DE102018211427A1

DE102018211427A1 - Elektrisches Koppeln zweier Gleichspannungsnetze

Info

Publication number: DE102018211427A1
Application number: DE102018211427.7A
Authority: DE
Inventors: Sven Sylla
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen getakteten Energiewandler (10, 12, 14) zum elektrischen Koppeln eines ersten Gleichspannungsnetzes (16) mit einem zweiten Gleichspannungsnetz (18), mit:
- einem ersten Anschluss zum Anschließen an das erste Gleichspannungsnetz (16),
- einem zweiten Anschluss zum Anschließen an das zweite Gleichspannungsnetz (18), und
- eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeschlossene Wandlerschaltung (20) mit:
- wenigstens ein Wandlerschaltelement (22, 24),
- wenigstens eine an das wenigstens eine Wandlerschaltelement (22, 24) angeschlossene Wandlerinduktivität (26) .
Die Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine Wandlerinduktivität (26) eine Reihenschaltung aus einer Hilfsinduktivität (28) und einem Hilfsschaltelement (30) parallelgeschaltet angeschlossen ist, wobei die wenigstens eine Wandlerinduktivität (26) und die Hilfsinduktivität (28) magnetisch getrennt voneinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen getakteten Energiewandler zum elektrischen Koppeln eines ersten Gleichspannungsnetzes mit einem zweiten Gleichspannungsnetz, mit einem ersten Anschluss zum Anschließen an das erste Gleichspannungsnetz, einem zweiten Anschluss zum Anschließen an das zweite Gleichspannungsnetz, und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeschlossene Wandlerschaltung mit wenigstens einem Wandlerschaltelement und wenigstens einer an das Wandlerschaltelement angeschlossenen Wandlerinduktivität. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie mittels eines getakteten Energiewandlers, der ein erstes Gleichspannungsnetz mit einem zweiten Gleichspannungsnetz elektrisch koppelt, indem die elektrische Energie mittels wenigstens eines Wandlerschaltelements und wenigstens einer an das Wandlerschaltelement angeschlossenen Wandlerinduktivität des Energiewandlers gewandelt wird.
Getaktete Energiewandler, mittels denen elektrische Gleichspannungsnetze miteinander elektrisch gekoppelt werden, sowie Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Die Gleichspannungsnetze können zum Beispiel elektrische Bordnetze eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen sein. Die Bordnetze können mit unterschiedlichen elektrischen Gleichspannungen beaufschlagt sein.
Mittels des getakteten Energiewandlers können die Bordnetze elektrisch miteinander gekoppelt werden, sodass elektrische Energie zwischen den zu koppelnden elektrischen Bordnetzen beziehungsweise Gleichspannungsnetzen ausgetauscht werden kann. Besonders häufig finden derartige elektrische Energiewandler mittlerweile Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere solchen Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar ausgebildet sind.
Kraftfahrzeuge weisen in der Regel wenigstens ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Einrichtungen und Einheiten umfassen kann. Das elektrische Bordnetz dient vorzugsweise dazu, die elektrischen Einrichtungen und die elektrischen Einheiten in vorgebbarer Weise elektrisch miteinander zu koppeln. An dem elektrischen Bordnetz sind zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs.
Besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen kann zumindest ein zweites Bordnetz vorgesehen sein. Dabei kann zumindest eines der wenigstens zwei Bordnetze zum Beaufschlagen mit einer Gleichspannung in einem Hochvoltbereich ausgebildet sein. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Der Begriff „Hochvolt“ ist vorzugsweise konform mit der Norm ECE R 100.
Die wenigstens zwei Gleichspannungsnetze, die bei Kraftfahrzeugen entsprechende Bordnetze bilden können, können beide für Niedervolt ausgelegt sein. Der Begriff „Niedervolt“ kennzeichnet eine elektrische Gleichspannung, die kleiner als etwa 60 V ist. Darüber hinaus ist es natürlich möglich, dass beide Gleichspannungsnetze für Hochvolt ausgelegt sind. Dem Grunde nach können die Gleichspannungsnetze natürlich für die gleiche Bemessungsspannung ausgebildet sein. In der Regel ist es jedoch vorgesehen, dass die Gleichspannungsnetze für unterschiedliche Bemessungsspannungen ausgelegt sind beziehungsweise im bestimmungsgemäßen Betrieb mit unterschiedlichen Gleichspannungen beaufschlagt sind.
Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Das Elektrofahrzeug ist ein Kraftfahrzeug, welches eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist, die dem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb dient. Die elektrische Antriebseinrichtung ist bei einem Elektrofahrzeug die einzige Antriebseinrichtung zur Realisierung des Fahrbetriebs. Bei einem Hybridfahrzeug ist neben einer elektrischen Antriebseinrichtung auch eine konventionelle Antriebseinrichtung, vorzugsweise mittels einer Verbrennungskraftmaschine, vorgesehen. Das Hybridfahrzeug ist sowohl mittels der elektrischen Antriebseinrichtung als auch mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet.
Getaktete Energiewandler können dem Grunde nach für eine uni-direktionale oder auch für eine bidirektionale Energiekopplung ausgebildet sein. Damit der Energiewandler in vorgebbarer Weise die gewünschte Kopplungsfunktionalität bereitzustellen vermag, weist er in der Regel eine Steuereinheit auf, mittels der das wenigstens eine Wandlerschaltelement in einem vorgebbaren Schaltbetrieb betrieben werden kann. Der getaktete Energiewandler kann insbesondere als Gleichspannungswandler, vorzugsweise nach Art eines DC/DC-Wandlers, ausgebildet sein. Je nach Wandlungscharakteristik kann der Energiewandler ein Hochsetzsteller (Booster) oder auch ein Tiefsetzsteller (Back) sowie auch Kombinationen hiervon sein.
Das Energiewandeln als solches wird mittels der wenigstens einen Wandlerinduktivität sowie dem wenigstens einen Wandlerschaltelement realisiert. Zu diesem Zweck stellt die Steuereinheit ein geeignetes Schaltsignal bereit, welches das Wandlerschaltelement in vorgebbarer Weise steuert, sodass die gewünschte Funktionalität hinsichtlich der Energiewandlung erreicht werden kann.
Der Energiewandler ist üblicherweise dafür ausgebildet, wenigstens eine unidirektionale elektrische Energiekopplung bereitzustellen, und zwar zumeist von dem Gleichspannungsnetz mit der größeren Gleichspannung zum Gleichspannungsnetz mit der kleineren Gleichspannung. Darüber hinaus kann der Energiewandler natürlich auch für eine bidirektionale Energiekopplung ausgebildet sein, sodass eine Energiekopplung auch in die entgegengesetzte Richtung möglich ist.
Gattungsgemäße Energiewandler haben sich im Stand der Technik umfänglich bewährt und werden in nahezu allen Leistungsklassen in vielfältiger Weise eingesetzt. Besonders bei Energiewandlern, die für große Leistungen vorgesehen sind, zum Beispiel größer als eine Leistung von 1 kW, insbesondere 10 kW oder sogar 50 kW, treten zunehmend Probleme hinsichtlich der Verlustleistung im bestimmungsgemäßen Wandlungsbetrieb auf. Im Stand der Technik sind hierzu entsprechende Kühlungsmaßnahmen vorgesehen, mit denen Verlustwärme, insbesondere Verlustwärme des wenigstens einen Wandlerschaltelements, abgeführt werden kann. Die Kühlmaßnahmen sind besonders bei großen Leistungen aufwendig und können sogar einen Kühlkreislauf für ein Kühlmittel oder dergleichen umfassen. Dies ist nicht nur aus konstruktiven Gründen hinsichtlich Bauvolumen, Gewicht und/oder dergleichen nachteilig, sondern der Betrieb eines solchen Kühlkreislaufs erfordert auch Energie, wodurch der Wirkungsgrad der Energiewandlung durch den Energiewandler beeinträchtigt werden kann. Insbesondere in einem Teilleistungsbetrieb kann der Wirkungsgrad hierbei sehr ungünstig werden.
Das wenigstens eine Wandlerschaltelement wird in der Regel mit einer Taktrate von einigen 100 Hz bis hin zu mehreren 100 kHz und gelegentlich sogar mit Taktraten über 1 MHz betrieben. Bei jedem einzelnen Schaltvorgang des wenigstens einen Wandlerschaltelements erzeugt das Wandlerschaltelement im bestimmungsgemäßen Betrieb eine gewisse Verlustenergie. Durch die Anzahl der Schaltvorgänge ergibt sich, dass eine entsprechende Verlustleistung des wenigstens einen Wandlerschaltelements abzuführen ist. Die Verlustleistung steigt natürlich mit der Taktrate an.
Darüber hinaus ist zu bedenken, dass, wenn mehr als ein Wandlerschaltelement vorgesehen ist, durch jedes der Wandlerschaltelemente eine entsprechende Verlustleistung erzeugt werden kann. Hierfür sind dann die entsprechenden Kühlungsmaßnahmen vorzusehen.
Darüber hinaus ist zu beachten, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb des Energiewandlers auch weitere Verluste auftreten können, beispielsweise Leitungsverluste, insbesondere in einem eingeschalteten Schaltzustand des wenigstens einen Wandlerschaltelements, Verluste der wenigstens einen Wandlerinduktivität und/oder dergleichen. Auch hierfür sind gegebenenfalls entsprechende Kühlungsmaßnahmen vorzusehen.
Es hat sich bei dem bestimmungsgemäßen Betrieb gattungsgemäßer Energiewandler jedoch gezeigt, dass die Schaltverluste des Energiewandlers in der Regel den überwiegenden Teil der Verlustleistung bereitstellen. Mit Maßnahmen zur Reduzierung der Verlustleistung wie zum Beispiel Kommutierungsnetzwerke oder dergleichen kann in einem geringfügigen Maß eine Reduzierung der Verlustleistung erreicht werden. Zugleich erzeugen diese Kommutierungsnetzwerke jedoch selbst wieder eine Verlustleistung, die entsprechend abzuführen ist. Insgesamt kann hierdurch lediglich eine begrenzte Verbesserung erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen getakteten Energiewandler insbesondere in Bezug auf Schaltverluste zu verbessern sowie ein Betriebsverfahren hierfür anzugeben.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein getakteter Energiewandler sowie ein Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen getakteten Energiewandlers wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass an die Wandlerinduktivität eine Reihenschaltung aus einer Hilfsinduktivität und einem Hilfsschaltelement parallelgeschaltet angeschlossen ist, wobei die Wandlerinduktivität und die Hilfsinduktivität magnetisch getrennt voneinander angeordnet sind.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass zur Wandlerinduktivität eine Hilfsinduktivität mittels eines Hilfsschaltelements parallelgeschaltet wird, wobei die Wandlerinduktivität und die Hilfsinduktivität magnetisch getrennt voneinander angeordnet sind.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Schaltvorgang des Wandlerschaltelements hinsichtlich der Verluste dadurch verbessert werden kann, dass ein Strom durch das wenigstens eine Wandlerschaltelement während des Schaltvorgangs möglichst gering ist, wenn zugleich die am Wandlerschaltelement anliegende elektrische Spannung groß ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Strom durch das wenigstens eine Wandlerschaltelement während des Schaltvorgangs unter Nutzung der Hilfsinduktivität und/oder die elektrische Spannung am Wandlerschaltelement reduziert werden kann. Die Erfindung erlaubt es sogar, das Wandlerschaltelement nahezu stromlos zu schalten, sodass die Schaltverluste des Wandlerschaltelements erheblich reduziert werden können.
Damit die Hilfsinduktivität in geeigneter Weise einen entsprechenden Strom bereitzustellen vermag, wird es mittels des Hilfsschaltelements in geeigneter Weise aktiviert beziehungsweise deaktiviert. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Hilfsinduktivität ihre Energie aus demjenigen der Gleichspannungsnetze bezieht, in welches der getaktete Energiewandler die zu wandelnde Energie führt. Mittels der Hilfsinduktivität wird also ein Energiefluss entgegen dem Energiefluss des Energiewandlers erzeugt. Dadurch ist es möglich, mittels der in der Hilfsinduktivität gespeicherten Energie den Strom durch das Wandlerschaltelement während des Schaltvorgangs zu reduzieren, sodass das Wandlerschaltelement nur einen sehr geringen Strom abzuschalten braucht beziehungsweise die am Wandlerschaltelement anliegende Spannung zu reduzieren, damit der Strom bei einer kleinen Spannung abgeschaltet werden kann. Dadurch können die Schaltverluste erheblich reduziert werden.
Damit eine Wechselwirkung zwischen der Wandlerinduktivität und der Hilfsinduktivität möglichst gering ist, sollte die Hilfsinduktivität magnetisch getrennt von der Wandlerinduktivität angeordnet sein. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Hilfsinduktivität und die Wandlerinduktivität hinsichtlich des durch sie erzeugten Magnetfelds orthogonal zueinander angeordnet sind.
Das Wandlerschaltelement ist vorzugsweise ein elektronisches Schaltelement, insbesondere ein Halbleiterschaltelement, vorzugsweise ein Transistor wie zum Beispiel ein bipolarer Transistor, ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein Metalloxide-Seminconductor-Field-Effect-Transistor (MOSFET), aber auch eine Schaltungsanordnung basierend auf einem oder mehreren Thyristoren, TRIACs, Gate-Turn-off-Thyristoren und/oder dergleichen. Ist das Wandlerschaltelement durch einen oder mehrere Transistoren gebildet, ist vorgesehen, dass dieser beziehungsweise diese in einem Schaltbetrieb betrieben werden, zu welchem Zweck ein entsprechend geeignetes Schaltsignal von einer Steuereinheit bereitgestellt wird, die ebenfalls vom getakteten Energiewandler umfasst sein kann. Die Steuereinheit stellt das Schaltsignal derart bereit, dass das Wandlerschaltelement in gewünschter Weise seinen Schaltbetrieb ausführt, damit die gewünschte Wandlungsfunktion hinsichtlich der elektrischen Energie erreicht werden kann.
Schaltbetrieb bedeutet in Bezug auf ein Halbleiterschaltelement nach Art eines Transistors insbesondere, dass in einem eingeschalteten Schaltzustand zwischen den eine Schaltstrecke bildenden Anschlüssen des Transistors ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. In einem ausgeschalteten Schaltzustand ist hingegen die Schaltstrecke des Transistors hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer, Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb bei Transistoren, der aber bei getakteten Energiewandlern in der Regel nicht zum Einsatz kommt.
Sind mehrere Wandlerschaltelemente vorgesehen, sind diese vorzugsweise ebenfalls mit der Steuereinheit elektrisch gekoppelt, wobei die Kopplung vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass jedes der Wandlerschaltelemente individuell gesteuert werden kann.
Die Steuereinheit kann als elektronische Schaltung ausgebildet sein, die entsprechende Schaltsignale für das wenigstens eine Wandlerschaltelement bereitstellt. Dadurch kann der gewünschte Schaltbetrieb des wenigstens einen Wandlerschaltelements realisiert werden. Die elektronische Schaltung kann neben elektronischen Bauteilen zur vorgebbaren Bereitstellung der Schaltsignale auch wenigstens eine programmgesteuerte Rechnereinheit umfassen, um die gewünschte Funktion der Steuereinheit bereitstellen zu können. Natürlich kann die Steuereinheit auch ausschließlich aus der Rechnereinheit bestehen.
Das Hilfsschaltelement kann dem Grunde nach ebenso wie das Wandlerschaltelement ausgebildet sein. Es können jedoch auch unterschiedliche Realisierungen vorgesehen sein.
Wird als Wandlerschaltelement ein Thyristor wie beispielsweise ein GTO genutzt, kann das Schaltsignal durch Impulse gebildet sein, die zu den jeweiligen Schaltvorgängen in geeigneter Weise bereitgestellt werden. Ist hingegen das Schaltelement durch einen oder mehrere Transistoren gebildet, kann das Schaltsignal ein Rechtecksignal sein, dessen Pegel jeweilige durch den Transistor einzunehmende Schaltzustände repräsentiert.
Insgesamt erlaubt es die Erfindung, mit geringem Aufwand auf einfache Weise die Schaltverluste des Energiewandlers deutlich zu verringern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das Hilfsschaltelement wenigstens einen Transistor aufweist. Dadurch kann das Hilfsschaltelement auf einfache Weise realisiert werden und zugleich auch einen zuverlässigen Betrieb bei großen Taktraten des getakteten Energiewandlers ermöglichen. Der Transistor kann dem Grunde nach ein bipolarer Transistor sein, insbesondere auch ein Isolated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) oder dergleichen. Darüber hinaus kann der Transistor natürlich auch als Feldeffekttransistor ausgebildet sein, insbesondere als MOSFET oder dergleichen. Dem Grunde nach könnte das Hilfsschaltelement natürlich auch durch einen Thyristor oder dergleichen gebildet sein, jedoch ist hierbei zu beachten, dass Thyristoren sich in der Regel weniger für einen Betrieb bei großen Taktraten eignen, wie sie heutzutage mit getakteten Energiewandlern erreicht werden. Daher ist das Hilfsschaltelement vorzugsweise durch wenigstens einen Transistor gebildet.
Das Hilfsschaltelement kann jedoch auch mehr als einen Transistor umfassen, beispielsweise zwei Transistoren oder dergleichen, oder auch eine entsprechende Steuerschaltung für den wenigstens einen Transistor umfassen.
Besonders vorteilhaft umfasst das Hilfsschaltelement zwei antiseriell geschaltete Transistoren. Dadurch kann auf einfache Weise ein bidirektionaler Betrieb des Hilfsschaltelements mittels Transistoren erreicht werden, sodass die vorteilhafte Wirkung der Erfindung nicht nur für einen bestimmten Schaltvorgang wie einem Einschaltvorgang oder einem Ausschaltvorgang erreicht werden kann, sondern vorzugsweise sogar für beide Schaltvorgänge. Darüber hinaus kann durch die Nutzung von zwei Transistoren auch erreicht werden, dass eine präzisere Steuerung der Hilfsinduktivität ermöglicht wird, die es erlaubt, die erfindungsgemäße Wirkung möglichst genau einstellen zu können. Darüber hinaus kann durch die Nutzung von zwei Transistoren auch erreicht werden, dass Verluste des Hilfsschaltelements reduziert werden können. Insgesamt kann die Funktionalität in Bezug auf die Erfindung weiter verbessert werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass Steueranschlüsse der Transistoren gemeinsam angesteuert werden. Dadurch kann auf einfache Weise eine Steuerfunktionalität für die Transistoren erreicht werden, insbesondere auch für den Fall, dass zwei antiseriell geschaltete Transistoren vom Hilfsschaltelement umfasst sind.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Reihenschaltung zusätzlich eine Diode umfasst. Durch die Diode kann erreicht werden, dass der Strom der Hilfsinduktivität, nachdem er einen Wert von etwa null erreicht hat, nicht wieder ansteigen kann. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, das Hilfsschaltelement nahezu stromlos ausschalten zu können. So können ungünstige Schaltverluste im Hilfsschaltelement reduziert werden. Natürlich ist dann damit zu rechnen, dass Verluste durch den Betrieb der Diode entstehen können. Diese können aber dadurch reduziert werden, dass die Diode durch einen Transistor ersetzt wird, insbesondere einen Transistor, der zu einem Transistor, der das Hilfsschaltelement bildet, antiseriell geschaltet ist. Wird dieser Transistor im Bereich der Sättigung betrieben, kann erreicht werden, dass die Durchlassverluste deutlich kleiner als die der Diode sind. Auch hierdurch kann die Erfindung weiter verbessert werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Energiewandler einen Stromsensor zum Erfassen eines elektrischen Stroms der Wandlerinduktivität und/oder der Hilfsinduktivität aufweist. Mittels des Stromsensors können vorzugsweise beide Ströme, nämlich der der Wandlerinduktivität sowie auch der der Hilfsinduktivität, erfasst werden. Dadurch ist es möglich, das Hilfsschaltelement in geeigneter Weise zu steuern, sodass eine möglichst optimale Kompensation in Bezug auf die Schaltverluste des wenigstens einen Wandlerschaltelements erreicht werden kann. Auch hierdurch kann die Funktionalität der Erfindung weiter verbessert werden. Darüber hinaus ist es möglich, ein Schaltsignal für das Hilfsschaltelement bedarfsgerecht anpassen zu können, beispielsweise, wenn sich der Strom der Wandlerinduktivität verändert, zum Beispiel einen vorgegebenen Bereich verlässt und/oder dergleichen.
Besonders vorteilhaft können bei antiseriell geschalteten Transistoren die Transistoren mittels voneinander unabhängiger Schaltsignale gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die Wirkung der Hilfsinduktivität weiter zu verbessern, weil eine besonders günstige Anpassung erreicht werden kann, und zwar sowohl für einen Tiefsetzbetrieb als auch für einen Hochsetzbetrieb. Dadurch kann die Erfindung in hochflexibler Weise nahezu unabhängig vom jeweiligen Betriebsmodus des getakteten Energiewandlers eingesetzt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Energiewandler einen Kapazitätssensor zum Erfassen einer elektrischen Kapazität in Bezug auf das wenigstens eine Wandlerschaltelement aufweist. Die elektrische Kapazität kann zu dem wenigstens einen Wandlerschaltelement parallelgeschaltet sein, um beispielsweise ein Ausschaltverhalten des Wandlerschaltelements vorteilhaft beeinflussen zu können. Die Kapazität kann jedoch dazu führen, dass insbesondere Einschaltverluste des Wandlerschaltelements erhöht werden, weil nämlich beim Einschalten die Energie der Kapazität im Wandlerschaltelement in Wärme umgesetzt werden muss. Das Gleiche gilt natürlich auch für Kapazitäten, die indirekt über eines der elektrischen Gleichspannungsnetze parallel am wenigstens einen Wandlerschaltelement angeschlossen sind. Hier kann die Erfindung Abhilfe schaffen, indem nämlich die Hilfsinduktivität dazu genutzt werden kann, diese Kapazitäten vor einem Einschaltvorgang des wenigstens einen Wandlerschaltelements entsprechend zu entladen beziehungsweise umzuladen. Dadurch kann zum Beispiel ein Einschalten des Wandlerschaltelements erreicht werden, welches nahezu spannungslos erfolgen kann, sodass Verluste aufgrund des Schaltvorgangs erheblich reduziert werden können. Um die Wirkung der Hilfsinduktivität möglichst optimal anpassen zu können, ist es daher zweckmäßig zu wissen, welche Kapazität in Bezug auf das wenigstens eine Wandlerschaltelement wirksam ist. Dies kann mittels des Kapazitätssensors ermittelt werden. Der Kapazitätssensor kann zu diesem Zweck zum Beispiel eine elektrische Spannung am Wandlerschaltelement und einen elektrischen Strom durch das Wandlerschaltelement erfassen und auswerten. Es kann aber auch eine Kombination mit der Steuereinheit vorgesehen sein, die insbesondere die Funktionalität des Auswertens bereitstellen kann. In diesem Fall brauchen dann lediglich der entsprechende Strom und die entsprechende Spannung erfasst werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Energiewandler eine Steuereinheit zum Steuern des wenigstens einen Wandlerschaltelements und des Hilfsschaltelements in einem jeweiligen Schaltbetrieb aufweist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das Hilfsschaltelement zeitlich in einem Bereich des Einschaltens und/oder des Ausschaltens des wenigstens einen Wandlerschaltelements in einen eingeschalteten Schaltzustand zu schalten. Auf diese Weise ist es möglich, die Hilfsinduktivität auf einfache Weise in geeigneter Weise zu aktivieren beziehungsweise zu deaktivieren, sodass die entsprechenden Schaltverluste des wenigstens einen Wandlerschaltelements reduziert werden können. Zeitpunkte für das Aktivieren beziehungsweise Deaktivieren der Hilfsschaltinduktivität können dabei nahezu beliebig in geeigneter Weise unabhängig vom Betrieb des Wandlerschaltelements ermittelt und bereitgestellt werden, sodass eine möglichst optimale Wirkung der Hilfsinduktivität erreicht werden kann.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass zwei Reihenschaltungen parallel an die Wandlerinduktivität angeschlossen sind, wobei eine jeweilige der Reihenschaltungen einem Einschaltvorgang des Schaltelements und die jeweilige andere der Reihenschaltungen einem Ausschaltvorgang des Schaltelements zugeordnet ist. Dadurch können sowohl der Einschaltvorgang als auch der Ausschaltvorgang des wenigstens einen Wandlerschaltelements nahezu unabhängig voneinander hinsichtlich der Schaltverluste optimiert werden. Die Wirkung der Erfindung kann damit weiter verbessert werden.
Ein Einschaltvorgang des Wandlerschaltelements bezeichnet einen Vorgang, bei dem das Wandlerschaltelement seinen Schaltzustand vom ausgeschalteten Schaltzustand in den eingeschalteten Schaltzustand wechselt. Der Einschaltvorgang umfasst somit einen Zeitraum, der den Wechsel zwischen diesen Schaltzuständen erfasst. Der Ausschaltvorgang betrifft dagegen den umgekehrten Wechsel zwischen den vorgenannten Schaltzuständen. Entsprechend umfasst dieser Wechsel einen entsprechenden Ausschaltzeitraum.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Hilfsinduktivität vor einem Schaltvorgang des Wandlerschaltelements aktiviert und nach diesem Schaltvorgang deaktiviert wird. Die Hilfsinduktivität braucht also nur in einem Bereich zeitlich um den Schaltvorgang herum aktiviert zu sein. Im übrigen Zeitraum kann die Hilfsinduktivität deaktiviert sein. Dadurch braucht nur während eines sehr kurzen Zeitraums im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wandlerschaltelements eingegriffen zu werden. Die Auswirkungen der Erfindung können deshalb auf die Schaltvorgänge begrenzt sein. Dadurch kann die Auswirkung auf den Wandlungsbetrieb des Energiewandlers insgesamt klein gehalten werden. Durch die Erfindung kann also erreicht werden, dass der getaktete Energiewandler seine Funktion nahezu ungestört - wie im Stand der Technik auch üblich - bereitstellt, wobei zugleich aufgrund der Nutzung der Erfindung die Schaltverluste erheblich reduziert werden können.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Hilfsinduktivität elektrische Energie aus demjenigen der Gleichspannungsnetze erhält, welchem durch das Wandeln der elektrischen Energie mittels des Energiewandlers diese Energie zugeführt wird. Ein Energiefluss in Bezug auf die Hilfsinduktivität ist also gerade entgegengesetzt zu einem Energiefluss des Energiewandlers unter Nutzung der Wandlerinduktivität. Insbesondere kann die für die Hilfsinduktivität bereitzustellende Energie demjenigen der Gleichspannungsnetze entnommen werden, welchem aufgrund des Wandlerbetriebs des Energiewandlers elektrische Energie zugeführt wird. Dadurch kann sich für den erfindungsgemäßen Energiewandler eine geringfügige Reduktion des Wirkungsgrads in Bezug auf die Energiewandlung ergeben, jedoch ist zu beachten, dass dadurch die Verlustleistung des Energiewandlers entsprechend reduziert werden kann. Insgesamt kann dadurch eine erheblich verbesserte Energiewandlung und ein erheblich günstigerer Betrieb des Energiewandlers erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass ein Einschaltzeitpunkt und/oder ein Ausschaltzeitpunkt für das Hilfsschaltelement abhängig von einer elektrischen Kapazität in Bezug auf das wenigstens eine Wandlerschaltelement ermittelt wird. Dadurch ist es möglich, die Hilfsinduktivität hinsichtlich der erforderlichen Energie möglichst optimal zu nutzen. Die Hilfsinduktivität braucht also nur so viel Energie aufzunehmen, dass die entsprechende Kapazität so umgeladen werden kann, dass die Schaltverluste des Wandlerschaltelements, insbesondere in Bezug auf einen Einschaltvorgang, reduziert werden können. Durch die geeignete Wahl des Einschaltzeitpunkts und/oder des Ausschaltzeitpunkts kann dies erreicht werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass ein elektrischer Strom der Wandlerinduktivität zum Ermitteln des Einschaltzeitpunkts und/oder des Ausschaltzeitpunkts berücksichtigt wird. Dadurch können ergänzend auch Effekte berücksichtigt werden, die sich aufgrund des bestimmungsgemäßen Betriebs der Wandlerinduktivität ergeben können. So ist es zum Beispiel vorteilhaft, wenn die Hilfsinduktivität während eines jeweiligen Schaltvorgangs nicht nur die Energie zum Umladen der Kapazität bereitstellt, sondern zugleich auch zumindest teilweise Energie für einen Stromfluss der Wandlerinduktivität bereitzustellen vermag. Dadurch kann die Wirkung der Erfindung weiter verbessert werden.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Hilfsschaltelement zwei antiseriell in Reihe geschaltete Transistoren umfasst, deren Steuerelektroden unabhängig voneinander mit einem Hilfssteuersignal beaufschlagt werden. Dadurch können die Zeitpunkte für die Aktivierung und die Deaktivierung der Hilfsinduktivität möglichst genau eingestellt werden. Darüber hinaus kann auf einfache Weise eine Anpassung erreicht werden, wenn sich Betriebsparameter des getakteten Energiewandlers im bestimmungsgemäßen Betrieb verändern. Insgesamt kann eine verbesserte Funktion zur Realisierung der Erfindung erreicht werden.
Die für den erfindungsgemäßen getakteten Energiewandler angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Entsprechend können Vorrichtungsmerkmale auch als Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen getakteten Energiewandlers beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Safe-Operating-Area eines MOSFET bei Betrieb als Wandlerschaltelement in einem Tiefsetzsteller als Energiewandler,
2 eine schematische Diagrammdarstellung zur Darstellung eines idealisierten Ausschaltvorgangs eines MOSFET,
3 eine schematische Darstellung wie 2, jedoch jetzt für einen idealisierten Einschaltvorgang des MOSFET gemäß 2,
4 eine schematische Diagrammdarstellung wie 2 für einen realen Ausschaltvorgang,
5 eine schematische Darstellung wie 3 für einen realen Einschaltvorgang,
6 eine schematische Diagrammdarstellung eines idealisierten Ausschaltvorgangs des MOSFET wie 2 unter Nutzung der Erfindung,
7 eine schematische Darstellung wie 6 für einen realen Ausschaltvorgang unter Nutzung der Erfindung,
8 eine schematische Darstellung wie 3 für einen idealisierten Einschaltvorgang unter Nutzung gemäß der Erfindung,
9 eine schematische Darstellung wie 8 für einen realen Ausschaltvorgang unter Nutzung der Erfindung,
10 eine schematische Diagrammdarstellung zum Ermitteln der Schaltverluste beim Einschalten des MOSFET,
11 eine schematische Darstellung der idealisierten Schaltverluste bei einem Schaltvorgang gemäß 10,
12 eine schematische Darstellung wie 10, jedoch für einen idealisierten Ausschaltvorgang,
13 eine schematische Darstellung wie 11, jedoch für den Ausschaltvorgang gemäß 12,
14 eine schematische Diagrammdarstellung für einen idealisierten Ausschaltvorgang mit und ohne einen Entlastungskondensator,
15 eine schematische Schaltbilddarstellung eines Tiefsetzstellers mit einem Hilfsschaltelement und einer Hilfsinduktivität,
16 eine schematische Schaltbilddarstellung des Tiefsetzstellers gemäß 15 mit Entlastungskondensatoren,
17 eine schematische Signaldarstellung von Signalen des Tiefsetzstellers gemäß 16,
18 eine schematische Schaltbilddarstellung wie 16, wobei jedoch zu der Hilfsinduktivität und dem Hilfsschaltelement eine Diode in Reihe geschaltet ist,
19 eine schematische Signaldarstellung für ein Schaltsignal für das Hilfsschaltelement sowie für einen Strom durch das Hilfsschaltelement,
20 eine schematische Schaltbilddarstellung wie 16 für eine zweite Ausgestaltung eines Tiefsetzstellers, bei dem das Hilfsschaltelement durch zwei antiseriell geschaltete Transistoren gebildet ist, die mittels eines gemeinsamen Steuersignals gesteuert werden,
21 eine schematische Signaldarstellung wie 19 für Steuersignale für die beiden Transistoren sowie einen Strom durch die Transistoren,
22 eine schematische Schaltbilddarstellung wie 16 für eine dritte Ausgestaltung eines Tiefsetzstellers, der auf der Ausgestaltung gemäß 20 basiert, wobei die seriell geschalteten Transistoren durch individuelle Steuersignale gesteuert werden,
23 in einer schematischen Signaldarstellung Signalverläufe für den Tiefsetzsteller gemäß 22.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Safe-Operating-Area (SOA) eines nicht weiter bezeichneten MOSFET als Wandlerschaltelement, welches mittels einer gestrichelten Linie 48 gekennzeichnet ist. Innerhalb des durch die gestrichelte Linie 48 gekennzeichneten Bereichs kann der MOSFET bestimmungsgemäß betrieben werden, ohne dass eine Beschädigung zu erwarten ist. Außerhalb des durch die gestrichelte Linie 48 gekennzeichneten Bereichs kann ein Betrieb des MOSFET zu einer Beschädigung führen.
Eine Abszisse ist einer Drain-Source-Spannung des MOSFET zugeordnet, wobei eine Ordinate einem Drainstrom des MOSFET zugeordnet ist. In diesem Diagramm sind mit Graphen 50 bis 56 unterschiedliche Schaltvorgänge des MOSFET dargestellt.
Ein Punkt 58, der etwa auf der Ordinate liegt, kennzeichnet einen Betriebsstrom des MOSFET im eingeschalteten Schaltzustand. Ein weiterer Punkt 60, der etwa auf der Abszisse liegt, kennzeichnet die Betriebsspannung des MOSFET, die im ausgeschalteten Schaltzustand an seiner Schaltstrecke zwischen seinem Drain-Anschluss und seinem Source-Anschluss anliegt. Zwischen diesen Punkten 58, 60 erfolgen Schaltvorgänge, die zu einem Wechsel zwischen dem eingeschalteten Schaltzustand und dem ausgeschalteten Schaltzustand führen.
Mittels eines Graphen 52 ist ein hartschaltender Einschaltvorgang dargestellt, und mittels eines Graphen 54 ist ein entsprechender hartschaltender Ausschaltvorgang dargestellt. Anhand der Graphen 52, 54 ist ersichtlich, dass während des Schaltvorgangs der sichere Betriebsbereich, der durch die gestrichelte Linie 48 gekennzeichnet ist, verlassen wird. Während dieser Betriebszustände besteht die Gefahr, dass der MOSFET beschädigt oder sogar zerstört wird.
Mittels eines weiteren Graphen 56 ist ein weichschaltender Einschaltvorgang dargestellt. Ein entsprechend weichschaltender Ausschaltvorgang ist mittels eines Graphen 50 dargestellt. Aus 1 ist ersichtlich, dass ein weiches Schalten gemäß der Graphen 50, 56 dazu führt, dass der zulässige Betriebsbereich, der durch die gestrichelte Linie 48 gekennzeichnet ist, während des Schaltvorgangs nicht verlassen wird. In diesem Fall besteht also keine Gefahr einer Beschädigung des MOSFET.
2 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Spannungs-/Strom-Zeit-Diagramm, mittels dem ein idealisierter Ausschaltvorgang des MOSFET dargestellt wird. Die Abszisse ist der Zeit zugeordnet, wohingegen die Ordinate je nach Graph entweder der Spannung oder dem Strom zugeordnet ist.
Mittels eines Graphen 62 ist seine Drain-Source-Spannung des MOSFET dargestellt. Ein Graph 64 stellt seinen Drainstrom dar. Ein Graph 66 ist einer Gate-Source-Spannung des MOSFET zugeordnet. Zu erkennen ist, dass zum Zeitpunkt t₀ die Gate-Source-Spannung einen vorgegebenen Wert eingenommen hat, sodass der MOSFET im eingeschalteten Schaltzustand ist. Entsprechend ist die Drain-Source-Spannung etwa 0 V. Der Drain-strom entspricht dem Betriebsstrom im eingeschalteten Schaltzustand. Das Diagramm gemäß 2 zeigt den idealisierten Ausschaltvorgang des MOSFET.
Der Ausschaltvorgang beginnt damit, dass die Gate-Source-Spannung reduziert wird, woraufhin zu einem Zeitpunkt t₁ die Drain-Source-Spannung bis etwa zum Zeitpunkt t₂ ansteigt, und zwar bis etwa auf die Betriebsspannung. Während dieses Zeitraums bleibt der Drainstrom im Wesentlichen unverändert, wie anhand des Graphen 64 ersichtlich ist. Auch ein weiteres Absinken der Gate-Source-Spannung ist in diesem Zeitraum nicht zu verzeichnen. Ab dem Zeitpunkt t₂ sinkt dann die Gate-Source-Spannung auf etwa 0 V ab, wie anhand des Graphen 66 ersichtlich ist. Entsprechend fällt der Drainstrom gemäß dem Graphen 64 auf etwa 0 A zum Zeitpunkt t₃ . Zu diesem Zeitpunkt ist der MOSFET dann im ausgeschalteten Schaltzustand.
4 zeigt ein entsprechendes Diagramm wie 2 für einen realen Ausschaltvorgang des MOSFET, wie er im Folgenden noch weiter beschrieben werden wird (16, 18, 20, 22). In 4 sind die Graphen entsprechend bezeichnet. 4 ist jedoch lediglich eine qualitative Darstellung. Der Schaltvorgang beginnt dem Grunde nach bei t₀ .
3 zeigt eine entsprechende Darstellung wie 2, jedoch für einen Einschaltvorgang des MOSFET. Der Einschaltvorgang beginnt zum Zeitpunkt 0, indem die Gate-Source-Spannung gemäß dem Graphen 66 ansteigt. Zum Zeitpunkt t₄ beginnt der Drainstrom anzusteigen gemäß dem Graphen 64 bis zum Zeitpunkt t₅ , zu dem der Betriebsstrom erreicht wird. Bis zum Zeitpunkt t₅ bleibt die Gate-Source-Spannung im Wesentlichen konstant, wie dies anhand des Graphen 62 ersichtlich ist. Ab dem Zeitpunkt t₅ sinkt dann die Drain-Source-Spannung auf etwa 0 V zum Zeitpunkt t₆ ab. Während dieses Zeitraums bleibt die Gate-Source-Spannung gemäß dem Graphen 66 im Wesentlichen konstant. Ab dem Zeitpunkt t₆ steigt die Gate-Source-Spannung gemäß dem Graphen 66 bis zum Zeitpunkt t₇ nochmals weiter an, bis sie ihren vorgegebenen maximalen Wert erreicht. 5 zeigt ein schematisches Diagramm in qualitativer Darstellung für den realen Schaltvorgang entsprechend 3.
Wie aus den 2 bis 5 ersichtlich ist, erweist es sich als nachteilig, dass der Drainstrom während des Schaltvorgangs bereits sehr hoch ist, obwohl zugleich auch eine entsprechend hohe Drain-Source-Spannung anliegt. Dies führt zu hohen Schaltverlusten des MOSFET.
Um dies zu verbessern, wird mit der Erfindung erreicht, dass während eines Ausschaltvorgangs die Drain-Source-Spannung bei einem Ausschaltvorgang verzögert gegenüber dem abfallenden Drainstrom ansteigt und der Drainstrom bei einem Einschaltvorgang verzögert gegenüber der sinkenden Drain-Source-Spannung ansteigt. Dies ist anhand der schematischen Diagrammdarstellungen der 6 und 8 gezeigt, wobei die 6 einen idealisierten Ausschaltvorgang darstellt und die 8 einen entsprechenden idealisierten Einschaltvorgang. Die 7 und 9 zeigen wieder schematische Diagrammdarstellungen für entsprechende reale Schaltvorgänge, und zwar die 7 einen realen Ausschaltvorgang und die 9 einen entsprechenden realen Einschaltvorgang. Die Graphen sind in den 6 bis 9 wieder wie in den 2 bis 5 zugeordnet.
15 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Tiefsetzsteller 10 gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung als getakteten Energiewandler zum elektrischen Koppeln eines ersten Gleichspannungsnetzes 16, welches vorliegend ein 48V-Netz ist, mit einem zweiten Gleichspannungsnetz 18, welches vorliegend ein 12V-Netz ist. Der Tiefsetzsteller 10 umfasst eine Wandlerschaltung 20 mit zwei MOSFET 22, 24 als Wandlerschaltelementen sowie einer an die MOSFET 22, 24 angeschlossenen Wandlerinduktivität 26. An einem Verbindungspunkt 68 sind die MOSFET 22, 24 sowie die Wandlerinduktivität 26 miteinander elektrisch gekoppelt. Der Tiefsetzsteller 10 funktioniert nach einem gewöhnlichen Tiefsetzstellprinzip, in dem mittels einer Steuereinheit 46 des Tiefsetzstellers 10 Gate-Anschlüsse der MOSFET 22, 24 mit entsprechenden Schaltsignalen nach einem PWM-Verfahren beaufschlagt werden, sodass sie im Schaltbetrieb betrieben werden, um die gewünschte Energiewandlungsfunktionalität bereitstellen zu können. Parallel zu jedem der MOSFET 22, 24 ist gestrichelt ein Kondensator 44 dargestellt, der, wie im Folgenden noch erläutert werden wird, zusätzlich vorgesehen sein kann. Die MOSFET 22, 24 sind in der vorliegenden Ausgestaltung N-Kanal-MOSFET.
Parallel zur Wandlerinduktivität 26 ist eine Reihenschaltung aus einer Hilfsinduktivität 28 und einem Hilfsschaltelement 30 parallelgeschaltet angeschlossen. Die Wandlerinduktivität 26 und die Hilfsinduktivität 28 sind magnetisch getrennt voneinander angeordnet. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die durch die Wandlerinduktivität 26 sowie die Hilfsinduktivität 28 erzeugten Magnetfelder orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Dadurch kann eine magnetische Kopplung der Wandlerinduktivität 26 mit der Hilfsinduktivität 28 weitgehend unterdrückt werden. Es können aber auch andere Maßnahmen zur Reduzierung oder Vermeidung der magnetischen Kopplung vorgesehen sein, beispielsweise eine magnetische Abschirmung und/oder dergleichen.
Das Hilfsschaltelement 30 wird mittels eines Hilfsschaltsignals 70 gesteuert, welches ebenfalls durch die Steuereinheit 46 bereitgestellt wird. Mittels eines Stromsensors 42 kann der Strom durch das Hilfsschaltelement 30 sowie durch die Hilfsinduktivität 28 erfasst werden. Der Stromsensor 42 ist ebenfalls an die Steuereinheit 46 angeschlossen, sodass diese vom Stromsensor bereitgestellte Signale zum Bereitstellen der Schaltsignale für das Hilfsschaltelement 30 sowie für die MOSFET 22, 24 nutzen kann.
Um die Schaltverluste der MOSFET 22, 24 zu reduzieren, ist vorliegend vorgesehen, dass das Hilfsschaltelement 30 kurz vor einem Schaltvorgang der MOSFET 22, 24 eingeschaltet wird, sodass die Hilfsinduktivität 28 elektrische Energie aus dem 12V-Netz 18 bezieht. Die Hilfsinduktivität 28 stellt also einen Energiefluss entgegen dem Energiefluss des Tiefsetzstellers 10 bereit.
Die in der Hilfsinduktivität 28 gespeicherte elektrische Energie wird dann während des Schaltvorgangs der MOSFET 22, 24 in den Verbindungspunkt 68 gespeist, sodass die Hilfsinduktivität 28 den Schaltvorgang der MOSFET 22, 24 unterstützt und dadurch die Schaltverluste reduzieren kann, wie dies anhand der 6 bis 9 dargestellt ist.
Die 10 und 12 zeigen schematische Diagrammdarstellungen von theoretischen Stromverläufen, wobei ein Graph 72 den Strom durch die Hilfsinduktivität 28 zeigt. Zu erkennen ist, dass ein kurzer Stromimpuls bereitgestellt wird. Die 11 und 13 zeigen weitere schematische Diagrammdarstellungen der hierbei erzeugten Verlustleistung. Die Abszissen dieser Diagramme sind der Zeit und die Ordinaten der 10 und 12 jeweils der Spannung beziehungsweise dem Strom und in den 11 und 13 der Leistung zugeordnet. Die 10 und 11 betreffen einen Einschaltvorgang, wohingegen die 12 und 13 einen Ausschaltvorgang betreffen. Aus den 11 und 13 ist ersichtlich, dass eine bestimmte Verlustleistung während des Schaltvorgangs erzeugt wird. Diese ist jedoch deutlich kleiner als die Verlustleistung, die ohne die Erfindung bei einem Schaltvorgang der MOSFET 22, 24 erzeugt werden würde. 14 zeigt, wie die Schaltverluste mittels der Erfindung reduziert werden können.
16 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung den Tiefsetzsteller 10 gemäß 15, wobei hier jedoch nun die Kondensatoren 44 obligatorisch vorgesehen sind. Die weiteren Elemente entsprechen denen, wie sie bereits anhand von 15 erläutert wurden, weshalb diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Das Grundprinzip, wie bereits zur 15 erläutert, bleibt trotzdem erhalten. Ein Unterschied besteht im Wesentlichen darin, dass mittels der Hilfsinduktivität 28 nunmehr auch die Kondensatoren 44 umgeladen werden. Dazu wird eine größere Energiemenge in der Hilfsinduktivität 28 für den Schaltvorgang benötigt.
17 zeigt ein entsprechendes schematisches Signaldiagramm für die Signale des Tiefsetzstellers 10 gemäß 16. Mit S1 bis S6 sind Schaltzeitpunkte angegeben, die für die Schaltsignale für die MOSFET 22, 24 sowie für das Hilfsschaltelement 30 (AUX) bereitgestellt werden. In 17 ist für den High-Side-MOSFET 22 das Schaltsignal HS und für den Low-Side-MOSFET 24 das Schaltsignal LS bereitgestellt. Für das Hilfsschaltelement 30 stellt die Steuereinheit 46 das Schaltsignal AUX bereit. Die elektrische Spannung zwischen dem Verbindungspunkt 68 und einer gemeinsamen Masse des 48V-Netzes 16 und des 12V-Netzes 18 ist durch einen Graphen mit dem Bezugszeichen 76 gekennzeichnet. Die Spannung am Verbindungspunkt 68 ist mit SN in 17 bezeichnet.
Zu erkennen ist, dass vor dem Beginn eines Schaltvorgangs, der durch die Zeitpunkte S2 und S3 bestimmt ist, also zum Zeitpunkt S1 das Hilfsschaltelement 30 eingeschaltet wird, sodass die Hilfsinduktivität 28 mit elektrischer Energie beaufschlagt wird. Diese bezieht sie aus dem 12V-Netz 18. Erkennbar ist ferner, dass der elektrische Strom durch die Hilfsinduktivität 28 etwa linear ansteigt, wie mittels des Graphen 72 in 17 dargestellt. Bis zum Zeitpunkt S2 steigt dieser Strom zum Beispiel auf einen Wert von etwa 150 A. Zum Zeitpunkt S2 wird der MOSFET 24 ausgeschaltet, weshalb nun der Strom durch die Hilfsinduktivität 28 die Kondensatoren 44 umlädt. Dabei reduziert sich natürlich auch der Strom durch die Hilfsinduktivität 28, weil deren im Magnetfeld gespeicherte Energie in die Kondensatoren 44 umgeladen wird. Dies ist anhand des Graphen 72 im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten S2 und S4 ersichtlich. Sobald der Strom durch die Hilfsinduktivität 28 etwa null erreicht, was vorliegend zum Zeitpunkt S4 der Fall ist, wird das Hilfsschaltelement 30 mittels des Signals AUX wieder ausgeschaltet.
Da zum Zeitpunkt S3 bereits ein Großteil der Energie in die Kondensatoren 44 zum Umladen von der Hilfsinduktivität 28 eingebracht wurde, ist nun die Drain-Source-Spannung am MOSFET 22 entsprechend reduziert, sodass bei einem Einschalten des MOSFET 22 die Schaltverluste entsprechend reduziert werden können. In dem untersten Graphen ist entsprechend der Spannungsverlauf der Spannung SN zwischen dem Verbindungspunkt 68 und der Masse 76 dargestellt.
18 zeigt eine Weiterbildung des Tiefsetzstellers 10 gemäß 16, die sich von der Ausgestaltung gemäß 16 dadurch unterscheidet, dass zusätzlich zu der Reihenschaltung aus dem Hilfsschaltelement 30 und der Hilfsinduktivität 28 noch eine Diode 40 geschaltet ist.
Durch die Diode 40 kann erreicht werden, dass das Hilfsschaltelement 30 nahezu stromlos ein- und auch stromlos wieder ausgeschaltet werden kann. Darüber hinaus können Recovery-Verluste in der Diode 40 aufgrund von nicht abruptem Stromblockieren reduziert werden, sodass keine große Verlustleistung auftritt. Eine Strom-Null-Detektion zum Ausschalten des Hilfsschaltelements 30 ist bei dieser Variante des Tiefsetzstellers 10 nicht zwingend erforderlich. Dadurch kann die Schaltung genauer und einfacher realisiert werden.
19 zeigt in einer schematischen Signaldarstellung die entsprechenden zeitlichen Verläufe. Mit dem Graphen 72 ist wieder der Strom durch die Hilfsinduktivität 28 dargestellt, wohingegen AUX das Schaltsignal für das Hilfsschaltelement 30 zeigt. Zum Zeitpunkt S1 wird das Hilfsschaltelement 30 nahezu stromlos eingeschaltet. Der Strom durch die Hilfsinduktivität 28 steigt dann etwa linear an, wie dies anhand des Graphen 72 ersichtlich ist. Während des Umschaltvorgangs wird dann die Energie der Hilfsinduktivität 28 in die Kondensatoren 44 umgeladen, weshalb der Strom durch die Hilfsinduktivität 28 entsprechend abnimmt. Zum Zeitpunkt S4 ist dann der Strom durch die Hilfsinduktivität 28 etwa null, sodass das Hilfsschaltelement 30 nahezu stromlos ausgeschaltet werden kann. Aufgrund der Diode 40 ist es möglich, den Zeitpunkt S4 in einen Bereich 78 zu legen. Es ist also nicht erforderlich, einen hochgenauen Zeitpunkt S4 festzulegen. Dies ist für die Realisierung der Steuereinheit 46 vorteilhaft.
20 zeigt eine zweite Ausgestaltung für einen Tiefsetzsteller 12, der dem Grunde nach auf dem Tiefsetzsteller 10, wie er anhand der vorgenannten 15, 16, 18 erläutert wurde, basiert. Im Unterschied zur Ausgestaltung des Tiefsetzstellers 10 ist bei dem Tiefsetzsteller 12 ein Hilfsschaltelement 30 vorgesehen, welches zwei antiseriell geschaltete Transistoren umfasst, die vorliegend ebenfalls durch N-Kanal-MOSFET 32, 34 gebildet sind. Die MOSFET 32, 34 werden mit einem gemeinsamen Hilfsschaltsignal 70 von der Steuereinheit 46 gesteuert. Diese Ausgestaltung erlaubt es, das Steuern der Hilfsinduktivität 28 weiter zu verbessen.
Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass ein Steueranschluss 38 beziehungsweise ein Gate-Anschluss des MOSFET 34 unmittelbar vom Hilfsschaltsignal 70 beaufschlagt wird. Dagegen ist ein Steueranschluss 36 beziehungsweise ein Gate-Anschluss des MOSFET 32 über ein Widerstand-Kondensator-Dioden-Netzwerk an das Hilfsschaltsignal 70 angeschlossen. Dieses Netzwerk umfasst eine Diode 80, die parallel zu einem Widerstand R1 geschaltet ist, wobei diese Parallelschaltung zwischen dem Anschluss für das Hilfsschaltsignal 70 und dem Steueranschluss 36 angeschlossen ist. Parallel zwischen dem Steueranschluss 36 und dem Source-Anschluss des MOSFET 32 ist ferner ein Kondensator C1 angeschlossen.
Durch diese Beschaltung wird erreicht, dass ein Einschaltsignal des Hilfsschaltsignals 70 zum unmittelbaren Einschalten beider MOSFET 32, 34 führt. Ein entsprechendes Ausschaltsignal führt dagegen beim MOSFET 34 unmittelbar zum Ausschalten, wohingegen aufgrund des Netzwerks der MOSFET 32 verzögert ausgeschaltet wird. Dies ist anhand der schematischen Signaldarstellung gemäß 21 ersichtlich. Mit 72 ist wieder der Stromverlauf durch die Hilfsinduktivität 28 dargestellt. AUX1 repräsentiert das Schaltsignal am Steueranschluss 36 des MOSFET 32, wohingegen AUX2 das Schaltsignal am Steueranschluss 38 des MOSFET 34 repräsentiert. Durch diese Maßnahme kann die Verlustleistung, die bei dem Tiefsetzsteller 10 gemäß 18 durch die Diode 40 erzeugt wird, reduziert werden. Jedoch erweist sich diese Schaltung insofern als nachteilig, als dass ausschließlich ein Tiefsetzstellmodus des Tiefsetzstellers 12 möglich ist.
Um diesen Nachteil weiter zu reduzieren, wird mit 22 eine dritte Ausgestaltung für einen Tiefsetzsteller 14 vorgeschlagen, die auf dem Tiefsetzsteller 12 gemäß 20 basiert. Im Unterschied zum Tiefsetzsteller 12 ist hier vorgesehen, dass die MOSFET 32, 34 unabhängig voneinander unmittelbar von der Steuereinheit 46 gesteuert werden. Ein entsprechendes schematisches Signaldiagramm zeigt 23. Die Darstellung gemäß 23 ist entsprechend der Darstellung gemäß 17 gewählt. Bezüglich HS, LS, AUX1, AUX2 und SN wird auf die vorhergehenden Ausführungen verwiesen. Ein Graph 82 repräsentiert den elektrischen Strom durch die Wandlerinduktivität 26. Der Graph 72 repräsentiert wieder den elektrischen Strom durch die Hilfsinduktivität 28. Die Graphen 84 bis 88 sind Stromverläufen zugeordnet, wobei der Graph 84 einen Strom durch den MOSFET 24, der Graph 86 einen Strom durch den MOSFET 22 sowie der Graph 88 einen Strom durch die Kondensatoren 44 darstellt. Mit I_L ist der Strom durch die Wandlerinduktivität 16 dargestellt.
Zu erkennen ist, dass zwischen den Zeitpunkten bezüglich eines Schaltvorgangs, hier S2, S3 sowie S5, S6, jeweils ein Stromimpuls in die Kondensatoren 44 eingespeist wird, sodass ein entsprechendes Umladen erfolgen kann. Dadurch können die Schaltverluste der MOSFET 22, 24 erheblich reduziert werden. Der Zeitpunkt S1 ist so gewählt, dass die Hilfsinduktivität 28 rechtzeitig zum Umschalten genügend Energie in ihrem Magnetfeld gespeichert hat, damit die Schaltverluste reduziert werden können. Dies ist anhand des Graphen 72 ersichtlich. Wie anhand der Signale AUX1, AUX2 ersichtlich ist, wird die Hilfsinduktivität 28 während des eingeschalteten Schaltzustands des MOSFET 34 mit elektrischer Energie aus dem 12V-Netz 18 beaufschlagt. Diese Energiezufuhr ist im Wesentlichen mit dem Ausschalten des MOSFET 34 beendet. Der MOSFET 32 bleibt weiterhin eingeschaltet, sodass die Hilfsinduktivität 28 die Energie zum Umschalten bereitstellen kann. Sobald der Umschaltvorgang im Wesentlichen abgeschlossen ist, kann, sobald der Strom durch die Hilfsinduktivität 28 null erreicht, der MOSFET 32 ebenfalls abgeschaltet werden. Die Hilfsinduktivität 28 ist bis zum nächsten Umschaltvorgang deaktiviert.
Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele, wie unter Nutzung der Hilfsinduktivität 28 die Schaltverluste bei einem getakteten Energiewandler reduziert werden können.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Schaltung für verlustarmes Schalten von Leistungshalbleitern bereitgestellt werden kann.
Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung lediglich erläutern und nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

10: Tiefsetzsteller
12: Tiefsetzsteller
14: Tiefsetzsteller
16: 48V-Netz
18: 12V-Netz
20: Wandlerschaltung
22: MOSFET
24: MOSFET
26: Wandlerinduktivität
28: Hilfsinduktivität
30: Hilfsschaltelement
32: MOSFET
34: MOSFET
36: Steueranschluss
38: Steueranschluss
40: Diode
42: Stromsensor
44: Kondensator
46: Steuereinheit
48: Linie
50: Graph
52: Graph
54: Graph
56: Graph
58: Punkt
60: Punkt
62: Graph
64: Graph
66: Graph
68: Verbindungspunkt
70: Hilfsschaltsignal
72: Graph
76: Masse
78: Bereich
80: Diode
82: Graph
84: Graph
86: Graph
88: Graph
R1: Widerstand
C1: Kondensator
I_D: Drainstrom
I_L: Strom der Wandlerinduktivität 26
U_DS: Drain-Source-Spannung
S1 bis S6: Schaltzeitpunkte

Claims

Getakteter Energiewandler (10, 12, 14) zum elektrischen Koppeln eines ersten Gleichspannungsnetzes (16) mit einem zweiten Gleichspannungsnetz (18), mit: - einem ersten Anschluss zum Anschließen an das erste Gleichspannungsnetz (16), - einem zweiten Anschluss zum Anschließen an das zweite Gleichspannungsnetz (18), und - eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss angeschlossene Wandlerschaltung (20) mit: - wenigstens einem Wandlerschaltelement (22, 24), - wenigstens einer an das wenigstens eine Wandlerschaltelement (22, 24) angeschlossenen Wandlerinduktivität (26), dadurch gekennzeichnet, dass an die wenigstens eine Wandlerinduktivität (26) eine Reihenschaltung aus einer Hilfsinduktivität (28) und einem Hilfsschaltelement (30) parallelgeschaltet angeschlossen ist, wobei die wenigstens eine Wandlerinduktivität (26) und die Hilfsinduktivität (28) magnetisch getrennt voneinander angeordnet sind.
Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsschaltelement (30) wenigstens einen Transistor (32, 34) aufweist.
Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsschaltelement (30) zwei antiseriell geschaltete Transistoren (32, 34) umfasst.
Energiewandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Steueranschlüsse (36, 38) der Transistoren (32, 34) gemeinsam angesteuert werden.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung zusätzlich eine Diode (40) umfasst.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Stromsensor (42) zum Erfassen eines elektrischen Stroms der wenigstens einen Wandlerinduktivität (26) und/oder der Hilfsinduktivität (28).
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kapazitätssensor zum Erfassen einer elektrischen Kapazität (44) in Bezug auf das wenigstens eine Wandlerschaltelement (22, 24).
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (46) zum Steuern des wenigstens einen Wandlerschaltelements (22, 24) und des Hilfsschaltelements (30) in einem jeweiligen Schaltbetrieb, wobei die Steuereinheit (46) ausgebildet ist, das Hilfsschaltelement (30) zeitlich in einem Bereich des Einschaltens und/oder des Ausschaltens des wenigstens einen Wandlerschaltelements (22, 24) in einen eingeschalteten Schaltzustand zu schalten.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Reihenschaltungen parallel an die wenigstens eine Wandlerinduktivität (26) angeschlossen sind, wobei eine jeweilige der Reihenschaltungen einem Einschaltvorgang des Wandlerschaltelements (22, 24) und die andere der Reihenschaltungen einem Ausschaltvorgang des wenigstens einen Wandlerschaltelements (22, 24) zugeordnet ist.
Verfahren zum Wandeln von elektrischer Energie mittels eines getakteten Energiewandlers (10, 12, 14), der ein erstes Gleichspannungsnetz (16) mit einem zweiten Gleichspannungsnetz (18) elektrisch koppelt, indem die elektrische Energie mittels wenigstens eines Wandlerschaltelements (22, 24) und wenigstens einer an das wenigstens eine Wandlerschaltelement (22, 24) angeschlossenen Wandlerinduktivität (26) des Energiewandlers (10, 12, 14) gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur wenigstens einen Wandlerinduktivität (26) eine Hilfsinduktivität (28) mittels eines Hilfsschaltelements (30) parallelgeschaltet wird, wobei die wenigstens eine Wandlerinduktivität (26) und die Hilfsinduktivität (28) magnetisch getrennt voneinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsinduktivität (28) vor einem Schaltvorgang des wenigstens einen Wandlerschaltelements (22, 24) aktiviert und nach diesem Schaltvorgang deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsinduktivität (28) elektrische Energie aus demjenigen der Gleichspannungsnetze (18) erhält, welchem durch das Wandeln der elektrischen Energie mittels des Energiewandlers (10, 12, 14) diese Energie zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einschaltzeitpunkt und/oder ein Ausschaltzeitpunkt für das Hilfsschaltelement (30) abhängig von einer elektrischen Kapazität (44) in Bezug auf das wenigstens eine Wandlerschaltelement (22, 24) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Strom der wenigstens einen Wandlerinduktivität (26) zum Ermitteln des Einschaltzeitpunkts und/oder des Ausschaltzeitpunkts berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsschaltelement (30) zwei antiseriell in Reihe geschaltete Transistoren (32, 34) umfasst, deren Steueranschlüsse (36, 38) unabhängig voneinander mit einem Hilfssteuersignal beaufschlagt werden.