-
Technisches Gebiet:
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, insb. für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, speziell eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs.
-
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
-
Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer Gleichspannung in einer anderen Gleichspannung mit einem höheren, niedrigeren oder invertierten Spannungsniveau sind bekannt und in vielen elektrischen Systemen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus, insb. in Kraftfahrzeugen, speziell in Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen verwendet.
-
Wie bei allen technischen Vorrichtungen üblich, besteht bei den Gleichspannungswandlern die allgemeine Anforderung, diese effizienter zu gestalten.
-
Damit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen effizienten Gleichspannungswandler bereitzustellen.
-
Beschreibung der Erfindung:
-
Diese Aufgabe wird durch Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Gleichspannungswandler bereitgestellt.
-
Der Gleichspannungswandler weist zwei primärseitige Stromanschlüsse zum Anschließen des Gleichspannungswandlers an einer Stromquelle auf. Der Gleichspannungswandler weist ferner einen ersten und einen zweiten Transformator zur Spannungsumwandlung, sowie eine erste und eine zweite primärseitige Wandlerschaltung auf, die zwischen den beiden primärseitigen Stromanschlüssen zueinander parallel elektrisch angeschlossen sind.
-
Dabei weist die erste primärseitige Wandlerschaltung eine erste Kondensator-Halbbrücke und eine erste IGBT-Halbbrücke auf, die zwischen den beiden primärseitigen Stromanschlüssen zueinander parallel elektrisch angeschlossen sind und deren jeweilige Mittelanschlüsse über einen ersten Brückenzweig miteinander elektrisch verbunden sind. In dem ersten Brückenzweig ist eine erste Primärspule des ersten Transformators elektrisch angeschlossen.
-
Analog weist die zweite primärseitige Wandlerschaltung eine zweite Kondensator-Halbbrücke und eine zweite IGBT-Halbbrücke auf, die zwischen den beiden primärseitigen Stromanschlüssen zueinander parallel elektrisch angeschlossen sind und deren jeweilige Mittelanschlüsse über einen zweiten Brückenzweig miteinander elektrisch verbunden sind. In dem zweiten Brückenzweig ist eine zweite Primärspule des zweiten Transformators elektrisch angeschlossen.
-
Hierbei ist eine Kondensator-Halbbrücke eine Halbbrückenschaltung mit zwei Kondensatoren, die in einem Strompfad zwischen zwei Stromanschlusspunkten zueinander seriell elektrisch angeschlossen sind und miteinander über einen Mittelanschluss elektrisch verbunden sind.
-
Analog ist eine IGBT-Halbbrücke eine Halbbrückenschaltung mit zwei Bipolar-Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (auf Englisch „Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT)“), die in einem Strompfad zwischen zwei Stromanschlusspunkten zueinander seriell elektrisch angeschlossen sind und miteinander über einen Mittelanschluss elektrisch verbunden sind.
-
Durch die Ausführung des Gleichspannungswandlers mit zwei primärseitigen Wandlerschaltungen mit jeweils einer Primärspule eines von zwei Transformatoren, deren Übertragungsleistungen über jeweils eine IGBT-Halbbrücke der beiden primärseitigen Wandlerschaltungen voneinander unabhängig geregelt werden können, kann die Gesamtleistung des Gleichspannungswandlers effizienter an die Systemanforderung angepasst werden. Durch die doppelte Ausführung der primärseitigen Wandlerschaltungen ist es zudem ermöglicht, eine Ausgangsspannung in einem vergleichsweise größeren Spannungsbereich bereitzustellen, als diese bei einem Gleichspannungswandler mit einer einzigen primärseitigen Wandlerschaltung möglich ist. Dies steigt auch die Effizient des Gleichspannungswandlers.
-
Darüber hinaus entfällt dank der Anwendung der IGBT-Schalter (bzw. Bipolar-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode) in den primärseitigen Wandlerschaltungen bzw. in den primärseitigen Halbbrückenschaltungen die sonst erforderliche Anpassung der Transformatoren, wodurch die Effizient des Gleichspannungswandlers weiter steigt.
-
Damit ist ein effizienter Gleichspannungswandler bereitgestellt.
-
Darüber hinaus können durch die Ausführung der beiden primärseitigen Wandlerschaltungen mit jeweils einer Kondensator-Halbbrücke und einer IGBT-Halbbrücke kostspielige IGBT-Schalter gespart werden, wodurch wiederum die Herstellungskosten für die Gleichspannungswandler reduziert werden können.
-
Bspw. sind die erste Kondensator-Halbbrücke und die zweite Kondensator-Halbbrücke ein und dieselbe Kondensator-Halbbrücke. Dementsprechend sind der Mittelanschluss der ersten Kondensator-Halbbrücke und der Mittelanschluss der zweiten Kondensator-Halbbrücke ein und derselbe Mittelanschluss. Mit anderen Worten: Die erste und die zweite primärseitige Wandlerschaltung haben eine gemeinsame Kondensator-Halbbrücke mit einem gemeinsamen Mittelanschluss. Damit weist der Gleichspannungswandler primärseitig nur eine Kondensator-Halbbrücke mit einem Mittelanschluss auf.
-
Bspw. weist der Gleichspannungswandler ferner einen ersten und einen zweiten sekundärseitigen Stromanschluss zum Anschließen des Gleichspannungswandlers an einer Stromsenke bzw. einer elektrischen Last, wie z. B. einer elektrischen Maschine bzw. deren Wechselrichter, auf. Ferner weist der Gleichspannungswandler bspw. eine erste sekundärseitige Wandlerschaltung auf, die wiederum eine erste Sekundärspule des ersten Transformators mit einem ersten Mittelabgriff und zwei ersten Spulenenden aufweist. Dabei ist der erste Mittelabgriff bspw. an dem ersten sekundärseitigen Stromanschluss elektrisch angeschlossen. Die beiden ersten Spulenenden sind bspw. jeweils über einen ersten Halbleiterschalter, insb. Metall-Oxid-Feldeffekttransistor (auf Englisch „Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect Transistor (MOSFET)“), an einem dritten sekundärseitigen Stromanschluss elektrisch angeschlossen. Außerdem weist der Gleichspannungswandler bspw. eine zweite sekundärseitige Wandlerschaltung auf, die wiederum eine zweite Sekundärspule mit einem zweiten Mittelabgriff und zwei zweiten Spulenenden aufweist. Dabei ist der zweite Mittelabgriff bspw. an einem vierten sekundärseitigen Stromanschluss elektrisch angeschlossen. Die beiden zweiten Spulenenden sind bspw. jeweils über einen zweiten Halbleiterschalter an dem zweiten sekundärseitigen Stromanschluss elektrisch angeschlossen.
-
Bspw. sind die erste und die zweite sekundärseitige Wandlerschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten sekundärseitigen Stromanschluss zueinander parallel elektrisch angeschlossen. Dabei ist der dritte sekundärseitige Stromanschluss bspw. mit dem zweiten sekundärseitigen Stromanschluss (insb. direkt) elektrisch verbunden. Analog ist der vierte sekundärseitige Stromanschluss bspw. mit dem ersten sekundärseitigen Stromanschluss (insb. direkt) elektrisch verbunden.
-
Bspw. sind die erste und die zweite sekundärseitige Wandlerschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten sekundärseitigen Stromanschluss zueinander seriell elektrisch angeschlossen. Dabei ist der dritte sekundärseitige Stromanschluss bspw. mit dem vierten sekundärseitigen Stromanschluss (insb. direkt) elektrisch verbunden.
-
Bspw. weist der Gleichspannungswandler ferner eine erste Filterspule auf, die zwischen dem ersten Mittelabgriff und dem ersten sekundärseitigen Stromanschluss elektrisch angeschlossen ist. Außerdem weist der Gleichspannungswandler bspw. eine zweite Filterspule auf, die zwischen dem zweiten Mittelabgriff und dem vierten sekundärseitigen Stromanschluss elektrisch angeschlossen ist. Darüber hinaus weist der Gleichspannungswandler bspw. einen ersten Filterkondensator auf, der zwischen dem ersten und dem zweiten sekundärseitigen Stromanschluss elektrisch angeschlossen ist.
-
Bspw. weist der Gleichspannungswandler ferner einen Filter mit einer dritten und einer vierten Filterspule auf, die miteinander magnetisch gekoppelt sind. Die dritte Filterspule weist einen ersten Stromeingangsanschluss und einen ersten Stromausgangsanschluss auf, wobei der erste Stromeingangsanschluss bspw. an einem positivspannungsseitigen Stromanschluss der Stromquelle elektrisch angeschlossen ist und der erste Stromausgangsanschluss bspw. an einem ersten der beiden primärseitigen Stromanschlüsse elektrisch angeschlossen ist. Analog weist die vierte Filterspule einen zweiten Stromeingangsanschluss und einen zweiten Stromausgangsanschluss auf, wobei der zweite Stromeingangsanschluss bspw. an einem negativspannungsseitigen Stromanschluss der Stromquelle elektrisch angeschlossen ist und der zweite Stromausgangsanschluss an einem zweiten der beiden primärseitigen Stromanschlüsse elektrisch angeschlossen ist.
-
Bspw. weist der Gleichspannungswandler ferner einen zweiten Filterkondensator auf, der zwischen dem ersten Stromeingangsanschluss der dritten Filterspule und dem zweiten Stromeingangsanschluss der vierten Filterspule und somit parallel zu der Stromquelle elektrisch angeschlossen ist.
-
Bspw. weist der Gleichspannungswandler ferner einen ersten und einen zweiten Entstörkondensator auf, wobei der erste Entstörkondensator zwischen dem ersten Stromeingangsanschluss der dritten Filterspule und einem Massestromanschluss elektrisch verbunden ist und der zweite Entstörkondensator zwischen dem zweiten Stromeingangsanschluss der vierten Filterspule und einem Massestromanschluss elektrisch verbunden ist.
-
Figurenliste
-
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in einer schematischen Schaltungstopologie einen Gleichspannungswandler gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
- 2 in einer weiteren schematischen Schaltungstopologie einen Gleichspannungswandler gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
-
1 zeigt in einer schematischen Schaltungstopologie einen Gleichspannungswandler GW1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
-
Der Gleichspannungswandler GW1 weist zwei primärseitige Stromanschlüsse A11, A12 zum Anschließen des Gleichspannungswandlers GW1 an einer Stromquelle BT, bspw. einer Batterie, sowie zwei sekundärseitige Stromanschlüsse A21, A22 zum Anschließen des Gleichspannungswandlers GW1 an einer Stromsenke bzw. einem Stromverbraucher L, bspw. einer elektrischen Maschine mit einem vorgeschalteten Wechselrichter, auf.
-
Zwischen den beiden primärseitigen Stromanschlüssen A11, A12 einerseits und den beiden sekundärseitigen Stromanschlüssen A21, A22 andererseits weist der Gleichspannungswandler GW1 eine erste primärseitige Wandlerschaltung WS11 und eine zweite primärseitige Wandlerschaltung WS12, einen ersten Transformator TR1 und einen zweiten Transformator TR2; sowie eine erste sekundärseitige Wandlerschaltung WS21 und eine zweite sekundärseitige Wandlerschaltung WS22 auf.
-
Die erste und die zweite primärseitige Wandlerschaltung WS11, WS12 sind zwischen den beiden primärseitigen Stromanschlüssen A11, A12 zueinander parallel elektrisch angeschlossen.
-
Die erste primärseitige Wandlerschaltung WS11 weist eine erste Kondensator-Halbbrücke B11 und eine erste IGBT-Halbbrücke B12 auf, die zwischen den beiden primärseitigen Stromanschlüssen A11, A12 zueinander parallel elektrisch angeschlossen sind.
-
Die erste Kondensator-Halbbrücke B11 weist zwei Kondensatoren C11, C12 auf, die zueinander seriell angeschlossen sind und miteinander über einen Mittelanschluss MA11 der ersten Kondensator-Halbbrücke B11 elektrisch verbunden sind.
-
Analog weist die erste IGBT-Halbbrücke B12 zwei IGBT-Schalter (bzw. Bipolar-Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode) HS11, HS12 auf, die ebenfalls zueinander seriell angeschlossen sind und miteinander über einen Mittelanschluss MA12 der ersten IGBT-Halbbrücke B12 elektrisch verbunden sind.
-
Die Mittelanschlüsse MA11, MA12 der ersten Kondensator-Halbbrücke B11 und der ersten IGBT-Halbbrücke B12 sind über einen ersten Brückenzweig BZ1 miteinander elektrisch verbunden. In diesem ersten Brückenzweig BZ1 ist eine erste Primärspule PS1 des ersten Transformators TR1 elektrisch angeschlossen.
-
Die zweite primärseitige Wandlerschaltung WS12 weist eine zweite Kondensator-Halbbrücke B21 und eine zweite IGBT-Halbbrücke B22 auf, die zwischen den beiden primärseitigen Stromanschlüssen A11, A12 zueinander parallel elektrisch angeschlossen sind.
-
Die zweite Kondensator-Halbbrücke B21 weist zwei weitere Kondensatoren C21, C22 auf, die zueinander seriell angeschlossen sind und miteinander über einen Mittelanschluss MA21 der zweiten Kondensator-Halbbrücke B21 elektrisch verbunden sind.
-
In einer alternativen Ausführungsform können die erste und die zweite Kondensator-Halbbrücke B11, B21 ein und dieselbe Kondensator-Halbbrücke sein. In diesem Fall sind die Kondensatoren C11 und C21 ein und derselbe Kondensator. Analog sind die Kondensatoren C12 und C22 ein und derselbe Kondensator. Entsprechend sind der Mittelanschluss MA11 der ersten Kondensator-Halbbrücke B11 und der Mittelanschluss MA21 der zweiten Kondensator-Halbbrücke B21 ein und derselbe Mittelanschluss.
-
Analog weist die zweite IGBT-Halbbrücke B22 zwei IGBT-Schalter HS21, HS22 auf, die ebenfalls zueinander seriell angeschlossen sind und miteinander über einen Mittelanschluss MA22 der zweiten IGBT-Halbbrücke B22 elektrisch verbunden sind.
-
Die Mittelanschlüsse MA21, MA22 der zweiten Kondensator-Halbbrücke B21 und der zweiten IGBT-Halbbrücke B22 sind über einen zweiten Brückenzweig BZ2 miteinander elektrisch verbunden. In diesem zweiten Brückenzweig BZ2 ist eine zweite Primärspule PS2 des zweiten Transformators TR2 elektrisch angeschlossen.
-
Der erste Transformator TR weist die zuvor genannte erste Primärspule PS1 und eine erste Sekundärspule SS1 auf, die miteinander in einer dem Fachmann bekannten Weise magnetisch gekoppelt sind.
-
Analog weist der zweite Transformator TR die zuvor genannte zweite Primärspule PS2 und eine zweite Sekundärspule SS2 auf, die ebenfalls miteinander in der dem Fachmann bekannten Weise magnetisch gekoppelt sind.
-
Die erste und die zweite sekundärseitige Wandlerschaltung WS21, WS22 sind zwischen den beiden sekundärseitigen Stromanschluss A21, A22 zueinander parallel elektrisch angeschlossen.
-
Die erste sekundärseitige Wandlerschaltung WS21 weist die erste Sekundärspule SS1 des ersten Transformators TR1, eine erste Filterspule FS1, sowie zwei erste Halbleiterschalter HS31, HS32 in Form von Metall-Oxid-Feldeffekttransistoren auf.
-
Die erste Sekundärspule SS1 weist einen ersten Mittelabgriff MG1 und zwei Spulenenden SE11, SE12 auf. Der erste Mittelabgriff MG1 ist über die erste Filterspule FS1 an einem ersten der beiden sekundärseitigen Stromanschlüsse A21 elektrisch angeschlossen. Die beiden Spulenenden SE11, SE12 der ersten Sekundärspule SS1 sind jeweils über jeweils einen der beiden ersten Halbleiterschalter HS31, HS32 an einem dritten sekundärseitigen Stromanschluss A23 elektrisch angeschlossen, der in dieser Ausführungsform zugleich ein Massestromanschluss GND ist.
-
Die zweite sekundärseitige Wandlerschaltung WS22 weist die zweite Sekundärspule SS2 des zweiten Transformators TR2, eine zweite Filterspule FS2, sowie zwei zweite Halbleiterschalter HS41, HS42 in Form von Metall-Oxid-Feldeffekttransistoren auf.
-
Die zweite Sekundärspule SS2 weist einen zweiten Mittelabgriff MG2 und zwei weitere Spulenenden SE21, SE22 auf. Der zweite Mittelabgriff MG2 ist über die zweite Filterspule FS2 an einem vierten sekundärseitigen Stromanschluss A24 elektrisch angeschlossen, der in dieser Ausführungsform direkt an dem ersten sekundärseitigen Stromanschluss A21 elektrisch angeschlossen ist. Die beiden Spulenenden SE21, SE22 der zweiten Sekundärspule SS2 sind jeweils über jeweils einen der beiden zweiten Halbleiterschalter HS41, HS42 an einem zweiten der beiden sekundärseitigen Stromanschlüsse A22 elektrisch angeschlossen, der in dieser Ausführungsform an dem Massestromanschluss GND und somit an dem dritten sekundärseitigen Stromanschluss A23 elektrisch angeschlossen ist. Damit sind die erste und die zweite sekundärseitige Wandlerschaltung WS21, WS22 zwischen dem ersten und dem zweiten sekundärseitigen Stromanschluss A21, A22 zueinander parallel angeschlossen.
-
Die erste und die zweite sekundärseitige Wandlerschaltung WS21, WS22 weisen zudem gemeinsamen einen ersten Filterkondensator FK1 auf, der zwischen dem ersten und dem zweiten sekundärseitigen Stromanschluss A21, A22 elektrisch angeschlossen ist.
-
Darüber hinaus weist der Gleichspannungswandler GW1 einen Filter FT in Form von einer Gleichtaktdrossel (auf Englisch „Common Mode Choke (CMC)“) auf, der eine dritte Filterspule FS3 und eine vierte Filterspule FS4 aufweist, die miteinander magnetisch gekoppelt sind. Die dritte Filterspule FS3 weist einen ersten Stromeingangsanschluss EA1 und einen ersten Stromausgangsanschluss AA1 auf. Über den ersten Stromeingangsanschluss EA1 ist die dritte Filterspule FS3 an einem positivspannungsseitigen Stromanschluss PA der Stromquelle BT elektrisch angeschlossen. Über den ersten Stromausgangsanschluss AA1 ist die dritte Filterspule FS3 ferner an einem ersten der beiden primärseitigen Stromanschlüsse A11 elektrisch angeschlossen. Analog weist die vierte Filterspule FS4 einen zweiten Stromeingangsanschluss EA2 und einen zweiten Stromausgangsanschluss AA2 auf und ist über den zweiten Stromeingangsanschluss EA2 an einem negativspannungsseitigen Stromanschluss NA der Stromquelle BT elektrisch angeschlossen. Über den zweiten Stromausgangsanschluss AA2 ist die vierte Filterspule FS4 ferner an einem zweiten der beiden primärseitigen Stromanschlüsse A12 elektrisch angeschlossen.
-
Der Gleichspannungswandler GW1 weist zudem einen zweiten Filterkondensator FK2 auf, der zwischen dem ersten Stromeingangsanschluss EA1 der dritten Filterspule FS3 und dem zweiten Stromeingangsanschluss EA2 der vierten Filterspule FS4 bzw. zwischen dem positivspannungsseitigen und dem negativspannungsseitigen Stromanschluss PA, NA der Stromquelle BT elektrisch angeschlossen ist.
-
Der Gleichspannungswandler GW1 weist außerdem einen ersten und einen zweiten Y-Entstörkondensator EK1, EK2 auf. Dabei ist der erste Y-Entstörkondensator EK1 zwischen dem ersten Stromeingangsanschluss EA1 der dritten Filterspule FS3 und einem Massestromanschluss GND elektrisch verbunden. Der zweite Y-Entstörkondensator EK2 ist zwischen dem zweiten Stromeingangsanschluss EA2 der vierten Filterspule FS4 und einem Massestromanschluss GND elektrisch verbunden.
-
Dabei sind die beiden Y-Entstörkondensatoren EK1, EK2 an einem Gehäuse des Gleichspannungswandlers GW1 und somit an dem Massestromanschluss GND angeschlossen.
-
Dabei bilden der Filter FT mit der dritten und der vierten Filterspule FS3, FS4, der zweite Filterkondensator FK2, sowie die beiden Entstörkondensatoren FK3, FK4 gemeinsam einen Netzfilter aus, der als Teil des Gleichspannungswandlers GW1 betrachtet wird.
-
2 zeigt in einer weiteren schematischen Schaltungstopologie einen Gleichspannungswandler GW2 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
-
Der Gleichspannungswandler GW2 in 2 unterscheidet sich von dem Gleichspannungswandler GW1 in 1 dadurch, dass die erste und die zweite sekundärseitige Wandlerschaltung WS21, WS22 zwischen dem ersten und dem zweiten sekundärseitigen Stromanschluss A21, A22 zueinander seriell angeschlossen sind. Hierzu ist der dritte sekundärseitige Stromanschluss A23 nicht mehr mit dem Massenstromanschluss GND, sondern direkt mit dem vierten sekundärseitigen Stromanschluss A24 elektrisch verbunden. Der vierte sekundärseitige Stromanschluss A24 ist wiederum nicht mit dem ersten sekundärseitigen Stromanschluss A21, sondern lediglich mit dem dritten sekundärseitigen Stromanschluss A23 elektrisch verbunden.
-
In einer alternativen Ausführungsform des Gleichspannungswandlers GW2 der 2 können die beiden sekundärseitigen Filterspulen FS1 und FS 2 zu einer Filterspule bzw. einer Induktivität zusammengefasst werden.
