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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers.
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Stand der Technik
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Elektro- und Hybridfahrzeuge umfassen neben einem Niedervoltnetz (12 Volt Bordnetz) in der Regel auch ein Hochvoltnetz. Dieses Hochvoltnetz kann beispielsweise von einer Hochvolt-Batterie, wie beispielsweise einer Traktionsbatterie des Elektro- oder Hybridfahrzeuges gespeist werden. In der Regel liegt die Spannung im Hochvoltnetz im Bereich von mehreren 100 Volt. Zur Einspeisung von elektrischer Energie in das Niedervoltnetz kann elektrische Energie von dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz übertragen werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 204 029 A1 offenbart eine Übertragungsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug mit zwei Spannungsdomänen. Die Vorrichtung umfasst eine Erfassungseinrichtung, die den Ladezustand eines Energiespeichers der zweiten Spannungsdomäne erfasst. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Gleichspannungswandler, welcher elektrische Leistung von der ersten Spannungsdomäne in die zweite Spannungsdomäne in Abhängigkeit des Ladezustands des Energiespeichers in der zweiten Spannungsdomäne überträgt.
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Aus Sicherheitsgründen erfolgt bei der Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz eine galvanische Trennung der beiden Netze. Dies wird in der Regel durch einen Transformator realisiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- Ein Gleichspannungswandler mit einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss kann eine elektrische Gleichspannung an dem Gleichspannungswandler bereitgestellt werden. Der Gleichspannungswandler umfasst weiterhin ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Eingangsanschluss und einem ersten Knotenpunkt angeordnet ist, ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist, ein drittes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und einem dritten Knotenpunkt angeordnet ist, ein viertes Schaltelement, das zwischen dem dritten Knotenpunkt und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist. Parallel zu jedem der vier Schaltelemente kann eine Freilaufdiode angeordnet sein. Der Gleichspannungswandler umfasst darüber hinaus eine erste Kapazität, die zwischen dem ersten Einganganschluss und einem vierten Knotenpunkt angeordnet ist und eine zweite Kapazität, die zwischen dem vierten Knotenpunkt und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst der Gleichspannungswandler eine erste Halbleiterdiode, die zwischen dem vierten Knotenpunkt und dem ersten Knotenpunkt angeordnet ist, und eine zweite Halbleiterdiode, die zwischen dem vierten Knotenpunkt und dem dritten Knotenpunkt angeordnet ist. Ferner umfasst der Gleichspannungswandler einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite. Dabei ist ein erster Anschluss der Primärseite mit dem vierten Knotenpunkt elektrisch gekoppelt. Weiter umfasst der Gleichspannungswandler eine Induktivität, die mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Knotenpunkt elektrisch gekoppelt ist und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss des Transformators elektrisch gekoppelt ist. Der Gleichspannungswandler umfasst weiterhin eine Gleichrichterschaltung. Die Gleichrichterschaltung ist dazu ausgelegt, eine elektrische Spannung, die an der Sekundärseite des Transformators bereitgestellt wird, gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung zwischen einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss bereitzustellen. Der Gleichspannungswandler umfasst ferner eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, das erste bis vierte Schaltelement des Gleichspannungswandlers zu öffnen und anschließend das erste Schaltelement zu schließen. Weiter ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, anschließend nach einer vorbestimmten ersten Zeitspanne das zweite Schaltelement zu schließen und daraufhin nach einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne das erste Schaltelement zu öffnen. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, anschließend nach einer vorbestimmten dritten Zeitspanne das vierte Schaltelement zu schließen und danach das zweite Schaltelement zu öffnen. Die Steuereinrichtung ist darüber hinaus dazu ausgelegt, anschließend nach einer Zeitspanne, die der ersten vorbestimmten Zeitspanne entspricht, das dritte Schaltelement zu schließen und anschließend nach einer vorbestimmten Zeitspanne, die der vorbestimmten zweiten Zeitspanne entspricht, das vierte Schaltelement zu öffnen. Schließlich ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, anschließend nach einer vorbestimmten Zeitspanne, die der dritten vorbestimmten Zeitspanne entspricht, die zuvor genannten Schritte ab dem Schließen des ersten Schaltelements zu wiederholen. Die Wiederholung der Schritte kann dabei mehrfach, insbesondere beliebig oft erfolgen.
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Ferner ist vorgesehen:
- Ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers mit einem ersten Eingangsanschluss, einem zweiten Eingangsanschluss, einem ersten Schaltelement, das zwischen dem ersten Eingangsanschluss und einem ersten Knotenpunkt angeordnet ist, einem zweiten Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist, einem dritten Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und einem dritten Knotenpunkt angeordnet ist, einem vierten Schaltelement, das zwischen dem dritten Knotenpunkt und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist, wobei parallel zu dem ersten bis vierten Schaltelement jeweils eine Freilaufdiode angeordnet sein kann. Der Gleichspannungswandler umfasst weiter eine erste Kapazität, die zwischen dem ersten Eingangsanschluss und einem vierten Knotenpunkt angeordnet ist, eine zweite Kapazität, die zwischen dem vierten Knotenpunkt und dem zweiten Eingangsanschluss angeordnet ist, eine erste Halbleiterdiode, die zwischen dem vierten Knotenpunkt und dem ersten Knotenpunkt angeordnet ist, eine zweiten Halbleiterdiode, die zwischen dem vierten Knotenpunkt und dem dritten Knotenpunkt angeordnet ist, einen Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei ein erster Anschluss der Primärseite mit dem vierten Knotenpunkt elektrisch gekoppelt ist, eine Induktivität, die mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Knotenpunkt elektrisch verbunden ist, und mit einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss der Primärseite des Transformators elektrisch verbunden ist. Weiter umfasst der Gleichspannungswandler eine Gleichrichterschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Spannung an der Sekundärseite des Transformators gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung zwischen einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss bereitzustellen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Öffnens aller vier Schaltelemente und daraufhin des Schließens des ersten Schaltelements; des Schließens des zweiten Schaltelements nach einer vorbestimmten ersten Zeitspanne; des Öffnens des ersten Schaltelements nach einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne, des Schließens des vierten Schaltelements nach einer vorbestimmten dritten Zeitspanne; des Öffnens des zweiten Schaltelements; des Schließens des dritten Schaltelements nach der vorbestimmten ersten Zeitspanne; des Öffnens des vierten Schaltelements nach der vorbestimmten zweiten Zeitspanne. Anschließend können nach der vorbestimmten dritten Zeitspanne die zuvor beschriebenen Schritte ab dem Schließen des ersten Schaltelements in der angegebenen Reihenfolge wiederholt werden. Die Wiederholung dieser Schritte kann mehrfach, insbesondere beliebig oft während des Betriebs des Gleichspannungswandlers erfolgen.
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Schließlich ist vorgesehen:
- Ein Energieversorgungssystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem Hochvoltnetz, einem Niedervoltnetz und einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Insbesondere können hierbei die Eingangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers mit dem Hochvoltnetz elektrisch gekoppelt sein und die Ausgangsanschlüsse der Gleichrichterschaltung des Gleichspannungswandlers können mit dem Niedervoltbordnetz elektrisch gekoppelt sein.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die in einem konventionellen Gleichspannungswandler verwendeten Leistungshalbleiter eine begrenzte maximale Sperrspannung aufweisen. Diese maximale Sperrspannung beschränkt die Einsatzmöglichkeiten des Gleichspannungswandlers. Insbesondere wird hierdurch der maximale Eingangsspannungsbereich limitiert. Darüber hinaus führen Schaltvorgänge von Leistungshalbleitern unter Last zu signifikanten Schaltverlusten. Hierbei wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Dies belastet einerseits den entsprechenden Leistungshalbleiter und setzt dabei seine maximale Lebensdauer herab. Darüber hinaus ist es auch erforderlich, die entstehende Wärme abzuführen, um die Leistungshalbleiter, sowie den vollständigen Schaltungsaufbau ausreichend zu kühlen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Gleichspannungswandler bereitzustellen, der auch bei hohen Eingangsspannungen möglichst geringe Schaltverluste aufweist. Hierzu ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, bei dem eine möglichst geringe Anzahl von Schaltvorgängen unter Last ausgeführt werden müssen. Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, bei dem möglichst viele Schaltvorgänge ganz oder zumindest annähernd leistungslos erfolgen. Hierdurch können die Schaltverluste bei dem Betrieb des Gleichspannungswandlers reduziert werden.
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Durch die Minimierung der Schaltverluste beim Betrieb des Gleichspannungswandlers reduziert sich auch die Verlustleistung des Gleichspannungswandlers. Dies führt auch zu einer geringeren Erwärmung des Gleichspannungswandlers. Daher muss auch nur eine geringere Wärmemenge während des Betriebs des Gleichspannungswandlers abgeführt werden. Somit kann die Kühlung des Gleichspannungswandlers kleiner und effizienter ausgeführt werden. Der Bauraum der gesamten Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers wird reduziert.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Induktivität des Gleichspannungswandlers als Streuinduktivität des Transformators ausgebildet. Alternativ kann die Induktivität auch als separates Bauelement ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, die vorbestimmte erste Zeitspanne in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung und/oder einer zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss anliegenden Eingangsgleichspannung anzupassen. Durch Variation der vorgegebenen ersten Zeitspanne kann die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung leicht angepasst werden. Dies ermöglicht eine Regelung der Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Sollwert.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichrichterschaltung eine aktive Synchrongleichrichterschaltung. Eine derartige Synchrongleichrichterschaltung umfasst aktiv angesteuerte Halbleiterschaltelemente, die entsprechend der Polarität der Eingangsspannung aktiv angesteuert werden. Durch die Verwendung von aktiv angesteuerten Halbleiterschaltelementen können die Verluste in dem Gleichspannungswandler abgesenkt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Gleichrichterschaltung eine passive Brückengleichrichterschaltung. Eine derartige passive Brückengleichrichterschaltung ermöglicht auf einfache Weise ohne zusätzliche aktive Steuersignale eine Gleichrichtung der an der Sekundärseite des Transformators bereitgestellten Spannung.
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Gemäß einer Ausführungsform korrespondiert die dritte Zeitspanne zu einer Totzeit des ersten Schaltelements und/oder einer Totzeit des vierten Schaltelements.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Schaltbilds für einen Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung der Steuersignale für die Ansteuerung der Schaltelemente einer Gleichrichterschaltung gemäß einer Ausführungsform; und
- 3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines Gleichspannungswandlers 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungswandler 1 kann als Phase-Shifted-Multilevel-Gleichspannungswandler ausgeführt sein. In der hier dargestellten Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler 1 vier in Serie geschaltete Schaltelemente S1 bis S4. Das erste Schaltelement S1 ist zwischen einem ersten Eingangsanschluss E1 und einem ersten Knotenpunkt K1 angeordnet. Das zweite Schaltelement S2 ist zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und einem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet. Das dritte Schaltelement S3 ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und einem dritten Knotenpunkt K3 angeordnet. Das vierte Schaltelement S4 ist zwischen dem dritten Knotenpunkt K3 und dem zweiten Eingangsanschluss E2 angeordnet. Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler 1 zwei Kapazitäten C1 und C2. Die erste Kapazität C1 ist zwischen dem ersten Eingangsanschluss E1 und einem vierten Knotenpunkt K4 angeordnet. Die zweite Kapazität C2 ist zwischen dem vierten Knotenpunkt K4 und dem zweiten Eingangsanschluss E2 angeordnet. Weiterhin ist eine erste Halbleiterdiode D1 zwischen dem vierten Knotenpunkt K4 und dem ersten Knotenpunkt K1 angeordnet. Eine zweite Halbleiterdiode D2 ist zwischen dem vierten Knotenpunkt K4 und dem dritten Knotenpunkt K3 angeordnet.
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Der Gleichspannungswandler 1 umfasst weiterhin einen Transformator T. Ein erster Anschluss der Primärseite des Transformators T ist elektrisch mit dem vierten Knotenpunkt K4 gekoppelt. Ein weiterer Anschluss der Primärseite des Transformators T ist über eine Induktivität L1 mit dem zweiten Knotenpunkt K2 elektrisch gekoppelt.
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Die Sekundärseite des Transformators T ist mit den Eingängen einer Gleichrichterschaltung 10 verbunden. Die Gleichrichterschaltung 10 kann eine beliebige Gleichrichterschaltung sein, die die auf der Sekundärseite des Transformators T bereitgestellte Spannung in eine Gleichspannung gleichrichtet und zwischen einem ersten Ausgangsanschluss A1 und einem zweiten Ausgangsanschluss A2 bereitstellt. Zur weiteren Filterung und Stabilisierung der am Ausgang der Gleichrichterschaltung 10 bereitgestellten Gleichspannung kann an dem Ausgang der Gleichrichterschaltung eine weitere Induktivität L2 und/oder eine weitere Kapazität C3 vorgesehen sein.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gleichrichterschaltung 10 als eine aktive Synchrongleichrichterschaltung ausgeführt. Diese aktive Gleichrichterschaltung umfasst hierzu die vier Halbleiterschaltelemente S5 bis S8. Diese Halbleiterschaltelemente der Gleichrichterschaltung 10 können dabei entsprechend der Polarität der Spannung auf der Sekundärseite des Transformators T angesteuert werden. Alternativ ist jedoch auch jede beliebige weitere Art einer Gleichrichterschaltung, insbesondere auch eine passive Brückengleichrichterschaltung oder ähnliches möglich.
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Für den Betrieb des Gleichspannungswandlers 1 werden die Schaltelemente, insbesondere das erste bis vierte Schaltelement S1 bis S4 von einer Steuereinrichtung 20 angesteuert.
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Die Ansteuersignale für die einzelnen Halbleiterschalter S1 bis S4 sind hierzu in 2 dargestellt.
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Ausgehend von einem Betriebszustand, bei dem zunächst alle vier Schaltelemente S1 bis S4 geöffnet sind, wird das erste Schaltelement S1 angesteuert und somit geschlossen. Da alle weiteren Schaltelemente S2 bis S4 geöffnet sind, erfolgt das Schließen des ersten Schaltelement S1 stromlos und somit leistungs- und verlustlos. Daraufhin wird nach einer ersten vorgegebenen Zeitspanne t1 das zweite Schaltelement S2 geschlossen. Bedingt durch die Induktivität L1 zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem Anschluss auf der Primärseite des Transformators T steigt der Strom durch das zweite Schaltelement S2 (und somit auch durch das erste Schaltelement S1) langsam an. Daher erfolgt auch dieser Schaltvorgang des zweiten Schaltelements S2 nahezu verlustleistungslos. Es stellt sich auf der Primärseite des Transformators T ein Primärstrom ein, der auf der Sekundärseite des Transformators T einen Sekundärstrom hervorruft und auf diese Weise Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite überträgt. Nach einer weiteren, zweiten Zeitspanne t2 wird daraufhin das erste Schaltelement S1 geöffnet. Daraufhin stellt sich ein als Freilauf bezeichneter Betriebsmodus ein. In diesem Freilauf fließt ein elektrischer Strom durch die Induktivität L1, die Primärseite des Transformators T, die erste Halbleiterdiode D1 und das noch geschlossene zweite Schaltelement S2. Nach einer weiteren, vorgegebenen dritten Zeitspanne t3 wird daraufhin das vierte Schaltelement S4 stromlos geschlossen. Die dritte Zeitspanne t3 entspricht dabei mindestens einer sogenannten Totzeit des ersten Schaltelements S1, das heißt einer Zeitspanne, die sicherstellen soll, dass nach dem Steuersignal für das Öffnen des ersten Schaltelements S1 auch tatsächlich kein elektrischer Strom durch das erste Schaltelement S1 fließt.
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Daraufhin kann das zweite Schaltelement S2 nach dem Freilauf nahezu spannungslos und somit verlustleistungslos geöffnet werden. Die Spannung an dem zweiten Schaltelement S2 baut sich hierbei bedingt durch die Bauelement-Kapazität langsam auf und daher schaltet das zweite Schaltelement S2 nahezu verlustleistungslos aus. Im weiteren Verlauf kann nach einer Zeitspanne, die der ersten vorbestimmten Zeitspanne t1 entspricht, das dritte Schaltelement S3 ebenfalls stromlos geschlossen werden. Nachdem daraufhin eine vorgegebene Zeitspanne, die der vorbestimmten zweiten Zeitspanne t2 entspricht, verstrichen ist, wird das vierte Schaltelement geöffnet und es beginnt ein zweiter Freilauf. In diesem zweiten Freilauf fließt ein elektrischer Strom durch die Induktivität L1, das dritte Schaltelement S3, die zweite Halbleiterdiode D2 und die Primärseite des Transformators T. Der zweite Freilaufstrom fließt somit in die entgegengesetzte Richtung wie der erste Freilaufstrom. Nach einer Zeitspanne, die der dritten vorbestimmten Zeitspanne t3 entspricht, wird das erste Schaltelement S1 ebenfalls stromlos geschlossen und anschließend das dritte Schaltelement S3 geöffnet. Dabei beginnt bereits mit dem Öffnen des ersten Schaltelements S1 ein weiterer Zyklus. Für den Betrieb der Gleichrichterschaltung kann die zuvor beschriebene Schaltungsfolge beliebig oft wiederholt werden.
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Bei der zuvor beschriebenen Schaltungsfolge sind dabei lediglich zwei Schaltvorgänge von insgesamt acht Schaltvorgängen verlustbehaftet, das heißt es erfolgt ein Schaltvorgang unter Last. Die verbleibenden sechs Schaltvorgänge sind nahezu verlustleistungslos. Somit reduziert sich die Schaltverlustleistung in dem Gleichspannungswandler 1 gegenüber einer konventionellen Ansteuerung signifikant.
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Bei den Schaltelementen, insbesondere dem ersten bis vierten Schaltelement S1 bis S4 kann es sich um ein beliebiges Halbleiterschaltelement handeln. Insbesondere sind Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFET) möglich. Aber auch beliebige andere Halbleiterschaltelemente, wie beispielsweise bipolare Transformatoren mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) oder weitere Halbleiterschaltelemente sind ebenso denkbar.
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Bei der Induktivität L1 zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem Anschluss der Primärseite des Transformators T kann es sich um die Streuinduktivität des Transformators handeln. Darüber hinaus ist jedoch auch ein separates Bauelement als Induktivität L1 möglich.
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Die Ausgangsspannung Uout des Gleichspannungswandlers 1 kann durch Variation der ersten Zeitspanne t1 zwischen dem Schließen des ersten Schaltelements S1 und dem zweiten Schaltelement S2 sowie dem Schließen des vierten Schaltelements S4 und dem dritten Schaltelement S3 geregelt werden. Auf diese Weise kann auch bei einer variablen Eingangsspannung Uin durch Anpassen der vorgegebenen ersten Zeitspanne t1 die Ausgangsspannung Uout geregelt und bei Bedarf konstant gehalten werden. Bei einer niedrigen Eingangsspannung Uin wird die erste Zeitspanne t1 reduziert. Somit reduziert sich auch der sich einstellende Freilauf. Damit ist die Ladephase größer als die Entladephase. Steigt die Eingangsspannung Uin, so wird die erste Zeitspanne t1 größer, das heißt die Ladephase wird kleiner und der Freilauf wird größer. Damit kann die in den Sekundärkreis übertragene elektrische Energie mittels Anpassen der ersten Zeitspanne t1 auch bei einer variablen Eingangsspannung Uin angepasst und bei Bedarf konstant gehalten werden. Beispielsweise kann hierzu die Steuereinrichtung 20 die erste Zeitspanne t1 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uin anpassen.
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Der zuvor beschriebenen Gleichspannungswandler 1 kann beispielsweise in einem Energieversorgungssystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug eingesetzt werden. Dabei kann insbesondere die Eingangsseite, das heißt der erste Eingangsanschluss E1 und der zweite Eingangsanschluss E2 mit einem Hochvoltnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs elektrisch gekoppelt werden. Entsprechend kann der Ausgang des Gleichspannungswandlers 1, das heißt der erste Ausgangsanschluss A1 und der zweite Ausgangsanschluss A2 mit einem Niedervoltnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs elektrisch gekoppelt werden. Die elektrische Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss E1 und dem zweiten Eingangsanschluss E2 ist somit größer als die elektrische Gleichspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss A1 und dem zweiten Ausgangsanschluss A2.
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Darüber hinaus kann die zuvor beschriebene Schaltung insbesondere bei der Verwendung eines aktiven Synchrongleichrichters, auch in einem bidirektionalen Betrieb betrieben werden. Weiterhin ist es auch möglich, die zuvor beschriebene Gleichrichterschaltung in einem mehrphasigen System einzusetzen. In einem Mehrphasensystem können dabei die einzelnen Phasen untereinander synchron oder phasenversetzt angesteuert werden.
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Die Ansteuersignale der einzelnen Halbleiterschaltelemente S1 bis S4 auf der Primärseite können theoretisch eine maximale Pulsbreite mit einem Tastverhältnis von 50 % aufweisen. Aufgrund der parasitären Effekte der Bauelemente, welche für das erste bis vierte Schaltelement S1 bis S4 eingesetzt werden, muss jedoch eine Totzeit zwischen den Ansteuersignalen von komplementären Schaltelementen berücksichtigt werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Aus diesem Grund beträgt das Tastverhältnis für die maximale Pulsbreite der einzelnen Schaltelemente S1-S4 etwa 47 %. Die einzelnen Schaltelemente S1 bis S4 werden dabei jedoch in jedem beliebigen Arbeitspunkt jeweils mit einer konstanten Pulsbreite angesteuert.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei dem durch dieses Verfahren angesteuerten Gleichspannungswandler kann es sich insbesondere um einen Phase-Shifted Full-Bridge Gleichspannungswandler handeln, wie er im Voraufgegangenen beschrieben worden ist. In Schritt 110 werden zunächst alle vier Schaltelemente S1 bis S4 geöffnet und anschießend wird in Schritt 120 das erste Schaltelement S1 geschlossen. Anschließend wird nach einer vorbestimmten ersten Zeitspanne t1 in Schritt 130 das zweite Schaltelement S2 geschlossen. Daraufhin wird in Schritt 140 nach einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne t2 das erste Schaltelement S1 geöffnet. Nach einer weiteren, vorbestimmten dritten Zeitspanne t3 wird daraufhin in Schritt 150 das vierte Schaltelement S4 geschlossen. Anschließend wird in Schritt 160 das zweite Schaltelement S2 geöffnet. Daraufhin wird nach der vorbestimmten ersten Zeitspanne t1 in Schritt 170 das dritte Schaltelement S3 geschlossen und anschließend in Schritt 180 nach einer vorbestimmten zweiten Zeitspanne t2 das vierte Schaltelement S4 geöffnet. Solange der Gleichspannungswandler in Betrieb ist, können die zuvor genannten Schritte 130 bis 180 beliebig oft wiederholt werden, nachdem in Schritt 190 (analog zu Schritt 120) das erste Schaltelement S1 geschlossen wird und im weiteren Verlauf das dritte Schaltelement S3 geöffnet wird.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler mit reduzierter Verlustleistung. Hierzu wird vorgeschlagen, einen Phase-Shifted Full-Bridge Gleichspannungswandler durch ein optimiertes Ansteuerverfahren zu betreiben. Dieses optimierte Ansteuerverfahren zielt darauf ab, die Schaltvorgänge in den Halbleiterschaltern des Gleichspannungswandlers vorzugsweise leistungsfrei und somit nahezu verlustleistungslos auszuführen. Die Anzahl von verlustbehafteten Schaltvorgängen kann durch das erfindungsgemäße Ansteuern des Gleichspannungswandlers reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012204029 A1 [0003]
