37 or a second order filter with a filter coil 37 and a filter capacitor 38 be provided. By means of the filter unit 36 smoothed output voltage can be an electrical load 2 operate. The electrical load 2 can alternatively also with a Unsmoothed output voltage can be operated if no filter unit 36 is provided.

2 gibt beispielhaft eine Übersicht über eine Welligkeit ΔI, auch Rippelstrom genannt, eines Ausgangsstroms des Gleichspannungswandlers gemäß 1 für eine beispielhafte, insbesondere ohmsche, elektrische Last 2 und beispielhafte Werte für die erste Schaltfrequenz F1 sowie die zweite Schaltfrequenz F2. Die Welligkeit ΔI bezeichnet insbesondere die Differenz aus einem Strommaximum und einem Stromminimum des Ausgangsstroms durch die elektrische Last 2. Beispielsweise kann durch eine erste Schaltfrequenz F1 von 100 Kilohertz und eine zweite Schaltfrequenz F2 von 10 Kilohertz die Welligkeit ΔI gegenüber einer ersten Schaltfrequenz F1 und einer zweiten Schaltfrequenz F2 von jeweils 10 Kilohertz von 16 Ampere auf 3,2 Ampere auf eine Fünftel reduziert werden. Dementsprechend werden die oberen Schalter 14 und die unteren Schalter 13 des Wechselrichters 10 vorzugsweise mit zwei verschiedenen Schaltfrequenzen F1, F2 betrieben. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass anhand der zweiten Schaltfrequenz F2 der oberen Schalter 14 die Transformatoreinheit 20 dimensioniert wird und/oder dass die zweite Schaltfrequenz F2 gemäß der Dimensionierung der Transformatoreinheit 20 gewählt wird. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die zweite Schaltfrequenz F2 niedrig genug ist, so dass Störeinflüsse und/oder Wirkungsgradverluste durch einen Proximity-Effekt, Ummagnetisierungsverluste, Streukapazitäten oder einen Skin-Effekt in der Primärspule 21 oder der Sekundärspule 22 ein vorbestimmtes Maß nicht überschreiten. Der Störeinflüsse durch die Streukapazitäten oder den Skin-Effekt steigen mit zunehmender zweiter Schaltfrequenz F2. Durch den Skin-Effekt kann der nutzbare Leitungsquerschnitt begrenzt werden. 2 exemplifies an overview of a ripple .DELTA.I, also called ripple current, an output current of the DC-DC converter according to 1 for an exemplary, in particular resistive, electrical load 2 and exemplary values for the first switching frequency F1 and the second switching frequency F2. In particular, the ripple ΔI designates the difference between a current maximum and a current minimum of the output current through the electrical load 2 , For example, by a first switching frequency F1 of 100 kilohertz and a second switching frequency F2 of 10 kilohertz, the ripple ΔI can be reduced from 16 ampere to 3.2 ampere compared to a first switching frequency F1 and a second switching frequency F2 of 10 kilohertz to one fifth. Accordingly, the upper switches 14 and the lower switches 13 of the inverter 10 preferably operated with two different switching frequencies F1, F2. It is preferably provided that based on the second switching frequency F2 of the upper switch 14 the transformer unit 20 is dimensioned and / or that the second switching frequency F2 according to the dimensioning of the transformer unit 20 is selected. In particular, it should be ensured that the second switching frequency F2 is low enough so that interference and / or efficiency losses by a proximity effect, magnetic reversal losses, stray capacitance or a skin effect in the primary coil 21 or the secondary coil 22 do not exceed a predetermined amount. The interference caused by the stray capacitance or the skin effect increase with increasing second switching frequency F2. Due to the skin effect, the usable cable cross-section can be limited.

Die erste Schaltfrequenz F1 der unteren Schalter 13 wird insbesondere höher gewählt als die zweite Schaltfrequenz F2 und ist vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Schaltfrequenz F2. Mit zunehmender erster Schaltfrequenz F1 kann sich die Welligkeit ΔI verringern. Insbesondere ist die erste Schaltfrequenz F1 groß genug, um die Welligkeit ΔI geringer als einen vorbestimmten Grenzwert zu halten. Beispielsweise liegt die zweite Schaltfrequenz F2 im Bereich von 10 Kilohertz bis 200 Kilohertz und die erste Schaltfrequenz F1 ist um den Faktor 10 bis 100 größer als die zweite Schaltfrequenz F2.The first switching frequency F1 of the lower switches 13 In particular, it is selected to be higher than the second switching frequency F2 and is preferably an integer multiple of the second switching frequency F2. As the first switching frequency F1 increases, the ripple ΔI may decrease. In particular, the first switching frequency F1 is large enough to keep the ripple ΔI less than a predetermined limit. For example, the second switching frequency F2 is in the range of 10 kilohertz to 200 kilohertz and the first switching frequency F1 is greater by a factor of 10 to 100 than the second switching frequency F2.

Durch die im Vergleich zur ersten Schaltfrequenz F1 niedriger gewählte zweite Schaltfrequenz F2 kann die Transformatoreinheit 20 auf eine Frequenz, für welche der Skin-Effekt oder die parasitären Streukapazitäten ein vordefiniertes Maß nicht überschreiten, ausgelegt sein. Des Weiteren ergibt sich ein besonders günstiger Wirkungsgrad durch geringe Ummagnetisierungsverluste in der Transformatoreinheit 20 aufgrund der geringen zweiten Schaltfrequenz F2. Durch die hohe erste Schaltfrequenz F1 ist, wie in 2 gezeigt, die Welligkeit ΔI des Ausgangsstromes des Gleichrichters 5 beziehungsweise der Rippelstrom und/oder die Rippelspannung auf der Eingangsseite und/oder der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers 5 verringert. Dadurch kann vorzugsweise die Filtereinheit 36 besonders kleindimensioniert sein. Außerdem wird durch die geringere Rippelspannung beziehungsweise den geringeren Rippelstrom die elektromagnetische Verträglichkeit, kurz EMV, des Gleichspannungswandlers 5 beziehungsweise des Wechselrichters 10 verbessert.Due to the second switching frequency F2, which is chosen to be lower than the first switching frequency F1, the transformer unit 20 to a frequency for which the skin effect or parasitic stray capacitances do not exceed a predefined level. Furthermore, there is a particularly favorable efficiency due to low core losses in the transformer unit 20 due to the low second switching frequency F2. Due to the high first switching frequency F1, as in 2 shown, the ripple ΔI of the output current of the rectifier 5 or the ripple current and / or the ripple voltage on the input side and / or the output side of the DC-DC converter 5 reduced. As a result, preferably the filter unit 36 be particularly small dimensions. In addition, due to the lower ripple voltage or the lower ripple current, the electromagnetic compatibility, in short, EMC, of the DC-DC converter 5 or the inverter 10 improved.

Im Falle einer zweiten Schaltfrequenz F2 von weniger als 200 Kilohertz können Gleichtaktströme entlang der Streukapazitäten der Wickelgüter, insbesondere der Primärspule 21 und der Sekundärspule 22, sowie ein reduzierter nutzbarer Leitungsquerschnitt aufgrund des Skin-Effektes reduziert werden. Dadurch kann auf eine teure Gestaltung der Wickelgüter sowie zusätzliche Filtermaßnahmen verzichtet werden.In the case of a second switching frequency F2 of less than 200 kilohertz, common mode currents along the stray capacitances of the winding goods, in particular the primary coil 21 and the secondary coil 22 , As well as a reduced usable wire cross section due to the skin effect can be reduced. This can be dispensed with an expensive design of the winding goods and additional filtering measures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: GleichspannungsquelleDC voltage source
22: elektrische Lastelectrical load
33: Filtergliedfilter element
55: GleichspannungswandlerDC converter
1010: Wechselrichterinverter
1111: untere Diodelower diode
1212: obere Diodeupper diode
1313: unteres Schalterelementlower switch element
1414: oberes Schalterelementupper switch element
1515: Steuerseitecontrol side
1616: Steuereinheitcontrol unit
1717: erster Signalgeneratorfirst signal generator
1818: zweiter Signalgeneratorsecond signal generator
1919: Teilbereichsubregion
2020: Transformatoreinheittransformer unit
2121: Primärspuleprimary coil
2222: Sekundärspulesecondary coil
3030: GleichrichtereinheitRectifier unit
3232: GleichrichterdiodeRectifier diode
3434: Pluspolpositive pole
3535: Minuspolminuspol
3636: Filtereinheitfilter unit
3737: Filterspulefilter coil
3838: Filterkondensatorfilter capacitor
4040: ersten Schaltsignalfirst switching signal
4141: zweites Schaltsignalsecond switching signal
4242: Nicht-GatterNOT gate
4343: Und-GatterAnd gate
4444: invertiertes Schaltsignalinverted switching signal
4545: drittes Schaltsignalthird switching signal
F1F1: erste Schaltfrequenzfirst switching frequency
F2F2: zweite Schaltfrequenzsecond switching frequency
ΔI.DELTA.I: Stromwelligkeitcurrent ripple

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 20140204616 A1 [0005]

Claims

Inverter unit ( 10 ) for generating a primary-side AC voltage from a DC voltage for a DC-DC converter ( 5 ), with - a lower switch element ( 13 ) and an upper switch element ( 14 ), and - a control unit ( 16 ), which is used to output a first switching signal ( 40 ) for switching the lower switch element ( 13 ) and for outputting a second switching signal ( 41 ) for switching the upper switch element ( 14 ), characterized in that a first switching frequency (F1) of the first switching signal ( 40 ) and a second switching frequency (F2) of the second switching signal ( 41 ) are different.

Inverter unit ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the first switching frequency (F1) corresponds to a multiple of the second switching frequency (F2) or the second switching frequency (F2) corresponds to a multiple of the first switching frequency (F1).

Inverter unit ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the second switching frequency (F2) is chosen low enough so that stray capacitance, skin effect, proximity effect and / or re-magnetization losses fall below a predetermined level.

Inverter unit ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first switching frequency (F1) is chosen high enough so that the voltage curve falls below a predetermined ripple.

Method for generating a primary-side AC voltage from a DC voltage for a DC-DC converter ( 5 ), by switching a lower switch element ( 13 ) of an inverter ( 10 ) by means of a first switching signal ( 40 ) and an upper switch element ( 14 ) of the inverter ( 10 ) by means of a second switching signal ( 41 ), characterized in that a first switching frequency (F1) of the first switching signal ( 40 ) and a second switching frequency (F2) of the second switching signal ( 41 ) differ from each other.