DE102018200874A1

DE102018200874A1 - Bidirektionaler Gleichspannungswandler sowie Verfahren zum Betreiben eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers

Info

Publication number: DE102018200874A1
Application number: DE102018200874.4A
Authority: DE
Inventors: Rico Seidel
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-01-31

Abstract

Offenbart wird ein bidirektionaler Gleichspannungswandler (GW1, GW2) umfassend:
- eine Primärseite (PS) zum Anschließen an einer ersten Spannung (U1);
- eine Sekundärseite (SS) zum Anschließen an einer zweiten Spannung (U2);
- eine Halbleiterschalteranordnung (HS) in der Sekundärseite (SS), umfassend:
o zwischen einem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt (A21) und einem Massestromanschluss (GD) eine erste Reihenschaltung von einem ersten Halbleiterschalter (S1) und einem Zwischenenergiespeicher (Cf);
o zwischen einem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt (A22) und dem Massestromanschluss (GD) eine zweite Reihenschaltung von einem zweiten Halbleiterschalter (S2) und dem Zwischenenergiespeicher (Cf);
o einen dritten Halbleiterschalter (S3) zwischen dem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt (A21) und dem Massestromanschluss (GD);
o einen vierten Halbleiterschalter (S4) zwischen dem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt (A21) und dem Massestromanschluss (GD); sowie
- eine Kontrolleinheit (KE) zum Betreiben der Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4).

Description

Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bidirektionalen Gleichspannungswandler sowie Verfahren zum Betreiben des genannten Gleichspannungswandlers.
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
Bei bidirektionalen Gleichspannungswandlern mit einem Transformator zur Wandlung in beiden Wandler-Richtungen und somit ohne jeweils eine separate Wandler-Strecke für jede Wandler-Richtung besteht keine Möglichkeit, außerhalb der durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators festgelegten Spannungsbereiche sowie der Sperrfestigkeit der Halbleiterschalter der Gleichspannungswandlern zu arbeiten.
Werden die Gleichspannungswandler in beiden Wandler-Richtungen über größere bzw. ungeeignete Spannungsbereiche betrieben, so besteht die Gefahr, dass die Halbleiterschalter defekt gehen. Dies führt wiederum zu Störungen bzw. Defekten bei den Gleichspannungswandlern.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der ein bidirektionaler Gleichspannungswandler in beiden Wandler-Richtungen über größere Spannungsbereiche zuverlässig übersetzen kann.
Beschreibung der Erfindung:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gleichspannungswandler, insb. ein Gegentaktflusswandler, bereitgestellt.
Der Gleichspannungswandler umfasst eine Primärseite (mit entsprechenden primärseitigen Stromanschlüssen) zum Anschließen der Primärseite einer ersten Spannung bzw. zum Anlegen der ersten Spannung.
Der Gleichspannungswandler umfasst ferner eine Sekundärseite (mit entsprechenden sekundärseitigen Stromanschlüssen) zum Anschließen der Sekundärseite einer zweiten, insb. gegenüber der ersten Spannung niedrigeren, Spannung bzw. zum Anlegen der zweiten Spannung.
Der Gleichspannungswandler umfasst ferner einen Transformator, insb. einen Leistungstransformator, mit einer Primärwicklung in der Primärseite und einer Sekundärwicklung in der Sekundärseite. Dabei ist die Sekundärwicklung zwischen einem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkten und einem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkten elektrisch angeschlossen.
Der Gleichspannungswandler umfasst ferner eine Halbleiterschalteranordnung in der Sekundärseite, die wiederum umfasst:

- eine erste Reihenschaltung von einem ersten Halbleiterschalter und einem Zwischenenergiespeicher, die zwischen dem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt und einem Massestromanschluss elektrisch angeschlossen ist;
- eine zweite Reihenschaltung von einem zweiten Halbleiterschalter und dem Zwischenenergiespeicher, die zwischen dem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt und dem Massestromanschluss elektrisch angeschlossen ist;
- einen dritten Halbleiterschalter zwischen dem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt und dem Massestromanschluss;
- einen vierten Halbleiterschalter zwischen dem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt und dem Massestromanschluss.

Der Gleichspannungswandler umfasst außerdem eine Kontrolleinheit zum Betreiben der Halbleiterschalter, die eingerichtet ist, insb. während einer Spannungsumwandlung von der zweiten Spannung in die erste Spannung, den ersten und den zweiten Halbleiterschalter derart zu steuern, dass der Zwischenenergiespeicher bis auf einer Ladespannung zwischengeladen wird, die zwischen der zweiten Spannung und der Durchbruchspannung des dritten und des vierten Halbleiterschalter liegt.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein bidirektionaler Gleichspannungswandler mit einem (Leistungs-)Transformator, insb. ein Gegentaktflusswandler, nur in einer sogenannten Hauptrichtung, in der der Gleichspannungswandler eine primärseitige Eingangsspannung in der Hochvoltseite (Primärseite) des Transformators in eine gegenüber der Eingangsspannung niedrigere sekundärseitige Ausgangsspannung in der Niedervoltseite (Sekundärseite) des Transformators umwandelt, in der Regel auch uneingeschränkt mit 0 Volt auf der Niedervoltseite umwandeln kann.
Die Hauptrichtung ist damit gekennzeichnet, dass das Filterelement zur Filterung der erzeugten Rechteckspannung, in der Regel eine L-C-Filterstufe, auf der Sekundärseite des Wandlers angeordnet ist.
In einer der Hauptrichtung entgegengesetzten, inversen Richtung, bei der das Filterelement zwischen dem Eingang und dem Transformator sitzt, ist zur Spannungswandlung auf der (nun sekundärseitigen) Hochvoltseite eine Mindestspannung notwendig, die vom Übersetzungsverhältnis des Transformators und der (nun primärseitigen) Eingangsspannung der Niedervoltseite abhängt.
Um den Stromfluss in der inversen Nebenrichtung zu ermöglichen, sind die aktiven Gleichrichterschalter des Gleichspannungswandlers mit einem Tastverhältnis höher als 0,5 anzusteuern, sodass es immer eine Stromflussmöglichkeit für den abgeschalteten Spulenstrom gibt, und folglich dafür zu sorgen, dass die Leistungsschalter nicht in einen Lawinendurchbruch gesteuert werden.
Die notwendige Spannung U2 auf der (nun) sekundärseitigen (Hochvolt-)Seite erfüllt dabei bspw. folgende Gleichung: $U1 = - U2 * Ue/ (D_{min} - 1),$
mit
U1: Spannung auf der primären Seite,
Ue: Übersetzungsverhältnis des Transformators,
D_min: minimales Tastverhältnis der Halbleiterschalter, um Nennleistung übertragen zu können. Insb. gilt D_min > 0.5.
Ohne die Fähigkeit, einen Gleichstrom in beide Richtungen treiben zu können, besteht die Möglichkeit nicht, auf zusätzliche Schaltungskomponenten, welche eine gewisse Mindestspannung für die geforderte Betriebsart bereitstellen, zu verzichten. Dies macht den Gleichspannungswandler teurer und aufwendiger.
Insbesondere wenn auf der Hochvoltseite, welche während einer Spannungswandlung in der inversen Richtung Sekundärseite ist und an welcher Spannungen kleiner der notwendigen Mindestspannung anliegt, kann der Strom in den Speicherelementen des niedervoltseitigen (und nun primärseitigen) Filters nicht abgebaut werden. Dies würde mit jedem Takt zu einem weiteren Stromaufbau in den Speicherelementen führen, was beim Abschalten der aktiven niedervoltseitigen Gleichrichter zum Entladen des in den Speicherelementen gespeicherten Stromes führen. Dies kann zu Überspannungen auf der Niedervoltseite (welche die Primärseite ist) führen, welche wiederum die Schaltungskomponenten der aktiven Gleichrichter zerstören kann.
Mit dem Zwischenenergiespeicher in der ersten und der zweiten Reihenschaltung in der Sekundärseite, kann der während einer Spannungswandlung in der inversen Richtung als Zwischenspeicher den aufgebauten Strom zwischenzeitlich aufnehmen und somit die Schaltungskomponenten auf der Niedervoltseite vor Überspannungen schützen.
Damit kann der Gleichspannungswandler in beiden Wandler-Richtungen über größere Spannungsbereiche betrieben werden, ohne dabei die sekundärseitigen Halbleiterschalter defekt gehen.
Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der ein bidirektionaler Gleichspannungswandler in beiden Wandler-Richtungen über größere Spannungsbereiche zuverlässig übersetzen kann. Insb. ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der ein bidirektionaler Gleichspannungswandler in beiden Wandler-Richtungen im kompletten Spannungsbereich mit den gleichen Nennströmen in beide Richtungen zuverlässig übersetzen kann.
Durch das Zuschalten des Zwischenenergiespeichers über die Halbleiterschalter an die niedervoltseitige (und in der inversen Energieübertragungsrichtung primärseitige) Sekundärwicklung des Gleichspannungswandlers kann zusätzlich die Entladezeit des Zwischenenergiespeichers reduziert werden, wodurch die Energieübertragungsrate bei der Spannungswandlung in der inversen Energieübertragungsrichtung erhöht werden kann. Dieser Effekt wird insb. durch eine nachfolgend zu beschreibende Ansteuerungsweise der Halbleiterschalter der sekundärseitigen Halbleiterschalteranordnung nochmals gesteigert.
Bspw. ist der Zwischenenergiespeicher als ein Zwischenkreiskondensator ausgebildet.
Bspw. umfasst der Gleichspannungswandler ferner einen ersten LC-Filter mit einem weiteren Kondensator und zwei Spulen. Dabei dienen die beiden Spulen zum Stromauf- bzw. Stromabbau währen der Spannungswandlung und sind jeweils zwischen dem weiteren Kondensator und jeweils einem der beiden sekundärseitigen Stromverbindungspunkte elektrisch angeschlossen. Der weitere Kondensator ist wiederum zwischen den Spulen einerseits und dem Massestromanschluss elektrisch angeschlossen. Damit bildet der weitere Kondensator mit jeweils einer der beiden Spulen jeweils einen Tiefpass.
Bspw. sind die beiden Spulen miteinander gekoppelt.
Bspw. ist die Kontrolleinheit eingerichtet, insb. während der Spannungsumwandlung von der zweiten Spannung in die erste Spannung, die Halbleiterschalter derart zu betreiben, dass die Spannungs-Zeit-Fläche der jeweiligen stromaufbauenden Spule kleiner als die Spannungs-Zeit-Fläche der jeweiligen stromabbauenden Spule ist.
Bspw. umfasst ein weiterer Gleichspannungswandler ferner einen LC-Filter mit einer weiteren Spulen zum Stromauf- bzw. Stromabbau und einem dritten Kondensator, wobei die Spule zwischen einem Mittelabgriff der Sekundärwicklung und dem Kondensator elektrisch angeschlossen ist und der Kondensator wiederum zwischen der Spule und dem Massestromanschluss elektrisch angeschlossen ist.
Bspw. ist die Kontrolleinheit eingerichtet, insb. während der Spannungsumwandlung von der zweiten Spannung in die erste Spannung, die Halbleiterschalter derart zu betreiben, dass die Spannungs-Zeit-Fläche der Spule während einer Stromaufbauphase kleiner als deren Spannungs-Zeit-Fläche während einer Stromabbauphase ist.
Bspw. ist die Kontrolleinheit ferner eingerichtet, den ersten und den zweiten Halbleiterschalter mit einem ersten Tastgrad 1-D und den dritten und den vierten Halbleiterschalter mit einem zweiten Tastgrad D zu betreiben. Damit wird der Arbeitsbereich des Gleichspannungswandlers mit einem Nennstrom vergrößert.
Bspw. ist der erste Tastgrad 1-D größer als 0,5.
Dieses Ansteuerschema gibt die Möglichkeit, den Energiefluss in beide Richtungen auch bei Spannungen kleiner der Mindestspannung auf der Sekundärseite (als Hochvoltseite), durchzuführen. Dabei kann die Sekundärseite (bzw. die Hochvoltseite) sowohl aktiv als auch passiv gleichgerichtet sein.
Bspw. werden die niedervoltseitigen (und in der inversen Spannungswandlungsrichtung zugleich primärseitigen) Halbleiterschalter der Sekundärseite zum Stromaufbau mit einem Tastgrad D und zum Stromabbau mit einem Tastgrad 1-D betrieben. Dabei werden die Ansteuersignale zum Schutz der Halbleiterschalter und des Zwischenenergiespeichers vor Kurzschlussbetrieb zusätzlichen bspw. mit einer zeitlich variablen oder auch fixen Totzeit ausgestattet. Dadurch kann die Zeit zum Entladen des Zwischenenergiespeichers aktiv genutzt werden, um Energie von der Niedervolt- bzw. Sekundärseite auf die Hochvolt- bzw. Primärseite zu übertragen. Dies hat den Vorteil, dass die Energie im Zwischenenergiespeicher zum Teil direkt auf die Hochvolt- bzw. Primärseite übertragen wird, ohne dass dabei der Strom in der niedervolt- bzw. sekundärseitigen Spule zu stark zu sinken. Dadurch kann mehr Leistung übertragen werden.
Bspw. weist die Primärseite zwei primärseitige Stromverbindungspunkte zum Anschließen der Primärseite an der ersten Spannung auf. Der Gleichspannungswandler weist in der Primärseite bspw. ferner eine H-Brückenschaltung mit einem Brückenzweig auf. Dabei ist die H-Brückenschaltung zwischen den beiden primärseitigen Stromverbindungspunkten elektrisch angeschlossen. Die Primärwicklung ist wiederum in dem Brückenzweig elektrisch angeschlossen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bordnetz, insb. für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt.
Das Bordnetz umfasst einen ersten Bordnetzzweig mit einer ersten Bordnetzspannung und einen zweiten Bordnetzzweig mit einer zweiten Bordnetzspannung.
Das Bordnetz umfasst ferner einen zuvor beschriebenen Gleichspannungswandler zur bidirektionalen Umwandlung zwischen der ersten und der zweiten Bordnetzspannung. Dabei ist der Gleichspannungswandler über die Primärseite an dem ersten Bordnetzzweig und über die Sekundärseite an dem zweiten Bordnetzzweig elektrisch angeschlossen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines zuvor beschriebenen Gleichspannungswandlers bereitgestellt.
Gemäß dem Verfahren werden während einer Spannungsumwandlung von der zweiten Spannung in die erste Spannung der erste und der zweite Halbleiterschalter derart gesteuert werden, dass der Zwischenenergiespeicher bis auf einer Ladespannung zwischengeladen wird, die zwischen der zweiten Spannung und der Durchbruchspannung des dritten und des vierten Halbleiterschalter liegt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Gleichspannungswandlers sind, soweit möglich, auf das oben genannte Bordnetz bzw. das genannte Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bordnetzes bzw. des Verfahrens anzusehen.
Figurenliste
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 in einer schematischen Schrägsichtdarstellung ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
2 in einer weiteren schematischen Schrägsichtdarstellung ein Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem Gleichspannungswandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
3 in einem schematischen Signalverlaufsdiagramm Ansteuersignale zum Betreiben einiger Halbleiterschalter des in 1 und 2 dargestellten Gleichspannungswandlers.

Figurenliste

1 zeigt in einer schematischen Schrägsichtdarstellung ein Bordnetz BN eines Fahrzeugs mit einem Gleichspannungswandler GW1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Das Bordnetz BN umfasst einen ersten Bordnetzzweig BZ1 (bspw. einen Hochvolt-Bordnetzzweig), in dem eine erste Bordnetzspannung U1 in Höhe von bspw. 48 Volt oder mehr vorliegt.
Das Bordnetz BN umfasst ferner einen zweiten Bordnetzzweig BZ2 (bspw. einen Niedervolt-Bordnetzzweig), in dem eine zweite Bordnetzspannung U2 in Höhe von bspw. 12 Volt vorliegt.
Das Bordnetz BN umfasst außerdem den Gleichspannungswandler GW1 zur bidirektionalen Umwandlung zwischen der ersten und der zweiten Bordnetzspannung U1, U2.
Dabei ist der Gleichspannungswandler GW1 als ein Gegentaktflusswandler mit Halbbrückenansteuerung ausgebildet und weist eine Primärseite PS und eine Sekundärseite SS auf. Über die Primärseite PS ist der Gleichspannungswandler GW1 an dem ersten Bordnetzzweig BZ1 und somit an der ersten Bordnetzspannung U1 und über die Sekundärseite SS an dem zweiten Bordnetzzweig BZ2 und somit an der zweiten Bordnetzspannung U2 elektrisch angeschlossen.
Der Gleichspannungswandler GW1 umfasst einen Leistungstransformator TR1 mit einer Primärwicklung PW und einer Sekundärwicklung SW1, wobei die Primärwicklung PW in der Primärseite PS und die Sekundärwicklung SW1 in der Sekundärseite SS angeordnet sind.
Der Gleichspannungswandler GW1 umfasst ferner in der Primärseite PS zwei primärseitige Stromverbindungspunkte A11, A12 und in der Sekundärseite SS zwei sekundärseitige Stromverbindungspunkte A21, A22. Über die beiden primärseitigen Stromverbindungspunkte A11, A12 ist der Gleichspannungswandler GW1 an dem ersten Bordnetzzweig BZ1 und somit an der ersten Bordnetzspannung U1 elektrisch angeschlossen.
Der Gleichspannungswandler GW1 umfasst ferner einen Stromanschluss A23 in der Sekundärseite SS, über den der Gleichspannungswandler GW1 an dem positivspannungsseitigen Strompfad des zweiten Bordnetzzweigs BZ2 und somit an der zweiten Bordnetzspannung U2 elektrisch angeschlossen ist.
Der Gleichspannungswandler GW1 umfasst zudem eine H-Brückenschaltung HB1, welche in der Primärseite PS zwischen den beiden primärseitigen Stromverbindungspunkten A11, A12 elektrisch angeschlossen ist. Die H-Brückenschaltung HB1 umfasst zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter und einen Brückenzweig BZ, welcher die beiden Halbbrücken an ihren Mittelabgriffen miteinander elektrisch verbindet. In dem Brückenzweig BZ ist die Primärwicklung PW elektrisch angeschlossen.
Der Gleichspannungswandler GW1 umfasst außerdem eine Halbleiterschalteranordnung HS in der Sekundärseite SS.
Die Halbleiterschalteranordnung HS umfasst ihrerseits eine erste Reihenschaltung von einem ersten Halbleiterschalter S1 und einem Zwischenkreiskondensator als einem Zwischenenergiespeicher Cf, die zwischen einem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt A21 und einem Massestromanschluss GD elektrisch angeschlossen ist. Die Halbleiterschalteranordnung HS umfasst ferner eine zweite Reihenschaltung von einem zweiten Halbleiterschalter S2 und dem Zwischenkreiskondensator Cf, die zwischen einem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt A22 und dem Massestromanschluss GD elektrisch angeschlossen ist. Die Halbleiterschalteranordnung HS umfasst außerdem einen dritten Halbleiterschalter S3 zwischen dem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt A21 und dem Massestromanschluss GD, sowie einen vierten Halbleiterschalter S4 zwischen dem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt A21 und dem Massestromanschluss GD. Damit bildet die Halbleiterschalteranordnung HS mit den Halbleiterschaltern S1, S2, S3, S4 einen aktiven Gleichrichterzweig.
Der Gleichspannungswandler GW1 umfasst zudem in der Sekundärseite SS einen LC-Filter F1 mit einem weiteren Kondensator C1 und zwei Spulen L11, L12, welche zum Stromauf- bzw. Stromabbau in der Sekundärwicklung SW dienen. Dabei sind die beiden Spulen L11, L12 jeweils zwischen dem Stromanschluss A23 und jeweils einem der beiden sekundärseitigen Stromverbindungspunkte A21 bzw. A22 elektrisch angeschlossen. Der Kondensator C1 ist wiederum zwischen dem Stromanschluss A23 und dem Massestromanschluss GD elektrisch angeschlossen. Dabei können die beiden Spulen L11, L12 miteinander gekoppelt oder auch nicht gekoppelt sein.
Der Gleichspannungswandler GW1 umfasst außerdem eine Kontrolleinheit KE zum Betreiben der primärseitigen H-Brückenschaltung HB1 und somit deren Halbleiterschalter, sowie der sekundärseitigen Halbleiterschalteranordnung HS und somit deren Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4.
Dabei ist die Kontrolleinheit KE eingerichtet, bei einer Stromübertragung von den sekundärseitigen Stromverbindungspunkten A21, A22 bzw. dem Stromanschluss A23 und somit von dem zweiten Bordnetzzweig BZ2 zu den primärseitigen Stromverbindungspunkten A11, A12 und somit dem ersten Bordnetzzweig BZ1 (bzw. bei einer Spannungsumwandlung von der zweiten Bordnetzspannung U2 in die erste Bordnetzspannung U1) die Halbleiter-schalter S1, S2, S3, S4 der Halbleiterschalteranordnung HS derart zu betreiben, dass die Spannungs-Zeit-Fläche der jeweiligen stromaufbauenden Spule L1 bzw. L2 kleiner als die Spannungs-Zeit-Fläche der jeweiligen stromabbauenden Spule L2 bzw. L1 ist. Darüber hinaus werden der erste und der zweite Halbleiterschalter S1, S2 derart zu steuern, dass der Zwischenkreiskondensator Cf bis auf einer Ladespannung Ucf zwischengeladen wird, die zwischen der zweiten Spannung U2 und der Durchbruchspannung des dritten und des vierten Halbleiterschalter S3, S4 liegt.
2 zeigt in einer weiteren schematischen Schrägsichtdarstellung ein Bordnetz BN eines Fahrzeugs mit einem weiteren Gleichspannungswandler GW2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Der Gleichspannungswandler GW2 in 2 unterscheidet sich von dem Gleichspannungswandler GW1 in 1 dadurch, dass dieser als ein Gegentaktflusswandler in Parallelspeisung (oder sogenannter „center tapped Topologie“) ausgebildet ist.
Der Gleichspannungswandler GW2 weist ebenfalls eine Primärseite PS mit zwei primärseitigen Stromverbindungspunkten A11, A12 und ist über die Primärseite PS bzw. über die beiden primärseitigen Stromverbindungspunkte A11, A12 an dem ersten Bordnetzzweig BZ1 elektrisch angeschlossen.
Der Gleichspannungswandler GW2 weist ferner eine Sekundärseite SS mit einem sekundärseitigen Stromverbindungspunkten A23 auf und ist über die Sekundärseite SS bzw. den sekundärseitigen Stromverbindungspunkt A23 an einem positiven Strompfad des zweiten Bordnetzzweigs BZ2 und somit an der zweiten Bordnetzspannung U2 elektrisch angeschlossen.
Der Gleichspannungswandler GW2 umfasst einen Leistungstransformator TR2 mit einer Primärwicklung PW und einer Sekundärwicklung SW2, wobei die Primärwicklung PW in der Primärseite PS und die Sekundärwicklung SW2 in der Sekundärseite SS angeordnet sind. Die Sekundärwicklung SW2 ist zwischen zwei sekundärseitigen Stromverbindungspunkten A21, A22 elektrisch angeschlossen und weist einen Mittelabgriff MW auf.
Der Gleichspannungswandler GW2 umfasst zudem eine H-Brückenschaltung HB2, welche in der Primärseite PS zwischen den beiden primärseitigen Stromverbindungspunkten A11, A12 elektrisch angeschlossen ist. Die H-Brückenschaltung HB2 umfasst zwei Halbbrücken, welche zueinander parallel zwischen den beiden primärseitigen Stromverbindungspunkten A11, A12 elektrisch angeschlossen sind. Die H-Brückenschaltung HB2 umfasst ferner einen Brückenzweig BZ, der die beiden Halbbrücken an ihren Mittelabgriffen miteinander elektrisch verbindet und in dem die Primärwicklung PW elektrisch angeschlossen ist. Eine der Halbbrücken weist zwei zueinander in Reihe geschaltete Kondensatoren auf, welche über den Mittelabgriff der Halbbrücke miteinander elektrisch verbunden sind. Eine andere der Halbbrücken weist zwei zueinander in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterschalter auf, welche über den Mittelabgriff der Halbbrücke miteinander elektrisch verbunden sind.
Der Gleichspannungswandler GW2 umfasst außerdem eine Halbleiterschalteranordnung HS in der Sekundärseite SS, die analog zu der Halbleiterschalteranordnung vom in 1 dargestellten Gleichspannungswandler GW1 ausgebildet und zwischen den beiden sekundärseitigen Stromverbindungspunkten A21, A22 elektrisch angeschlossen ist.
Der Gleichspannungswandler GW2 umfasst zudem in der Sekundärseite SS einen LC-Tiefpass-Filter F2 mit einem weiteren Kondensator C2 und einer Spule L2, die zum Stromauf- bzw. Stromabbau in der Sekundärwicklung SW dient. Dabei ist die Spule L2 zwischen dem Mittelabgriff MW der Sekundärwicklung SW2 und dem sekundärseitigen Stromverbindungspunkt A23 elektrisch angeschlossen. Der Kondensator C2 ist wiederum zwischen dem sekundärseitigen Stromverbindungspunkt A23 und dem Massestromanschluss GD elektrisch angeschlossen.
Der Gleichspannungswandler GW2 umfasst außerdem eine Kontrolleinheit KE zum Betreiben der primärseitigen H-Brückenschaltung HB2 und somit deren Halbleiterschalter, sowie der Halbleiterschalteranordnung HS und somit deren Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4.
Die beiden Gleichspannungswandler GW1, SW2 sind ausgeführt, die Spannungen U1, U2 zwischen den beiden Bordnetzzeigen BZ1, BZ2 bidirektional umzuwandeln. Dabei erfolgen die Ansteuerungen der beiden Gleichspannungswandler GW1, SW2, insb. der sekundärseitigen Halbleiterschalteranordnung HS während eines Boostbetriebs, in analoger Weise.
Nachfolgend wird anhand von 3 das Verfahren zur Ansteuerung der Gleichspannungswandler GW1, SW2, insb. deren Halbleiterschalteranordnung HS, während eines Boostbetriebs näher beschrieben.
In einem Boostbetrieb, in dem die niedrige Bordnetzspannung U2 des zweiten Bordnetzzweigs BZ2 in die höhere Bordnetzspannung U1 des ersten Bordnetzzweigs BZ1 hochgesetzt wird, schaltet die Kontrolleinheit KE die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4 der beiden sekundärseitigen Halbleiteranordnungen B1, B2 derart, dass die Spannungs-Zeit-Fläche der jeweiligen in der entsprechenden Schaltperiode T stromaufbauenden Spule L1 bzw. L2 kleiner als die Spannungs-Zeit-Fläche der jeweiligen in der gleichen Schaltperiode T stromabbauenden Spule L2 bzw. L1 ist.
Hierzu betreibet die Kontrolleinheit KE die Halbleiterschalter S1, S2 der beiden Reihenschaltungen mit PWM-Signalen mit einem ersten Tastgrad T1 von bspw. größer als 0,5 und die beiden Halbleiterschalter S3, S4 mit PWM-Signalen mit einem zweiten gegenüber dem ersten Tastgrad T1 kleineren Tastgrad T2, so wie es in 3 darstellt ist. Zwischen den Impulsen der PWM-Signale sind zudem zur Vermeidung von Kurzschlüssen Totzeiten Tt vorgesehen.
Im Allgemeinen werden die Halbleiterschalter S1, S2 mit einem Tastgrad 1-D betrieben und die Halbleiterschalter S3, S4 mit einem zweiten Tastgrad D.

Claims

Bidirektionaler Gleichspannungswandler (GW1, GW2), insb. Gegentaktflusswandler, umfassend: - eine Primärseite (PS) zum Anschließen an einer ersten Spannung (U1); - eine Sekundärseite (SS) zum Anschließen an einer zweiten, insb. gegenüber der ersten Spannung (U1) niedrigeren, Spannung (U2); - einen Transformator (TR1, TR2) mit einer Primärwicklung (PW) in der Primärseite (PS) und einer Sekundärwicklung (SW1, SW2) in der Sekundärseite (SS), wobei die Sekundärwicklung (SW1, SW2) zwischen einem ersten (A21) und einem zweiten (A22) sekundärseitigen Stromverbindungspunkten elektrisch angeschlossen ist; - eine Halbleiterschalteranordnung (HS) in der Sekundärseite (SS), umfassend: o eine erste Reihenschaltung von einem ersten Halbleiterschalter (S1) und einem Zwischenenergiespeicher (Cf), die zwischen dem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt (A21) und einem Massestromanschluss (GD) elektrisch angeschlossen ist; o eine zweite Reihenschaltung von einem zweiten Halbleiterschalter (S2) und dem Zwischenenergiespeicher (Cf), die zwischen dem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt (A22) und dem Massestromanschluss (GD) elektrisch angeschlossen ist; o einen dritten Halbleiterschalter (S3) zwischen dem ersten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt (A21) und dem Massestromanschluss (GD); o einen vierten Halbleiterschalter (S4) zwischen dem zweiten sekundärseitigen Stromverbindungspunkt (A21) und dem Massestromanschluss (GD); sowie - eine Kontrolleinheit (KE) zum Betreiben der Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4), die eingerichtet ist, insb. während einer Spannungsumwandlung von der zweiten Spannung (U2) in die erste Spannung (U1) , den ersten (S1) und den zweiten (S2) Halbleiterschalter derart zu steuern, dass der Zwischenenergiespeicher (Cf) bis auf einer Ladespannung (Ucf) zwischengeladen wird, die zwischen der zweiten Spannung (U2) und der Durchbruchspannung des dritten (S3) und des vierten (S4) Halbleiterschalter liegt.
Gleichspannungswandler (SW1) nach Anspruch 1, wobei der Zwischenenergiespeicher (Cf) ein Zwischenkreiskondensator ist.
Gleichspannungswandler (SW1) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen ersten LC-Filter (F1) mit einem weiteren Kondensator (C1) und zwei Spulen (L11, L12) zum Stromauf- bzw. Stromabbau, wobei die beiden Spulen (L11, L12) jeweils zwischen dem weiteren Kondensator (C1) und jeweils einem der beiden sekundärseitigen Stromverbindungspunkte (A21 bzw. A22) elektrisch angeschlossen sind.
Gleichspannungswandler (SW1) nach Anspruch 3, wobei die beiden Spulen (L11, L12) miteinander gekoppelt sind.
Gleichspannungswandler (SW1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Kontrolleinheit (KE) ferner eingerichtet ist, insb. während der Spannungsumwandlung von der zweiten Spannung (U2) in die erste Spannung (U1) , die Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4) derart zu betreiben, dass die Spannungs-Zeit-Fläche der jeweiligen stromaufbauenden Spule (L1 bzw. L2) kleiner als die Spannungs-Zeit-Fläche der jeweiligen stromabbauenden Spule (L2 bzw. L1) ist.
Gleichspannungswandler (SW2) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen zweiten LC-Filter (F2) mit einer weiteren Spulen (L2) zum Stromauf- bzw. Stromabbau und einem dritten Kondensator (C2), wobei die Spule (L2) zwischen einem Mittelabgriff (MW) der Sekundärwicklung (SW2) und dem Kondensator (C2) elektrisch angeschlossen ist.
Gleichspannungswandler (SW2) nach Anspruch 6, wobei die Kontrolleinheit (KE) eingerichtet ist, insb. während der Spannungsumwandlung von der zweiten Spannung (U2) in die erste Spannung (U1) , die Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4) derart zu betreiben, dass die Spannungs-Zeit-Fläche der Spule (L2) während einer Stromaufbauphase kleiner als deren Spannungs-Zeit-Fläche während einer Stromabbauphase ist.
Gleichspannungswandler (GW1, GW2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontrolleinheit (KE) ferner eingerichtet ist, den ersten (S1) und den zweiten (S2) Halbleiterschalter mit einem ersten Tastgrad 1-D und den dritten (S3) und den vierten (S4) Halbleiterschalter mit einem zweiten Tastgrad D zu betreiben.
Gleichspannungswandler (GW1, GW2) nach Anspruch 8, wobei der erste Tastgrad 1-D größer als 0,5 ist.
Gleichspannungswandler (GW1, GW2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei - die Primärseite (PS) zwei primärseitige Stromverbindungspunkte (A11, A12) zum Anschließen der Primärseite (PS) an der ersten Spannung (U1) aufweist; und - der Gleichspannungswandler (GW1, GW2) in der Primärseite (PS) ferner eine H-Brückenschaltung (HB1, HB2) mit einem Brückenzweig (BZ) aufweist, wobei die H-Brückenschaltung (HB1, HB2) zwischen den beiden primärseitigen Stromverbindungspunkten (A11, A12) elektrisch angeschlossen ist und die Primärwicklung (PW) in dem Brückenzweig (BZ) elektrisch angeschlossen ist.
Bordnetz (BN), insb. eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - einen ersten Bordnetzzweig (BZ1) mit einer ersten Bordnetzspannung (U1); - einen zweiten Bordnetzzweig (BZ2) mit einer zweiten Bordnetzspannung (U2); - einen Gleichspannungswandler (GW1, GW2) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur bidirektionalen Umwandlung zwischen der ersten (U1) und der zweiten (U2) Bordnetzspannung; - wobei der Gleichspannungswandler (GW1, GW2) über die Primärseite (PS) an dem ersten Bordnetzzweig (BZ1) und über die Sekundärseite (SS) an dem zweiten Bordnetzzweig (BZ2) elektrisch angeschlossen ist.
Verfahren zum Betreiben eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers (GW1, GW2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei während einer Spannungsumwandlung von der zweiten Spannung (U2) in die erste Spannung (U1) der erste (S1) und der zweite (S2) Halbleiterschalter derart gesteuert werden, dass der Zwischenenergiespeicher (Cf) bis auf einer Ladespannung (Ucf) zwischengeladen wird, die zwischen der zweiten Spannung (U2) und der Durchbruchspannung des dritten (S3) und des vierten (S4) Halbleiterschalter liegt.