DE102017214721A1

DE102017214721A1 - Spannungswandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102017214721A1
Application number: DE102017214721.0A
Authority: DE
Inventors: Emre Duman
Original assignee: Omron Automotive Electronics Co Ltd
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2018-03-01
Also published as: US9973073B2; CN107786095B; US20180062500A1; JP6551340B2; JP2018033229A; CN107786095A

Abstract

Eine Spannungsumsetzungsvorrichtung enthält eine erste Umsetzungsschaltung, die konfiguriert ist, eine Gleichspannung bei einer Gleichstromversorgung umzuschalten, um die Gleichspannung in eine Wechselspannung umzusetzen, eine zweite Umsetzungsschaltung, die konfiguriert ist, die Wechselspannung, die mit der ersten Umsetzungsschaltung umgesetzt wurde, gleichzurichten, um die Wechselspannung in eine Gleichspannung umzusetzen, eine Steuerung, die konfiguriert ist, einen Umschaltbetrieb der ersten Umsetzungsschaltung zu steuern, und Notfall-Stromversorgungsschaltungen (eine Klemmschaltung und eine Konstantspannungsschaltung), die zwischen einem Verbindungspunkt eines Hilfsschaltelements und einem Kondensator und der Steuerung bereitgestellt sind. Wenn eine Eingangsspannung bei der Gleichstromversorgung aufgrund eines Anlassens eines Anlassmotors beim Freigeben eines Leerlaufstopps eines Fahrzeugs abnimmt, erhält die Notfall-Stromversorgungsschalung eine Stromversorgungsspannung, die für einen Betrieb der Steuerung notwendig ist, von einer Spannung an dem Verbindungspunkt und führt die Stromversorgungsspannung der Steuerung zu.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beruht auf der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-163636 , eingereicht beim Japanischen Patentamt am 24. August 2016, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
GEBIET
Die Offenbarung betrifft eine Spannungsumsetzungsvorrichtung wie einen DC-DC-Wandler, insbesondere eine Technologie zum Gewährleisten der Stromzufuhr zu einer Steuerung der Spannungsumsetzungsvorrichtung, wenn eine Eingangsspannung abnimmt.
HINTERGRUND
Zum Beispiel ist in einem DC-DC-Wandler vom Isolationstyp, in dem eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite voneinander isoliert sind, eine erste Umsetzungsschaltung, die eine Gleichspannung einer Gleichstromversorgung in eine Wechselspannung durch Umschalten der Gleichspannung umsetzt, an der Eingangsseite bereitgestellt, und ist eine zweite Umsetzungsschaltung, die die Wechselspannung, die mit der ersten Umsetzungsschaltung umgesetzt wurde, in eine Gleichspannung durch Gleichrichten der Wechselspannung umsetzt, an der Ausgangsseite vorgesehen. Die erste Umsetzungsschaltung und die zweite Umsetzungsschaltung sind voneinander mithilfe eines Transformators isoliert.
Es gibt DC-DC-Wandler vom Isolationstyp, ein sogenanntes Boost-Halbbrückensystem (in der Folge als BHB-System (boost half bridge system) bezeichnet), in welchem ein boost converter bzw. verstärkender Zerhacker (boost converter bzw. Aufwärtswandler) und ein DC-DC-Wandler vom Halbbrückentyp kombiniert sind. U.S. Patentveröffentlichung Nr. 2014/0268908 (Patentliteratur 1), Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2002-315324 (Patentliteratur 2), Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2003-92876 (Patentliteratur 3), Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2003-92877 (Patentliteratur 4), Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2003-92881 (Patentliteratur 5), Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2007-189835 (Patentliteratur 6), Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2007-236155 (Patentliteratur 7), Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2007-236156 (Patentliteratur 8), Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2008-79454 (Patentliteratur 9) und Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2010-226931 (Patentliteratur 10), Shuai Jiang, Dong Cao, Fang Z. Peng und Yuan Li "Grid-Connected Boost-Half-Bridge Photovoltaisch Micro Inverter System Using Repetitive Current Control and Maximum Power Point Tracking", 5–9 Feb. 2012, 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), S. 590–597 (Nicht-Patentliteratur 1), Dong Cao, Shuai Jiang, Fang Z. Peng und Yuan Li "Low Cost Transformer Isolated Boost Half-bridge Micro-inverter for Single-phase Grid-connected Photovoltaic System", 5–9 Feb. 2012, 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), S. 71–78 (Nicht-Patentliteratur 2), Hossein Tahmasebi, "Boost Integrated High Frequency Isolated Half-Bridge DC-DC Converter: Analysis, Design, Simulation and Experimental Results", 2015, ein Projektbericht, der in teilweiser Erfüllung der Anforderungen für den Grad eines MASTER OF ENGINEERING, an der Universität von Victoria eingereicht wurde (https://dspace.library.uvic.ca/bitstream/handle/1828/6427/Tahmasebi_Hossein_ MEng_2015.pdf) (Nicht-Patentliteratur 3), und York Jr, John Benson, "An Isolated Micro-Converter for Next-Generation Photovoltaic Infrastructure" 2013-04-19, Dissertation, die an der Fakultät der Virginia Polytechnic Institute und State University eingereicht wurde (https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/19326/York_JB_D_2013.pdf) (Nicht-Patentliteratur 4) offenbaren BHB-System-, Isolationstyp-DC-DC-Wandler.
Im BHB-System-Isolationstyp-DC-DC-Wandler sind ein Hauptschaltelement, ein Hilfsschaltelement, ein Induktor, eine Primärwicklung eines Transformators und zwei Kondensatoren in der eingangsseitigen ersten Umsetzungsschaltung vorgesehen. Der Induktor und das Hauptschaltelement sind in Reihe an die Gleichstromversorgung angeschlossen und eine Reihenschaltung aus der Primärwicklung des Transformators und einer der Kondensatoren ist parallel zu dem Hauptschaltelement angeschlossen. Eine Reihenschaltung aus dem anderen Kondensator und des Hilfsschaltelements ist parallel an die Primärwicklung des Transformators angeschlossen.
Zum Beispiel ist eine Schaltung, die zwei Gleichrichterelemente, zwei Kondensatoren und eine Sekundärwicklung eines Transformators enthält, wie in 11 von Patentliteratur 1 dargestellt, oder eine Schaltung, die zwei Gleichrichterelemente, einen Kondensator, einen Induktor und eine Sekundärwicklung eines Transformators mit einem zentralen Abgriff, wie in 1 von Patentliteratur 2 dargestellt, enthält, in der ausgangsseitigen zweiten Umsetzungsschaltung vorgesehen.
Das Hauptschaltelement und Hilfsschaltelement der ersten Umsetzungsschaltung werden mit einem vorgegebenen Tastverhältnis abwechselnd eingeschaltet. Das Hilfsschaltelement wird in einer Periode ausgeschaltet, in der das Hauptschaltelement eingeschaltet ist, und das Hauptschaltelement wird in einer Periode ausgeschaltet, in der das Hilfsschaltelement eingeschaltet ist. Wenn das Hauptschaltelement eingeschaltet ist, wird die Spannung eines der Kondensatoren an die Primärwicklung des Transformators angelegt, und Leistung wird zur Sekundärwicklung des Transformators übertragen. An diesem Punkt ist die Spannung an der Primärwicklung gleich der Eingangsspannung. Wenn andererseits das Hilfsschaltelement eingeschaltet ist, wird die Spannung des anderen Kondensators an die Primärwicklung des Transformators angelegt und Leistung wird zur Sekundärwicklung des Transformators übertragen. An diesem Punkt hängt die Spannung an der Primärwicklung von der Eingangsspannung und dem Tastverhältnis ab.
Bei einem DC-DC-Wandler vom Isolationstyp für ein Fahrzeug wird die Eingangsspannung von einer Batterie zugeführt, die an einem Fahrzeug angebracht ist, und die Batterie wird außerdem als eine Stromversorgung eines Startermotors verwendet, der einen Motor startet. Daher wird, wenn der Motor durch Freigabe eines Leerlaufstoppzustands des Fahrzeugs erneut gestartet wird, geht eine große Strommenge durch den Startermotor, und in der Batterie wird vorübergehend ein großer Spannungsabfall generiert. Die Leistung für die Steuerung, die den Schaltbetrieb des DC-DC-Wandlers steuert, wird ebenfalls von der Batterie zugeführt. Daher wird, wenn die Batteriespannung niedriger als eine Spannung ist, die für einen Betrieb der Steuerung notwendig ist, eine CPU, die die Steuerung bildet, zurückgesetzt, und der Schaltbetrieb wird unsteuerbar.
Beispielsweise ist in Patentliteratur 5 eine Tertiärwicklung im Transformator des DC-DC-Wandlers vorgesehen, eine Gleichrichtungsschaltung, in der vier Dioden über Brücken miteinander verbunden sind, an die Tertiärwicklung angeschlossen und eine Ausgangsspannung an der Gleichrichtungsschaltung geglättet und als Leistung für eine Steuerschaltung verwendet. In Patentliteratur 5 wird eine Struktur des Transformators jedoch kompliziert, da die Tertiärwicklung im Transformator vorgesehen ist.
Es gibt außerdem ein Verfahren zum Erhalten der Leistung für die Steuerung aus einer verstärkten sekundärseitigen Ausgangsspannung. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, dass die Leistung der sekundärseitigen Steuerung zugeführt wird, während die sekundärseitige Ausgangsspannung isoliert ist. Daher ist es notwendig, eine Isolationsschaltung zwischen dem Ausgangsanschluss und der Steuerung vorzusehen, und die Konfiguration wird kompliziert.
KURZDARSTELLUNG
Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, dazu imstande zu sein, die notwendige Leistung der Steuerung der Spannungsumsetzungsvorrichtung mit einer einfachen Konfiguration zuzuführen, auch wenn die Eingangsspannung abnimmt.
Eine Spannungsumsetzungsvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung enthält eine erste Umsetzungsschaltung, die konfiguriert ist, eine Gleichspannung bei einer Gleichstromversorgung umzuschalten, um die Gleichspannung in eine Wechselspannung umzusetzen, und eine zweite Umsetzungsschaltung, die konfiguriert ist, die mit der ersten Umsetzungsschaltung umgesetzte Wechselspannung gleichzurichten, um die Wechselspannung in eine Gleichspannung umzusetzen. Die erste Umsetzungsschaltung und die zweite Umsetzungsschaltung sind voneinander mithilfe eines Transformators isoliert. Die erste Umsetzungsschaltung enthält ein Hauptschaltelement, ein Hilfsschaltelement, einen Eingangsinduktor, eine Primärwicklung des Transformators, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator. Der Eingangsinduktor und das Hauptschaltelement sind in Reihe an die Gleichstromversorgung angeschlossen. Eine Reihenschaltung der Primärwicklung und der zweite Kondensator sind parallel an das Hauptschaltelement angeschlossen. Eine Reihenschaltung des ersten Kondensators und das Hilfsschaltelement sind parallel an die Primärwicklung angeschlossen. Die zweite Umsetzungsschaltung enthält eine Sekundärwicklung des Transformators und ein Gleichrichtungselement, das konfiguriert ist, eine Wechselspannung gleichzurichten, die in der Sekundärwicklung generiert wird. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Stromversorgungsschaltung außerdem zwischen einem Verbindungspunkt des Hilfsschaltelements und dem ersten Kondensator und der Steuerung bereitgestellt. Die Stromversorgungsschaltung erhält die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, von der Spannung am Verbindungspunkt und führt die Stromversorgungsspannung der Steuerung zu.
Wie später beschrieben, ist die Spannung an dem Verbindungspunkt des Hilfsschaltelements und des ersten Kondensators eine Spannung, in der die Spannung an der Gleichstromversorgung verstärkt ist. Aus diesem Grund wird, auch wenn die Spannung an der Gleichstromversorgung niedriger als die Stromversorgungsspannung ist, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, die notwendige Spannung von der Stromversorgungsschaltung zur Steuerung zugeführt. Infolgedessen arbeitet die Steuerung normalerweise ohne Zurücksetzung zum fortlaufenden Steuern des Schaltbetriebs. Es ist nicht notwendig, eine Tertiärwicklung in dem Transformator bereitzustellen oder eine Isolationsschaltung in der Stromversorgungsschaltung vorzusehen, wodurch die Konfiguration vereinfacht ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung kann die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, von der Gleichstromversorgung zur Steuerung in einem Normalzustand zugeführt werden, in dem die Gleichspannung bei der Gleichstromversorgung nicht abnimmt, und die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, kann von der Stromversorgungsschaltung zur Steuerung in einem Notfall zugeführt werden, in dem die Gleichspannung bei der Gleichstromversorgung abnimmt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung kann die Stromversorgungsschaltung eine Klemmschaltung enthalten, die zum Klemmen der Spannung am Verbindungspunkt auf einem vorgegebenen Pegel und zum Ausgeben einer Spannung konfiguriert ist, die niedriger als die Spannung an dem Verbindungspunkt ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung kann die Stromversorgungsschaltung ferner eine Konstantspannungsschaltung enthalten, die zum Stabilisieren der Ausgangsspannung an der Klemmschaltung konfiguriert ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung kann die Spannungsumsetzungsvorrichtung ferner eine erste Diode, die zwischen der Gleichstromversorgung und der Konstantspannungsschaltung bereitgestellt ist, und eine zweite Diode enthalten, die zwischen der Klemmschaltung und der Konstantspannungsschaltung bereitgestellt ist. An diesem Punkt ist eine Anode der ersten Diode an eine positiven Elektrode der Gleichstromversorgung angeschlossen, ist eine Anode der zweiten Diode an eine Ausgangsanschluss der Klemmschaltung angeschlossen und sind Kathoden der ersten Diode und der zweiten Diode an einen Eingangsanschluss der Konstantspannungsschaltung angeschlossen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung kann die Spannungsumsetzungsvorrichtung ferner eine Treiberschaltung enthalten, die zum Ausgeben eines Treibersignals an das Hauptschaltelement und das Hilfsschaltelement zum Antreiben des Hauptschaltelements und des Hilfsschaltelements basierend auf einer Steuersignalausgabe von der Steuerung konfiguriert ist. An diesem Punkt erhält die Stromversorgungsschaltung die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Treiberschaltung notwendig ist, von der Spannung an dem Verbindungspunkt und führt die Stromversorgungsspannung der Treiberschaltung zu.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung, wenn ein Signal, das eine Freigabe eines Leerlaufstoppzustands eines Fahrzeugs anzeigt, eingeht, kann die Steuerung die Stromversorgungsschaltung in einen Betriebszustand bringen und die Versorgung der Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, von der Stromversorgungsschaltung empfangen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung, wenn erfasst wird, dass die Stromversorgungsspannung, die der Steuerung zugeführt wird, oder die Gleichspannung bei der Gleichstromversorgung auf einen gegebenen Wert abnimmt, kann die Steuerung die Stromversorgungsschaltung in den Betriebszustand bringen und die Versorgung der Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, von der Stromversorgungsschaltung empfangen.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung kann die notwendige Leistung der Steuerung der Spannungsumsetzungsvorrichtung mit der einfachen Konfiguration zugeführt werden, selbst wenn die Eingangsspannung abnimmt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltbild, das eine Spannungsumsetzungsvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung darstellt;
2A und 2B sind Grafiken, die Gate-Signale eines Hauptschaltelements S2 und eines Hilfsschaltelements S1 darstellen;
3 ist eine Grafik, die Spannung und Strom jeder Einheit der Spannungsumsetzungsvorrichtung darstellt;
4 ist eine Wellenformgrafik, die Spannung und Strom jeder Einheit der Spannungsumsetzungsvorrichtung darstellt;
5A ist ein Schaltbild, das einen Stromdurchgang eines Abschnitts A in einem normalen Zustand darstellt;
5B ist ein Schaltbild, das einen Stromdurchgang eines Abschnitts B im normalen Zustand darstellt;
5C ist ein Schaltbild, das einen Stromdurchgang eines Abschnitts C im normalen Zustand darstellt;
5D ist ein Schaltbild, das einen Stromdurchgang eines Abschnitts D im normalen Zustand darstellt;
5E ist ein Schaltbild, das einen Stromdurchgang eines Abschnitts E im normalen Zustand darstellt;
5F ist ein Schaltbild, das einen Stromdurchgang eines Abschnitts F im normalen Zustand darstellt;
6 ist ein Schaltbild, das einen normalen Stromversorgungsweg darstellt;
7 ist ein Schaltbild, das einen Stromversorgungsweg darstellt, wenn eine Eingangsspannung abnimmt; und
8 ist ein Schaltbild, das eine Spannungsumsetzungsvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird eine Spannungsumsetzungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In jeder Zeichnung ist die identische oder äquivalente Komponente durch das identische Bezugszeichen bezeichnet. In Ausführungsformen der Offenbarung sind zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassenderes Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist jedoch offensichtlich, dass die Erfindung ohne diese speziellen Einzelheiten umgesetzt werden kann. In anderen Fällen werden allgemein bekannte Merkmale nicht ausführlich beschrieben, um eine Verschleierung der Erfindung zu vermeiden.
Unter Bezugnahme auf 1 wird unten eine Konfiguration einer Spannungsumsetzungsvorrichtung beschrieben. In Bezug auf 1 ist eine Spannungsumsetzungsvorrichtung 100 ein BHB-System-Isolationstyp-DC-DC-Wandler und enthält ein Relais 10, eine erste Umsetzungsschaltung 11, eine zweite Umsetzungsschaltung 12, eine Klemmschaltung 13, eine Konstantspannungsschaltung 14, eine Steuerung 15, einen Gate-Treiber 16 und Dioden D5 und D6. Die erste Umsetzungsschaltung 11 und die zweite Umsetzungsschaltung 12 sind voneinander mithilfe eines Transformators Tr isoliert. Zum Beispiel ist die Spannungsumsetzungsvorrichtung 100 an einem Fahrzeug montiert und wird als DC-DC-Wandler verwendet, der eine Batteriespannung verstärkt und die verstärkte Spannung zu einer Last wie einem Gerät an Bord zuführt.
Das Relais 10 ist zwischen einer positiven Elektrode einer Gleichstromversorgung 1 und der ersten Umsetzungsschaltung 11 angeschlossen. Eine negative Elektrode der Gleichstromversorgung 1 ist an eine Erdung G angeschlossen. Die Steuerung 15 steuert einen Betrieb des Relais 10.
Die erste Umsetzungsschaltung 11 führt das Umschalten einer Gleichspannung bei der Gleichstromversorgung 1 aus und setzt die Gleichspannung in eine Wechselspannung um, während sie die Gleichspannung verstärkt. Die erste Umsetzungsschaltung 11 enthält ein Hilfsschaltelement S1, ein Hauptschaltelement S2, einen Eingangsinduktor Lin, eine Primärwicklung W1 des Transformators Tr und Kondensatoren C1 und C2. Jedes des Hilfs- und Hauptschaltelements S1 und S2 ist mit einem Feldeffekttransistor (FET) konstruiert. Der Kondensator C1 entspricht einem ”ersten Kondensator” in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung und der Kondensator C2 entspricht einem ”zweiten Kondensator” in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung. Eine Schaltungskonfiguration der ersten Umsetzungsschaltung 11 ist mit jener in 2.1 der Nicht-Patentliteratur 3 identisch.
Eine Source des Hilfsschaltelements S1 ist an einen Drain des Hilfsschaltelements S2 angeschlossen und der Eingangsinduktor Lin ist zwischen einem Verbindungspunkt der Source des Hilfsschaltelements S1 und dem Drain des Hauptschaltelements S2 und dem Relais 10 angeschlossen.
Eine parallele Schaltung eines parasitären Kondensator Cs1 und einer parasitären Diode D1 ist äquivalent zwischen dem Drain und der Source des Hilfsschaltelements S1 angeschlossen. Ebenso ist eine parallele Schaltung eines parasitären Kondensators Cs2 und einer parasitären Diode D2 äquivalent zwischen dem Drain und der Source des Hauptschaltelements S2 angeschlossen. Eine Streuinduktivität Lk ist äquivalent in Reihe an die Primärwicklung W1 des Transformators Tr angeschlossen.
Der Drain des Hilfsschaltelements S1 ist an ein Ende des Kondensators C1 angeschlossen und das andere Ende des Kondensators C1 ist an ein Ende des Kondensators C2 angeschlossen. Das andere Ende des Kondensators C2 ist an die Erdung G angeschlossen. Eine Reihenschaltung der Primärwicklung W1 des Transformators Tr und der Streuinduktivität Lk ist zwischen dem Verbindungspunkt der Kondensatoren C1 und C2 und dem Verbindungspunkt des Hilfs- und Hauptschaltelements S1 und S2 angeschlossen.
Folglich sind in der ersten Umsetzungsschaltung 11 der Eingangsinduktor Lin und das Hauptschaltelement S2 in Reihe an die Gleichstromversorgung 1 angeschlossen, die Reihenschaltung der Primärwicklung W1 und des Kondensators C2 ist parallel an das Hauptschaltelement S2 angeschlossen und die Reihenschaltung des Kondensators C1 und des Hilfsschaltelements S1 ist parallel an die Primärwicklung W1 angeschlossen.
Die zweite Umsetzungsschaltung 12 richtet die Wechselspannung gleich, die mit der ersten Umsetzungsschaltung 11 verstärkt wurde, und setzt die Wechselspannung in die Gleichspannung um. Die zweite Umsetzungsschaltung 12 enthält eine Sekundärwicklung W2 des Transformators Tr, Dioden D3 und D4, die die in der Sekundärwicklung W2 generierte Wechselspannung gleichrichten, und Kondensatoren C3 und C4, die die gleichgerichtete Spannung glätten. Die Dioden D3 und D4 sind ein Beispiel eines ”Gleichrichtungselements” in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung. Eine Schaltungskonfiguration der zweiten Umsetzungsschaltung 12 ist auch mit jener in 2.1 der Nicht-Patentliteratur 3 identisch.
Eine Kathode der Diode D3 ist an ein Ende des Kondensators C3 angeschlossen und eine Anode der Diode D3 ist an eine Kathode der Diode D4 angeschlossen. Eine Anode der Diode D4 ist an die Erdung G angeschlossen. Das andere Ende des Kondensators C3 ist an ein Ende des Kondensators C4 angeschlossen und das andere Ende des Kondensators C4 ist an die Erdung G angeschlossen. Die Sekundärwicklung W2 des Transformators Tr ist zwischen dem Verbindungspunkt der Dioden D3 und D4 und dem Verbindungspunkt der Kondensatoren C3 und C4 angeschlossen. Eine Last Ro ist zwischen dem Verbindungspunkt der Diode D3 und des Kondensators C3 und der Erdung G angeschlossen.
In der ersten Umsetzungsschaltung 11 sind die Klemmschaltung 13 und die Konstantspannungsschaltung 14 zwischen einem Verbindungspunkt P des Hilfsschaltelements S1 und des Kondensators C1 und einem Stromanschluss 15a der Steuerung 15 angeschlossen. Die Klemmschaltung 13 und die Konstantspannungsschaltung 14 stellen eine Notfall-Stromversorgungsschaltung dar. In einem Notfall, in dem eine Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 abnimmt, erhält die Notfall-Stromversorgungsschaltung eine Stromversorgungsspannung Vb, die für einen Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist, von einer Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P und führt die Stromversorgungsspannung Vb der Steuerung 15 zu (Details werden später beschrieben).
Die Klemmschaltung 13 klemmt die Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P, die in einen Eingangsanschluss 13a bei einem vorbestimmten Pegel eingeht, und gibt eine Ausgangspannung Va aus, die niedriger als die Spannung Vm von einem Ausgangsanschluss 13b ist. Da eine allgemein bekannte Schaltung als Klemmschaltung 13 verwendet werden kann, entfällt die ausführliche Beschreibung. Die Konstantspannungsschaltung 14 stabilisiert die Ausgangspannung Va bei der Klemmschaltung 13, die in einen Eingangsanschluss 14a eingeht, und gibt eine konstante Spannung Vb von einem Ausgangsanschluss 14b aus. Die konstante Spannung Vb ist die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist. Da eine allgemein bekannte Schaltung als Konstantspannungsschaltung 14 verwendet werden kann, entfällt die ausführliche Beschreibung.
Die Steuerung 15 besteht aus einer CPU und steuert den Umschaltbetrieb der ersten Umsetzungsschaltung 11. Insbesondere stellt die Steuerung 15 ein Steuersignal an den Gate-Treiber 16 bereit, um ein Einschalten und Ausschalten des Hilfsschaltelements S1 und des Hauptschaltelements S2 zu steuern. Wie später beschrieben, steuert die Steuerung 15 den Betrieb der Klemmschaltung 13. Ein externes Signal geht von einer bordeigenen elektronischen Steuereinheit (ECU) in die Steuerung 15 ein und die Steuerung 15 führt einen vorbestimmten Steuerungsbetrieb basierend auf dem externen Signal aus. Der Stromanschluss 15a der Steuerung 15 ist an einen Ausgangsanschluss 14b der Konstantspannungsschaltung 14 angeschlossen.
Basierend auf dem Steuersignal von der Steuerung 15 generiert der Gate-Treiber 16 Gate-Signale Vgs1 und Vgs2, um das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 ein- und auszuschalten. Das Gate-Signal Vgs1 ist an ein Gate des Hilfsschaltelements S1 bereitgestellt und das Gate-Signal Vgs2 ist an ein Gate des Hauptschaltelements S2 bereitgestellt. Ein Stromanschluss 16a des Gate-Treibers 16 ist an den Eingangsanschluss 14a der Konstantspannungsschaltung 14 angeschlossen. Der Gate-Treiber 16 ist ein Beispiel einer ”Treiberschaltung” in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung, und die Gate-Signale Vgs1 und Vgs2 sind ein Beispiel eines ”Treibersignals” in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung.
Die Diode D5 ist zwischen der Gleichstromversorgung 1 und der Konstantspannungsschaltung 14 bereitgestellt und die Diode D6 ist zwischen der Klemmschaltung 13 und der Konstantspannungsschaltung 14 bereitgestellt. Insbesondere ist eine Anode der Diode D5 an eine positive Elektrode der Gleichstromversorgung 1 angeschlossen und eine Anode der Diode D6 ist an den Ausgangsanschluss 13b der Klemmschaltung 13 angeschlossen. Kathoden der Dioden D5 und D6 sind an den Eingangsanschluss 14a der Konstantspannungsschaltung 14 angeschlossen. Die Diode D5 entspricht einer „ersten Diode” in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung und die Diode D6 entspricht einer „zweiten Diode” in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung.
2 stellt ein Beispiel des Gate-Signal-Ausgangs von dem Gate-Treiber 16 dar. In 2 zeigt (a) das Gate-Signal Vgs2, das an das Gate des Hauptschaltelements S2 angelegt wird, und (b) zeigt das Gate-Signal Vgs1, das an das Gate des Hilfsschaltelements S1 angelegt wird. Die Gate-Signale Vgs1 und Vgs2 sind ein Signal einer Pulsweitenmodulation (PWM), das ein vorbestimmtes Tastverhältnis hat. T gibt eine Periode des Gate-Signals an und D gibt ein Tastverhältnis an. Das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 sind eingeschaltet, wenn die Gate-Signale Vgs1 und Vgs2 in einem H (Hoch)-Pegelabschnitt sind, und das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 sind ausgeschaltet, wenn die Gate-Signale in einem L (Nieder)-Pegelabschnitt sind. Wie oben beschrieben, werden das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 abwechselnd eingeschaltet und eines der Hilfs- und Hauptschaltelemente S1 und S2 wird ausgeschaltet, wenn das andere eingeschaltet ist (obwohl tatsächlich ein Totzeitabschnitt vorgesehen ist, so dass das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 nicht gleichzeitig in den Ein-Zustand versetzt werden, wobei der Totzeitabschnitt in 2 nicht dargestellt ist).
Der Betrieb der oben beschriebenen Spannungsumsetzungsvorrichtung 100 ist wie folgt. Das Relais 10 wird eingeschaltet und der Gate-Treiber 16 legt die Gate-Signale Vgs1 und Vgs2 an die Gates des Hilfs- und Hauptschaltelements S1 und S2 an, wodurch die Spannungsumsetzungsvorrichtung 100 den Betrieb startet. Wenn das Hilfsschaltelement S1 ausgeschaltet ist, während das Hauptschaltelement S2 eingeschaltet ist, akkumuliert die Gleichstromversorgung 1 Energie im Eingangsinduktor Lin. Die akkumulierte Energie hängt von dem Tastverhältnis D des Hauptschaltelements S2 ab. Die Spannung am Kondensator C2 wird an die Primärwicklung W1 des Transformators Tr angelegt und zur Sekundärwicklung W2 übertragen, und der Last Ro wird Leistung zugeführt. An diesem Punkt ist die Spannung am Kondensator C2 im Wesentlichen gleich der Spannung bei der Gleichstromversorgung 1.
Wenn das Hauptschaltelement S2 ausgeschaltet wird, wird ein Verstärkungsbetrieb (boost operation) gestartet und die Kondensatoren C1 und C2 werden durch die parasitäre Diode D1 mit der im Eingangsinduktor Lin akkumulierten Energie geladen. Dann wird die Spannung am Kondensator C1 an die Primärwicklung W1 des Transformators Tr durch das Einschalten des Hilfsschaltelements S1 angelegt, die verstärkte Spannung wird zur Sekundärwicklung W2 übertragen und die Leistung wird der Last Ro zugeführt. An diesem Punkt hängt die Spannung an dem Kondensator C1 von der Spannung bei der Gleichstromversorgung 1 und dem Tastverhältnis D ab.
3 zeigt eine Spannung und einen Strom jeder Einheit der Spannungsumsetzungsvorrichtung 100. Eine Stufe, die auf den Verbindungspunkt P in 1 folgt, ist in 3 nicht dargestellt. 3 ist im Grunde mit 2.1 der Nicht-Patentliteratur 3 identisch und eine Definition jedes Bezugszeichens in 3 ist wie folgt.

Vin:: Eingangsspannung (Spannung bei Gleichstromversorgung 1)
Vo:: Ausgangsspannung
Vs1:: Spannung an beiden Enden beim Hilfsschaltelement S1
Vs2:: Spannung an beiden Enden beim Hauptschaltelement S2
Vc1:: Spannung an beiden Enden beim Kondensator C1
Vc2:: Spannung an beiden Enden beim Kondensator C2
Vc3:: Spannung an beiden Enden beim Kondensator C3
Vc4:: Spannung an beiden Enden beim Kondensator C4
Vm:: Spannung an Verbindungspunkt P
Vp:: Spannung an beiden Enden bei der Primärwicklung W1 des Transformators Tr
Vs:: Spannung an beiden Enden bei der Sekundärwicklung W2 des Transformators Tr
V_Lin:: Spannung an beiden Enden beim Eingangsinduktor Lin
V_LK:: Spannung an beiden Enden bei Streuinduktivität Lk
i_in:: Eingangsstrom
i_o:: Ausgangsstrom
i_SW1:: Stromdurchgang durch Hilfsschaltelement S1
i_SW2:: Stromdurchgang durch Hauptschaltelement S2
i_LK:: Stromdurchgang durch Streuinduktivität Lk

In einem normalen Zustand, in dem das Relais 10 eingeschaltet ist, um die Schaltung zu betreiben, können die Spannungen Vc1, Vc2, Vm, Vc3, Vc4 und Vo durch die folgenden Gleichungen berechnet werden, wie in 3 dargestellt. Wobei D das Tastverhältnis in 2 ist und N ein Wicklungsverhältnis des Transformators Tr ist. Vc1 = [D/(1 – D)]·Vin Vc2 = Vin Vm = Vc1 + Vc2 = [1/(1 – D)]·Vin Vc3 = Vc1·N = [D/(1 – D)]·Vin·N Vc4 = Vc2·N = Vin·N Vo = Vc3 + Vc4 = [1/(1 – D)]·Vin·N (1)
Wie aus der obenstehenden Gleichung (1) erkennbar ist, hängt die Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P von der Eingangsspannung Vin und dem Tastverhältnis D ab. Im Fall, wenn sich D in einem Bereich von 0 < D < 1 befindet, wird Vm > Vin erhalten und die Spannung Vm, die höher als die Eingangsspannung Vin ist, wird an dem Verbindungspunkt P generiert. Das heißt, dass die Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P eine Spannung ist, in der die Eingangsspannung Vin verstärkt ist. Die vorliegende Offenbarung konzentriert sich auf diesen Punkt und erhält die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist, von der verstärkten Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P, so dass der Betrieb der Steuerung 15 nicht unterbrochen wird, selbst wenn die Eingangsspannung Vin abnimmt (Details werden später beschrieben).
4 zeigt Wellenformen für eine Periode der Spannung und des Stroms in Bezug auf jede Einheit in 3. 2.2 der Nicht-Patentliteratur 3 ist als 4 angegeben. In einer horizontalen Achse geben t0 bis t6 die folgenden Zeitpunkte an. t0 ist der Zeitpunkt unmittelbar nachdem das Hilfsschaltelement S1 ausgeschaltet wird. t1 ist der Zeitpunkt, zu dem ein Gate-Signal Vgs2 des Hauptschaltelements S2 steigt (wird zu H von L). t2 ist der Zeitpunkt, zu dem das Hauptschaltelement S2 durch das Gate-Signal Vgs2 eingeschaltet wird. t3 ist der Zeitpunkt, zu dem das Gate-Signal Vgs2 des Hauptschaltelements S2 fällt (wird zu L von H). t4 ist der Zeitpunkt, zu dem das Gate-Signal Vgs1 des Hilfsschaltelements S1 steigt (wird zu H von L). t5 ist der Zeitpunkt, zu dem das Hilfsschaltelement S1 durch das Gate-Signal Vgs1 eingeschaltet wird. t6 ist der Zeitpunkt, zu dem das Gate-Signal Vgs1 des Hilfsschaltelements S1 fällt (wird zu L von H).
5A bis 5F zeigen Stromdurchgänge der ersten Umsetzungsschaltung 11 und zweiten Umsetzungsschaltung 12 in einem bestimmten Abschnitt in einer Periode. Die Wellenformgrafik unter jeder Zeichnung ist teilweise der Wellenformgrafik in 4 entnommen, um Abschnitte A bis F zu zeigen.
5A zeigt den Stromdurchgang in Abschnitt A (t0 bis t1). In Abschnitt A sind sowohl das Hilfs- als auch Hauptschaltelement S1 und S2 im ausgeschalteten Zustand. In der ersten Umsetzungsschaltung 11 wird zu demselben Zeitpunkt, zu dem das Hilfsschaltelement S1 ausgeschaltet wird, die Ladung des parasitären Kondensators Cs1 gestartet und eine Spannung Vs1 steigt auf Vc1 + Vc2. Andererseits entlädt der parasitäre Kondensator Cs2 des Hauptschaltelements S2 und eine Spannung Vs2 nimmt auf null ab. Ein Eingangsstrom i_in wird ein Minimalwert und ein Streuinduktivitätsstrom i_LK wird ein positiver Spitzenwert. In der zweiten Umsetzungsschaltung 12 bleibt ein Durchgang eines Stroms i_D3 bestehen, der durch die Diode D3 geht.
5B zeigt den Stromdurchgang in Abschnitt B (t1 bis t2). In Abschnitt B wird das Hilfsschaltelement S1 im ausgeschalteten Zustand gehalten und das Hauptschaltelement S2 ist in dem Zustand unmittelbar vor dem Einschalten. In der ersten Umsetzungsschaltung 11 wird die parasitäre Diode D2 zum Zeitpunkt t1 leitend. Das Hauptschaltelement S2 wird erst eingeschaltet, wenn der Stromdurchgang durch die parasitäre Diode D2 null wird. Die Erhöhung im Eingangsstrom i_in startet bei dem Minimalwert und der Streuinduktivitätsstrom i_LK nimmt auf null ab. In der zweiten Umsetzungsschaltung 12 nimmt der Strom i_D3, der durch die Diode D3 geht, auf null ab.
5C zeigt den Stromdurchgang in Abschnitt C (t2 bis t3). In Abschnitt C wird das Hauptschaltelement S2 eingeschaltet und das Hilfsschaltelement S1 wird im ausgeschalteten Zustand gehalten. In der ersten Umsetzungsschaltung 11 wird die Spannung Vc2 am Kondensator C2 an beide Enden der Reihenschaltung der Primärwicklung W1 und Streuinduktivität Lk angelegt und eine Polarität der Spannung Vp an der Primärwicklung W1 wird von positiv zu negativ umgekehrt (siehe 4). Die Erhöhung im Eingangsstrom i_in wird fortgesetzt und die Erhöhung im Streuinduktivitätsstrom i_LK startet von null in eine negative Richtung. In der zweiten Umsetzungsschaltung 12 wird die Diode D4 leitend und der Durchgang eines Stroms i_D4 durch die Diode D4 startet. Die Polarität der Spannung Vs bei der Sekundärwicklung W2 wird von positiv zu negativ umgekehrt (siehe 4).
5D zeigt den Stromdurchgang in Abschnitt D (t3 bis t4). In Abschnitt D wird das Hilfsschaltelement S1 im ausgeschalteten Zustand gehalten und das Hauptschaltelement S2 wird ausgeschaltet. In der ersten Umsetzungsschaltung 11 lädt der parasitäre Kondensator Cs2 bis Vs2 = Vc1 + Vc2 und der parasitäre Kondensator Cs1 entlädt bis Vs1 = 0. Der Eingangsstrom wird ein Maximalwert und der Streuinduktivitätsstrom i_LK wird ein negativer Spitzenwert. In der zweiten Umsetzungsschaltung 12 geht der Strom i_D4 kontinuierlich durch die Diode D4.
5E zeigt den Stromdurchgang in Abschnitt E (t4 bis t5). In Abschnitt E wird das Hauptschaltelement S2 im ausgeschalteten Zustand gehalten und das Hilfsschaltelement S1 ist im Zustand unmittelbar vor dem Einschalten. In der ersten Umsetzungsschaltung 11 wird der Durchgang des Stroms durch die parasitäre Diode D1 zu demselben Zeitpunkt gestartet, zu dem die Entladung des parasitären Kondensators Cs1 beendet ist. Das Hilfsschaltelement S1 wird erst eingeschaltet, wenn der Stromdurchgang durch die parasitäre Diode D1 null wird. Die Abnahme im Eingangsstrom i_in startet vom Maximalwert und der Streuinduktivitätsstrom i_LK nimmt vom negativen Spitzenwert auf null ab. In der zweiten Umsetzungsschaltung 12 nimmt der Strom i_D4, der durch die Diode D4 geht, auf null ab.
5F zeigt den Stromdurchgang in Abschnitt F (t5 bis t6). In Abschnitt F wird das Hilfsschaltelement S1 eingeschaltet und das Hauptschaltelement S2 wird im ausgeschalteten Zustand gehalten. In der ersten Umsetzungsschaltung 11 nimmt der Eingangsstrom i_in auf den Minimalwert ab und der Streuinduktivitätsstrom i_LK nimmt von null auf den positiven Spitzenwert zu. In der zweiten Umsetzungsschaltung 12 wird die Diode D3 leitend und der Strom i_D3 geht durch die Diode D3. Wenn das Hilfsschaltelement S1 zum Zeitpunkt t6 ausgeschaltet wird, kehrt die Wellenformgrafik zu 5A zurück und die nächste Periode startet.
Die Zufuhr der Leistung zu der Steuerung 15 und dem Gate-Treiber 16 wird unten mit Bezug auf 6 und 7 beschrieben.
<Normale Stromversorgung>
6 zeigt einen normalen Stromversorgungsweg (fette Linie), wenn die Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 nicht abnimmt. In diesem Fall stoppt die Klemmschaltung 13 den Betrieb und die Spannung wird nicht dem Ausgangsanschluss 13b der Klemmschaltung 13 zugeführt. Andererseits ist die Konstantspannungsschaltung 14 in dem Betriebszustand.
In dem Zustand von 6 ist die Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 an den Eingangsanschluss 14a der Konstantspannungsschaltung 14 durch die Diode D5 angelegt. Die Konstantspannungsschaltung 14 stabilisiert die Eingangsspannung Vin, generiert die Stromversorgungsspannung Vb, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist, und stellt die Stromversorgungsspannung Vb an den Stromanschluss 15a der Steuerung 15 bereit. Die Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 ist als Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb des Gate-Treibers 16 notwendig ist, an den Stromanschluss 16a des Gate-Treibers 16 durch die Diode D5 angelegt.
Daher wird im normalen Zustand die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist, von der Gleichstromversorgung 1 der Steuerung 15 durch die Konstantspannungsschaltung 14 zugeführt. Zudem wird die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb des Gate-Treibers 16 notwendig ist, von der Gleichstromversorgung 1 dem Gate-Treiber 16 nicht über die Konstantspannungsschaltung 14 zugeführt.
<Stromversorgung im Notfall (während einer Abnahme in der Eingangsspannung)>
7 zeigt einen Stromversorgungsweg (fette Linie) in einem Notfall, in dem die Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 abnimmt. Wie oben beschrieben, wenn ein Anlassmotor zum Starten eines Motors von einem Leerlaufstoppzustand angelassen wird, nimmt die Eingangsspannung Vin stark ab und manchmal ist die Eingangsspannung Vin niedriger als die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist. Deshalb wird die CPU, die die Steuerung 15 darstellt, zurückgesetzt und der Umschaltbetrieb wird nicht gesteuert.
Aus diesem Grund bringt die Steuerung 15 die Klemmschaltung 13 in den Betriebszustand, wenn ein Leerlaufstopp-Freigabesignal als externes Signal eingeht. Die Klemmschaltung 13 klemmt die Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P, die in den Eingangsanschluss 13a bei einem vorbestimmten Pegel eingeht, und gibt die Ausgangspannung Va aus (Va < Vm), die niedriger als die Spannung Vm von dem Ausgangsanschluss 13b ist. Die Ausgangspannung Va wird an den Eingangsanschluss 14a der Konstantspannungsschaltung 14 durch die Diode D6 bereitgestellt. Wenn die Abnahme in der Eingangsspannung Vin zu Vin < Va führt, wird die Diode D5 eine Sperrvorspannung und die Eingangsspannung Vin wird nicht an den Eingangsanschluss 14a der Konstantspannungsschaltung 14 angelegt. Die Konstantspannungsschaltung 14 stabilisiert die Ausgangspannung Va, die in den Eingangsanschluss 14a eingeht, und gibt die Stromversorgungsspannung Vb, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist, von dem Ausgangsanschluss 14b aus. Die Stromversorgungsspannung Vb wird an den Stromanschluss 15a der Steuerung 15 bereitgestellt.
Beim Freigeben des Leerlaufstopps wird die Stromversorgungsspannung Vb, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist, von der Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P erhalten. Wie oben beschrieben, ist die Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P höher als die Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 (Vin < Vm). Daher führen die Klemmschaltung 13 und die Konstantspannungsschaltung 14, die die Stromversorgungsschaltung darstellen, die Stromversorgungsspannung Vb, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist, zu, sogar wenn die Eingangsspannung Vin durch das Anlassen des Anlassmotors abnimmt. Die Steuerung 15 kann das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 kontinuierlich steuern, ohne zurückgesetzt zu werden.
Die Ausgangspannung Va, die von der Klemmschaltung 13 ausgeht, wird auch an den Stromanschluss 16a des Gate-Treibers 16 durch die Diode D6 bereitgestellt. Das heißt, dass die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb des Gate-Treibers 16 notwendig ist, auch von der Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P erhalten wird. Sogar wenn die Eingangsspannung Vin bei einer Freigabe des Leerlaufstopps abnimmt, kann der Gate-Treiber 16 das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 kontinuierlich antreiben, ohne außer Betrieb gesetzt zu werden.
Gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform werden in einem Notfall, in dem die Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 abnimmt, die Stromversorgungsspannung Vb, die für den Betrieb der Steuerung 15 notwendig ist, und die Stromversorgungsspannung Va, die für den Betrieb des Gate-Treibers 16 notwendig ist, von der verstärkten Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P erhalten und der Steuerung 15 und dem Gate-Treiber 16 zugeführt. Sogar wenn die Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 niedriger als die Stromversorgungsspannung ist, die für den Betrieb der Steuerung 15 oder des Gate-Treibers 16 notwendig ist, arbeitet die Steuerung 15 oder der Gate-Treiber 16 aufgrund der Freigabe des Leerlaufstopps normal und der Umschaltbetrieb jedes Hilfs- und Hauptschaltelements S1 und S2 kann kontinuierlich ausgeführt werden.
Gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform ist es im Gegensatz zu Patentliteratur 5 nicht notwendig, eine Tertiärwicklung in dem Transformator Tr bereitzustellen. Daher kann die komplizierte Struktur des Transformators Tr vermieden werden. Zudem wird die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung 15 oder des Gate-Treibers 16 notwendig ist, nicht von der sekundärseitigen zweiten Umsetzungsschaltung 12, sondern von der primärseitigen ersten Umsetzungsschaltung 11 erhalten. Daher ist es nicht notwendig, eine Isolierschaltung in der Stromversorgungsschalung bereitzustellen, so dass die Konfiguration vereinfacht ist.
8 zeigt eine Spannungsumsetzungsvorrichtung 100 gemäß einer anderen Ausführungsform. In der Spannungsumsetzungsvorrichtung 100 von 1 ist der Stromanschluss 16a des Gate-Treibers 16 an den Eingangsanschluss 14a der Konstantspannungsschaltung 14 angeschlossen. Andererseits ist in der Spannungsumsetzungsvorrichtung 100 von 8 der Stromanschluss 16a des Gate-Treibers 16 an den Ausgangsanschluss 14b der Konstantspannungsschaltung 14 angeschlossen. Folglich wird die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb des Gate-Treibers 16 notwendig ist, von der Konstantspannungsschaltung 14 zugeführt. Da andere Konfigurationen jenen in 1 ähneln, entfällt die überlappende Beschreibung. Die Wirkung, die jener der Ausführungsform in 1 ähnelt, wird in einer anderen Ausführungsform in 8 erhalten.
Die Spannungsumsetzungsvorrichtungen 100 in 1 und 8 sind der DC-DC-Wandler. Alternativ kann die Spannungsumsetzungsvorrichtung in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung ein DC-AC-Wandler sein, der in Nicht-Patentliteratur 1 beschrieben ist. In diesem Fall wird eine dritte Umsetzungsschaltung (nicht dargestellt), die die Gleichspannung, die mit der zweiten Umsetzungsschaltung 12 erhalten wird, durch Umschalten der Gleichspannung in Wechselspannung umsetzt, an einer Stufe bereitgestellt, die auf die zweite Umsetzungsschaltung 12 folgt.
In 1 und 8 wird die einphasige Spannungsumsetzungsvorrichtung, in der nur ein Satz des Hilfs- und Hauptschaltelements S1 und S2 bereitgestellt ist, anhand eines Beispiels beschrieben. Alternativ kann die Spannungsumsetzungsvorrichtung in einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung eine mehrphasige Spannungsumsetzungsvorrichtung sein, in der mehrere Sätze von Hilfs- und Hauptschaltelementen S1 und S2 parallel zueinander angeschlossen sind. Die mehrphasige Spannungsumsetzungsvorrichtung ist in U.S. Patentveröffentlichung Nr. 2012/0163035 (Patentliteratur 12) oder Changwoo Yoon, Sewan choi "Multi-Phase DC-DC converters using a Boost Half Bridge Cell for High Voltage and High Power Applications" IEEE proceedings, 2006, S. 780–786 (Nicht-Patentliteratur 5) beschrieben. In diesem Fall kann die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung oder des Gate-Treibers notwendig ist, von dem Verbindungspunkt der mehreren Hilfsschaltelemente und des ersten Kondensators erhalten werden.
Zusätzlich zu den obengenannten Ausführungsformen können unterschiedliche Ausführungsformen in der Offenbarung hergestellt werden.
In der zweiten Umsetzungsschaltung 12 der Spannungsumsetzungsvorrichtung 100 ist ein zentraler Abgriff in der Sekundärwicklung W2 des Transformators Tr anstatt der Konfigurationen in 1 und 8 bereitgestellt und eine sekundärseitige Schaltung kann, wie in Patentliteratur 2–10 offenbart, konfiguriert sein.
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist die Klemmschaltung 13, die die Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P bei einem vorbestimmten Pegel klemmt, anhand eines Beispiels bereitgestellt. Alternativ kann eine Spannungsherabsetzungsschaltung, die eine Herabsetzung der Spannung Vm an dem Verbindungspunkt P ausführt, anstatt der Klemmschaltung bereitgestellt sein.
In veranschaulichenden Ausführungsformen wird die Klemmschaltung 13 in den Betriebszustand gebracht, wenn das Signal, das die Freigabe des Leerlaufstopps anzeigt, in die Steuerung 15 eingeht. Alternativ kann die Klemmschaltung 13 in den Betriebszustand gebracht werden, wenn die Steuerung 15 erfasst, dass die Stromversorgungsspannung Vb, die der Steuerung 15 zugeführt wird, auf einen gegebenen Wert abnimmt. Alternativ kann die Klemmschaltung 13 in den Betriebszustand gebracht werden, wenn die Steuerung 15 erfasst, dass die Eingangsspannung Vin bei der Gleichstromversorgung 1 auf einen gegebenen Wert abnimmt.
In veranschaulichenden Ausführungsformen wird die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung 15 und des Gate-Treibers 16 notwendig ist, von der Gleichstromversorgung 1 im normalen Zustand zugeführt und von dem Verbindungspunkt P in einem Notfall zugeführt (während der Abnahme in der Eingangsspannung). Wenn jedoch ein Verlust in der ersten Umsetzungsschaltung 11 oder der Klemmschaltung 13 vorliegt, kann die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung 15 und des Gate-Treibers 16 notwendig ist, von dem Verbindungspunkt P im normalen Zustand zugeführt werden.
In veranschaulichenden Ausführungsformen werden Dioden D3 und D4 als Gleichrichtungselemente der zweiten Umsetzungsschaltungen 12 verwendet. Alternativ kann ein FET anstatt der Diode verwendet werden.
In veranschaulichenden Ausführungsformen werden FET als Hilfs- und Hauptschaltelemente S1 und S2 verwendet. Alternativ kann ein Transistor oder ein IGBT anstatt dem FET verwendet werden.
In veranschaulichenden Ausführungsformen ist das Relais 10 zwischen der Gleichstromversorgung 1 und der ersten Umsetzungsschaltung 11 bereitgestellt. Alternativ kann ein Schalter, ein FET oder ein Transistor anstatt dem Relais 10 verwendet werden.
In veranschaulichenden Ausführungsformen werden das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 mittels eines PWM-Signals angetrieben. Alternativ kann das Hilfs- und Hauptschaltelement S1 und S2 mittels eines Signals, abgesehen von dem PWM-Signal, angetrieben werden.
In veranschaulichenden Ausführungsformen wird die Spannungsumsetzungsvorrichtung, die an einem Fahrzeug montiert ist, mittels Beispielen angegeben. Eine oder mehrere Ausführungsformen der Offenbarung sind jedoch auch auf eine Spannungsumsetzungsvorrichtung für jegliche Objekte zusätzlich zu dem Fahrzeug anwendbar.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute auf dem Gebiet angesichts des Nutzens dieser Offenbarung klar, dass andere Ausführungsformen gestaltet werden können, die nicht vom Umfang der Erfindung wie hier offenbart abweichen. Daher sollte der Umfang der Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche eingeschränkt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016-163636 [0001]
US 2014/0268908 [0004]
JP 2002-315324 [0004]
JP 2003-92876 [0004]
JP 2003-92877 [0004]
JP 2003-92881 [0004]
JP 2007-189835 [0004]
JP 2007-236155 [0004]
JP 2007-236156 [0004]
JP 2008-79454 [0004]
JP 2010-226931 [0004]
US 2012/0163035 [0076]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Shuai Jiang, Dong Cao, Fang Z. Peng und Yuan Li ”Grid-Connected Boost-Half-Bridge Photovoltaisch Micro Inverter System Using Repetitive Current Control and Maximum Power Point Tracking”, 5–9 Feb. 2012, 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), S. 590–597 [0004]
Dong Cao, Shuai Jiang, Fang Z. Peng und Yuan Li ”Low Cost Transformer Isolated Boost Half-bridge Micro-inverter for Single-phase Grid-connected Photovoltaic System”, 5–9 Feb. 2012, 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), S. 71–78 [0004]
Hossein Tahmasebi, ”Boost Integrated High Frequency Isolated Half-Bridge DC-DC Converter: Analysis, Design, Simulation and Experimental Results”, 2015, ein Projektbericht, der in teilweiser Erfüllung der Anforderungen für den Grad eines MASTER OF ENGINEERING, an der Universität von Victoria eingereicht wurde (https://dspace.library.uvic.ca/bitstream/handle/1828/6427/Tahmasebi_Hossein_ MEng_2015.pdf) [0004]
York Jr, John Benson, ”An Isolated Micro-Converter for Next-Generation Photovoltaic Infrastructure” 2013-04-19, Dissertation, die an der Fakultät der Virginia Polytechnic Institute und State University eingereicht wurde (https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/19326/York_JB_D_2013.pdf) [0004]
Changwoo Yoon, Sewan choi ”Multi-Phase DC-DC converters using a Boost Half Bridge Cell for High Voltage and High Power Applications” IEEE proceedings, 2006, S. 780–786 [0076]

Claims

Spannungsumsetzungsvorrichtung, umfassend: eine erste Umsetzungsschaltung, die konfiguriert ist, eine Gleichspannung bei einer Gleichstromversorgung umzuschalten, um die Gleichspannung in eine Wechselspannung umzusetzen; eine zweite Umsetzungsschaltung, die konfiguriert ist, die Wechselspannung, die mit der ersten Umsetzungsschaltung umgesetzt wurde, gleichzurichten, um die Wechselspannung in eine Gleichspannung umzusetzen; eine Steuerung, die konfiguriert ist, einen Schaltbetrieb der ersten Umsetzungsschaltung zu steuern, wobei die erste Umsetzungsschaltung und die zweite Umsetzungsschaltung mithilfe eines Transformators voneinander isoliert sind, wobei die erste Umsetzungsschaltung ein Hauptschaltelement, ein Hilfsschaltelement, einen Eingangsinduktor, eine Primärwicklung des Transformators, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst, wobei der Eingangsinduktor und das Hauptschaltelement in Reihe an die Gleichstromversorgung angeschlossen sind, wobei eine Reihenschaltung der Primärwicklung und des zweiten Kondensators parallel an das Hauptschaltelement angeschlossen ist, wobei eine Reihenschaltung des ersten Kondensators und des Hilfsschaltelements parallel an die Primärwicklung angeschlossen ist, wobei die zweite Umsetzungsschaltung eine Sekundärwicklung des Transformators und ein Gleichrichtungselement umfasst, das konfiguriert ist, eine Wechselspannung gleichzurichten, die in der Sekundärwicklung generiert wird; und eine Stromversorgungsschaltung, die zwischen einem Verbindungspunkt des Hilfsschaltelements und dem ersten Kondensator und der Steuerung bereitgestellt ist, wobei die Stromversorgungsschaltung eine Stromversorgungsspannung, die für einen Betrieb der Steuerung notwendig ist, von einer Spannung an dem Verbindungspunkt erhält und die Stromversorgungsspannung der Steuerung zuführt.
Spannungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, von der Gleichstromversorgung der Steuerung in einem normalen Zustand zugeführt wird, in dem die Gleichspannung bei der Gleichstromversorgung nicht abnimmt, und wobei die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, von der Stromversorgungsschaltung der Steuerung in einem Notfall zugeführt wird, in dem die Gleichspannung bei der Gleichstromversorgung abnimmt.
Spannungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromversorgungsschaltung eine Klemmschaltung umfasst, die konfiguriert ist, die Spannung an dem Verbindungspunkt bei einem vorbestimmten Pegel zu klemmen und eine Spannung auszugeben, die niedriger als die Spannung an dem Verbindungspunkt ist.
Spannungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Stromversorgungsschaltung ferner eine Konstantspannungsschaltung umfasst, die konfiguriert ist, die Ausgangsspannung an der Klemmspannung zu stabilisieren.
Spannungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend: eine erste Diode, die zwischen der Gleichstromversorgung und der Konstantspannungsschaltung bereitgestellt ist; und eine zweite Diode, die zwischen der Klemmschaltung und der Konstantspannungsschaltung bereitgestellt ist, wobei eine Anode der ersten Diode an eine positive Elektrode der Gleichstromversorgung angeschlossen ist, wobei eine Anode der zweiten Diode an einen Ausgangsanschluss der Klemmschaltung angeschlossen ist, und wobei Kathoden der ersten Diode und der zweiten Diode an einen Eingangsanschluss der Konstantspannungsschaltung angeschlossen sind.
Spannungsumsetzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: eine Treiberschaltung, die konfiguriert ist, ein Treibersignal an das Hauptschaltelement und das Hilfsschaltelement auszugeben, um das Hauptschaltelement und das Hilfsschaltelement basierend auf einem Steuersignalausgang von der Steuerung anzutreiben, wobei die Stromversorgungsschaltung die Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Treiberschaltung notwendig ist, von der Spannung an dem Verbindungspunkt erhält und die Stromversorgungsspannung der Treiberschaltung zuführt.
Spannungsumsetzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn ein Signal, das eine Freigabe eines Leerlaufstoppzustands eines Fahrzeugs anzeigt, eingeht, die Steuerung die Stromversorgungsschaltung in einen Betriebszustand bringt und die Versorgung der Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, von der Stromversorgungsschaltung erhält.
Spannungsumsetzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn erfasst wird, dass die Stromversorgungsspannung, die der Steuerung zugeführt ist, oder die Gleichspannung bei der Gleichstromversorgung auf einen gegebenen Wert abnimmt, die Steuerung die Stromversorgungsschaltung in den Betriebszustand bringt und die Versorgung der Stromversorgungsspannung, die für den Betrieb der Steuerung notwendig ist, von der Stromversorgungsschaltung erhält.