DE102019208207A1 - DC / DC converter for converting a direct voltage in the medium voltage range into a direct voltage in the low voltage range - Google Patents

DC / DC converter for converting a direct voltage in the medium voltage range into a direct voltage in the low voltage range Download PDF

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Abstract

DC/DC-Wandler zur Wandlung einer Gleichspannung im Mittelspannungsbereich in eine Gleichspannung im Niederspannungsbereich, umfassend- eine Serienschaltung aus einer Mehrzahl von ersten Spannungsteilermodulen, wobei die Spannungsteilermodule gleichartig aufgebaut sind,- ein Endmodul, dass in Serie zu den Spannungsteilermodulen geschaltet ist, wobei die Serie aus Spannungsteilermodulen und Endmodul zwischen die Pole der Gleichspannung im Mittelspannungsbereich geschaltet ist,- eine Transformatorschaltung, deren Eingangsanschlüsse mit Ausgangsanschlüssen des Endmoduls verbunden ist,- einen Gleichrichter, dessen Eingangskontakte mit Ausgangsanschlüssen der Transformatorschaltung verbunden sind,- einen Tiefsetzsteller, der eingangsseitig mit den Ausgangskontakten des Gleichrichters verbunden ist, wobei die Spannungsteilermodule und das Endmodul derart ausgestaltet sind, dass an den Ausgangsanschlüssen des Endmoduls eine verringerte Gleichspannung vorliegt, die höchstens halb so groß ist wie die Gleichspannung im Mittelspannungsbereich.DC / DC converter for converting a direct voltage in the medium voltage range into a direct voltage in the low voltage range, comprising - a series connection of a plurality of first voltage divider modules, the voltage divider modules being constructed identically, - an end module that is connected in series with the voltage divider modules, the A series of voltage divider modules and an end module is connected between the poles of the DC voltage in the medium voltage range, - a transformer circuit whose input connections are connected to the output connections of the end module, - a rectifier whose input contacts are connected to the output connections of the transformer circuit, - a step-down converter that is connected to the output contacts on the input side of the rectifier is connected, wherein the voltage divider modules and the end module are designed such that there is a reduced DC voltage at the output connections of the end module, which is at most half as large as wi e is the DC voltage in the medium voltage range.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, ausgestaltet zur Wandlung einer Gleichspannung im Mittelspannungsbereich, d.h. in einem ungefähren Bereich von 10 kV bis 150 kV in eine Gleichspannung zur Versorgung von Geräten im Niederspannungsbereich von ungefähr 1 V bis 50 V.The invention relates to a DC voltage converter designed for converting a DC voltage in the medium voltage range, i.e. in an approximate range of 10 kV to 150 kV into a DC voltage for supplying devices in the low voltage range of approx. 1 V to 50 V.

In Stromversorgungssystemen, die auf hoher Gleichspannung im Bereich von etwa 10 kV bis 150 kV basieren, international als MVDC bezeichnet, ist es notwendig, eine Reihe von elektronischen Kontroll-, Steuerungs- und Sicherheitsschaltungen zu betreiben. Diese heute digital ausgeführten Schaltungen müssen mit zwar niedrigen Speisespannungen, aber mit Strömen im ein- und mehrstelligen Amperebereich versorgt werden. Diese Versorgung, deren Gleichspannungswerte meist zwischen 1,8 V und 48 V liegen, heißt Hilfsstromversorgung, engl. auxiliary power supply.In power supply systems that are based on a high DC voltage in the range of around 10 kV to 150 kV, internationally known as MVDC, it is necessary to operate a number of electronic monitoring, control and safety circuits. These circuits, which are now digitally implemented, have to be supplied with low supply voltages, but with currents in the single and multi-digit ampere range. This supply, whose DC voltage values are mostly between 1.8 V and 48 V, is called auxiliary power supply. auxiliary power supply.

Da die elektrische Quelle für die Hilfsstromversorgung die hohe Netz-Gleichspannung ist, scheiden gewohnte Lösungen mit Transformatoren aus. Der große Unterschied der Gleichspannungen, beispielsweise UNetz = 40 kV und UHilfs = 12 V sind für Gleichspannungswandler, auch DC/DC-Wandler oder DC/DC-Konverter genannt, in sinnvoller Weise nur in mehreren Stufen, also in Form einer Kaskade, zu überbrücken. Mehrere Stufen sind auch aus Gründen der begrenzten Spannungsfestigkeit der zu Verfügung stehenden Schalttransistoren notwendig. Diese Stufen müssen über einen sehr weiten Bereich an Stromwerten, von sehr kleinen Strömen am Hochspannungseingang bis zu mittleren Strömen am Ausgang mit zufriedenstellendem Wirkungsgrad wandeln können. So beträgt beispielsweise, 100W Hilfsleistung vorausgesetzt, der Eingangsstrom (@10kV=) der Wandlerkaskade nur etwa 10mA, am Ende (@12V=) aber 8,3A.Since the electrical source for the auxiliary power supply is the high DC voltage, familiar solutions with transformers are ruled out. The big difference between the DC voltages, for example U Netz = 40 kV and U auxiliary = 12 V, are useful for DC voltage converters, also called DC / DC converters or DC / DC converters, only in several stages, i.e. in the form of a cascade, to bridge. Several stages are also necessary for reasons of the limited dielectric strength of the available switching transistors. These stages must be able to convert over a very wide range of current values, from very small currents at the high-voltage input to medium currents at the output, with satisfactory efficiency. For example, assuming 100W auxiliary power, the input current (@ 10kV =) of the converter cascade is only about 10mA, but at the end (@ 12V =) it is 8.3A.

Der große Unterschied der Gleichspannungen, beispielsweise UNetz = 40 kV und UHilfs = 12 V stellt für Hilfsstromversorgungen eine Herausforderung dar, da die zur Verfügung stehenden Schalttransistoren eine begrenzte Spannungsfestigkeit aufweisen. Weiterhin muss der DC/DC-Wandler von den sich ergebenden sehr kleinen Strömen am Hochspannungseingang bis zu mittleren Strömen am Ausgang mit zufriedenstellendem Wirkungsgrad wandeln können, so beträgt beispielsweise bei 100 W Hilfsleistung der Eingangsstrom bei 10 kV nur etwa 10 mA, am Ende bei 12 V aber schon 8,3 A.The large difference between the DC voltages, for example U Netz = 40 kV and U aux = 12 V, poses a challenge for auxiliary power supplies because the switching transistors available have a limited dielectric strength. Furthermore, the DC / DC converter must be able to convert from the resulting very small currents at the high voltage input to medium currents at the output with a satisfactory degree of efficiency, for example with 100 W auxiliary power the input current at 10 kV is only about 10 mA, at the end of 12 V but already 8.3 A.

Eine weitere Schwierigkeit stellt der Anlauf des Gleichspannungswandlers dar, engl. als „black start capability“ bezeichnet. Es ist nachteilig, wenn der Wandler eine eigene Energiequelle benötig, beispielsweise eine Batterie. Geht man also davon aus, dass es außer der speisenden Mittelgleichspannung (MVDC) keine weitere Energiequelle gibt, dann muss die Treiber- und Steuerungsleistung im niedrigen Wattbereich autonom anlaufend zur Verfügung gestellt werden. Dabei soll aber ein separater Hochspannungsschalter und Verlustleistungen im kW-Bereich durch einen einfachen Spannungsteiler vermieden werden.Another difficulty is the start-up of the DC-DC converter. referred to as "black start capability". It is disadvantageous if the converter requires its own energy source, for example a battery. If one assumes that there is no other energy source apart from the medium direct voltage (MVDC), then the driver and control power in the low watt range must be made available autonomously. A separate high-voltage switch and power losses in the kW range should be avoided by using a simple voltage divider.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler anzugeben, der die eingangs genannten Probleme löst. Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.It is the object of the present invention to specify a DC voltage converter which solves the problems mentioned at the beginning. This object is achieved by a DC voltage converter with the features of claim 1.

Der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler ist ausgestaltet zur Wandlung einer Gleichspannung im Mittelspannungsbereich in eine Gleichspannung im Niederspannungsbereich. Er umfasst eine Serienschaltung aus einer Mehrzahl von ersten Spannungsteilermodulen, wobei die Spannungsteilermodule insbesondere gleichartig aufgebaut sind, und ein Endmodul, das in Serie zu den Spannungsteilermodulen geschaltet ist. Die Serie aus Spannungsteilermodulen und Endmodul ist zwischen die Pole der Gleichspannung im Mittelspannungsbereich geschaltet.The DC / DC converter according to the invention is designed to convert a direct voltage in the medium voltage range into a direct voltage in the low voltage range. It comprises a series circuit made up of a plurality of first voltage divider modules, the voltage divider modules being constructed in particular in the same way, and an end module which is connected in series with the voltage divider modules. The series of voltage divider modules and end module is connected between the poles of the DC voltage in the medium voltage range.

Ferner umfasst der DC/DC-Wandler einen Transformator und einen dem Transformator nachgeschalteten Gleichrichter. Schließlich ist ein Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller vorhanden, der eingangsseitig mit den Ausgangskontakten des Gleichrichters verbunden ist.The DC / DC converter further comprises a transformer and a rectifier connected downstream of the transformer. Finally, there is a step-down converter or step-up converter, which is connected on the input side to the output contacts of the rectifier.

Dabei sind die Spannungsteilermodule und das Endmodul derart ausgestaltet, dass eine am Endmodul anliegende verringerte Gleichspannung höchstens halb so groß ist wie die Gleichspannung im Mittelspannungsbereich.The voltage divider modules and the end module are designed in such a way that a reduced DC voltage applied to the end module is at most half as large as the DC voltage in the medium voltage range.

Vorteilhaft wird dadurch ein modularer Aufbau bereitgestellt, bei dem eine Anpassung an die Höhe der Gleichspannung im Mittelspannungsbereich möglich ist durch eine Anpassung der Anzahl der verwendeten Spannungsteilermodule. Weiterhin passiert die Wandlung der Gleichspannung effizient, also mit geringer Verlustleistung, obwohl das Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung mindestens 150, in vielen Anwendungs-Fällen sogar 1000 und mehr beträgt.This advantageously provides a modular structure in which an adaptation to the level of the direct voltage in the medium voltage range is possible by adapting the number of voltage divider modules used. Furthermore, the conversion of the direct voltage takes place efficiently, i.e. with low power dissipation, although the ratio of input voltage to output voltage is at least 150, in many cases even 1000 and more.

Die Spannungsteilermodule können auch als Ladungspumpenmodule bezeichnet werden, da ihre Funktion an die einer Ladungspumpe angelehnt ist.The voltage divider modules can also be referred to as charge pump modules because their function is based on that of a charge pump.

Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass sie ohne Hoch- bzw. Mittelspannungstrafos mit beispielsweise UmaxTr = 10kV, ohne Hochvoltkondensatoren und Schalttransistoren im niedrigen kV-Bereich (beispielsweise UmaxS = 1,7kV) in der Bauteilbeschaffung, der Herstellung und im Entwurf deutlich einfacher ist.What is particularly advantageous about the solution according to the invention is that it can be used without high or medium voltage transformers with, for example, UmaxTr = 10kV, without high-voltage capacitors and switching transistors in the low kV range (for example UmaxS = 1, 7kV) in component procurement, production and design is much easier.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen sein:

  • - Die Spannungsteilermodule und das Endmodul können jeweils eine Halbbrücke mit zwei steuerbaren Leistungshalbleitern aufweisen, wobei die Außenanschlüsse der Halbbrücke einen ersten und zweiten Pol des Moduls bilden. Des Weiteren umfassen sie dann eine Serienschaltung zweier Dioden, die zwischen ersten und zweiten Pol geschaltet ist, eine zwischen den ersten und zweiten Pol geschaltete Widerstandsschaltung mit einem Widerstand oder zwei seriellen Widerständen und eine zwischen den ersten und zweiten Pol geschaltete Kondensatorschaltung mit einem Kondensator oder zwei seriellen Kondensatoren. Die Kondensatorschaltung, die Serienschaltung der Dioden, die Widerstandsschaltung und die Halbbrücke sind also mit anderen Worten parallel geschaltet. Dadurch ist dem Grundsatz nach ein Ladungspumpenaufbau gegeben, der im einzelnen noch anpassbar ist und das Stapeln der Spannungsteilermodule zulässt.
  • - Der Gleichrichter kann ein Dioden-Brückengleichrichter mit vier Dioden sein. Dadurch ist ein einfacher, verlustarmer Aufbau gegeben.
  • - Die verringerte Gleichspannung kann kleiner sein als die Gleichspannung im Mittelspannungsbereich geteilt durch die Anzahl der Spannungsteilermodule. Werden beispielsweise 7 Spannungsteilermodule bei einer Mittelspannung von 10 kV verwendet, ist die verringerte Gleichspannung, die an den Ausgängen des Endmoduls anliegt, kleiner als 10 kV / 7, also kleiner als etwa 1400 V. Bevorzugt teilt sich der Spannungsabfall gleichmäßig auf die Spannungsteilermodule und das Endmodul auf, so dass die verringerte Gleichspannung in etwa gleich der Mittelspannung geteilt durch die Anzahl der Spannungsteilermodule plus eins ist. Im gegebenen Beispiel wäre dann die verringerte Gleichspannung 10 kV / (7+1) = 1250 V. Die Kaskade aus den Spannungsteilermodulen und dem Endmodul transformiert die Mittelspannung also bevorzugt entsprechend der Anzahl der Spannungsteilermodule herunter. Eine größere Mittelspannung kann also ohne bauliche Änderung der Spanteilermodulen in dieselbe verringerte Gleichspannung transformiert werden. Beträgt die Gleichspannung im Mittelspannungsbereich beispielsweise 20 kV, kann eine verringerte Gleichspannung also erreicht werden, indem 15 Spannungsteilermodule verwendet werden.
Advantageous refinements of the DC / DC converter according to the invention emerge from the claims dependent on claim 1. The embodiment according to claim 1 can be combined with the features of one of the subclaims or with those from several subclaims. Accordingly, the following features can also be provided:
  • The voltage divider modules and the end module can each have a half bridge with two controllable power semiconductors, the external connections of the half bridge forming a first and second pole of the module. Furthermore, they then comprise a series circuit of two diodes connected between the first and second pole, a resistor circuit connected between the first and second pole with one resistor or two series resistors and one capacitor circuit connected between the first and second pole with one capacitor or two serial capacitors. In other words, the capacitor circuit, the series circuit of the diodes, the resistor circuit and the half bridge are connected in parallel. In principle, this results in a charge pump structure which can still be individually adapted and which allows the voltage divider modules to be stacked.
  • - The rectifier can be a diode bridge rectifier with four diodes. This results in a simple, low-loss structure.
  • - The reduced DC voltage can be less than the DC voltage in the medium voltage range divided by the number of voltage divider modules. For example, if 7 voltage divider modules are used at a medium voltage of 10 kV, the reduced DC voltage that is applied to the outputs of the end module is less than 10 kV / 7, i.e. less than about 1400 V. The voltage drop is preferably divided equally between the voltage divider modules and the End module so that the reduced DC voltage is roughly equal to the mean voltage divided by the number of voltage divider modules plus one. In the example given, the reduced DC voltage would then be 10 kV / (7 + 1) = 1250 V. The cascade of the voltage divider modules and the end module thus preferably down-transforms the medium voltage according to the number of voltage divider modules. A higher mean voltage can therefore be transformed into the same reduced DC voltage without structural changes to the chip splitter modules. If the DC voltage in the medium voltage range is 20 kV, for example, a reduced DC voltage can be achieved by using 15 voltage divider modules.

Der heutige Begriff MVDC umfasst einen weiten Spannungsbereich, da die neuen Netze erst in der Planung oder im Aufbau sind, so dass die notwendige Kaskadenhöhe, also die Stufenanzahl je nach Anwendung stark schwanken dürfte. Es sind nicht nur DC-Inselnetze in Großgebäuden und abgelegenen Siedlungen zu dimensionieren, sondern auch mobile DC-Netze, beispielsweise in Schiffen, Flugzeugen und Landfahrzeugen. Vorteilhaft kann eine Transformierung der Spannung für alle Netze der genannten Anwendungen durchgeführt werden, indem eine angepasste Zahl von Spannungsteilermodulen verwendet wird, ohne dass diese baulich geändert werden müssen.

  • - Bei jedem der Spannungsteilermodule kann der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern der Halbbrücke mit dem Potentialpunkt zwischen den Dioden verbunden sein und einen dritten Pol des jeweiligen Spannungsteilermoduls bilden. Weiterhin kann bei jedem der Spannungsteilermodule der dritte Pol mit dem ersten Anschluss eines Kondensators verbunden sein und dessen zweiter Anschluss einen vierten Pol des jeweiligen Spannungsteilermoduls bilden. Die Serienschaltung oder Stapelung der Spannungsteilermodule wird dann dadurch realisiert, dass der erste Pol eines Spannungsteilermoduls mit dem zweiten des folgenden Spannungsteilermoduls verbunden ist und ebenso der dritte Pol der Spannungsteilermoduls mit dem vierten Pol des folgenden Spannungsteilermoduls.
  • - Zwischen dem dritten und ersten Pol der Spannungsteilermodule kann ein Widerstand vorhanden sein.
  • - Die in den Spannungsteilermodulen verwendeten Dioden können Schottky-Dioden sein.
  • - Der erste und zweite Pol des Endmoduls sind bevorzugt die Ausgangsanschlüsse des Endmoduls, die mit der Transformatorschaltung verbunden sind. Da an diesen Ausgangsanschlüssen eine Gleichspannung anliegt, umfasst die Transformatorschaltung bevorzugt einen Wechselrichter, der eingangsseitig mit den Ausgangsanschlüssen des Endmoduls verbunden ist.
  • - Es ist in einer besonderen Ausgestaltung möglich, dass jedes der Spannungsteilermodule eine erste, zweite und dritte Wicklung umfasst, wobei die Anschlüsse der ersten Wicklung einen dritten und vierten Pol des jeweiligen Spannungsteilermoduls bilden, die Anschlüsse der dritten Wicklung einen fünften und sechsten Pol des jeweiligen Spannungsteilermoduls bilden, die Kondensatorschaltung zwei serielle Kondensatoren umfasst und ein erster Anschluss der zweiten Wicklung mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern der Halbbrücke verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten Wicklung mit dem Potentialpunkt zwischen den seriellen Kondensatoren verbunden ist. Die Wicklungszahlen der Wicklungen sind dabei so gewählt, dass eine Wechselspannung, die durch die Leistungshalbleiter der Halbbrücken der Spannungsteilermodule erzeugt wird, stufenweise herabtransformiert wird.
  • - Das Endmodul kann eine Kondensatorschaltung mit zwei seriellen Kondensatoren umfassen. Dann bildet der Potentialpunkt zwischen den Kondensatoren der Kondensatorschaltung den ersten Ausgangsanschluss des Endmoduls und der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern bildet den zweiten Ausgangsanschluss des Endmoduls. Da das Endmodul durch die Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Halbbrücke im Endmodul eine Wechselspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen erzeugt, kann der Wechselrichter in der Transformatorschaltung bei dieser Ausgestaltung entfallen.
  • - Die Spannungsteilermodule und das Endmodul können jeweils eine Ansteuerschaltung für die Leistungshalbleiter umfassen, die zur elektrischen Versorgung mit dem ersten und zweiten Pol des Moduls verbunden ist. Die elektrische Versorgung erfolgt also aus dem jeweiligen auf das Modul entfallenden Teil der Gleichspannung im Mittelspannungsbereich. Eine weitere, externe Versorgung und entsprechende Isolierung und Sicherstellung der Verfügbarkeit sind vorteilhaft nicht erforderlich. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Funktion der Ladungspumpen keine Regelung erfordert, sondern lediglich eine Ansteuerung der Leistungshalbleiter mit einer rechteckartigen Steuerspannung, mit der die beiden Leistungshalbleiter eines Moduls mit 180° Phasenversetzung angeschaltet werden. Es ist daher keine Verbindung mit einer übergeordneten Steuerung nötig, die wieder geeignete Isoliermaßnahmen erfordert.
  • - Die Ansteuerschaltung der Module kann einen selbstanlaufenden Oszillator umfassen, ausgestaltet, über einen Transformator und einen nachgeschalteten Gleichrichter eine Ansteuerspannung für die Steueranschlüsse der Leistungshalbleiter bereitzustellen. Der Oszillator kann beispielsweise als Gate-Schaltung aufgebaut sein. Vorteilhaft wird dadurch vermieden, dass für das Anlaufen, also den „black start“ des Gleichspannungswandlers eine besondere Ansteuerung nötig ist oder eigene Energie vorgehalten werden muss, beispielsweise in Form einer Batterie.
  • - Die Highside-Leistungshalbleiter der Spannungsteilermodule und des Endmoduls schalten bevorzugt gleichzeitig ein und aus. Ebenso schalten die Lowside-Leistungshalbleiter der Spannungsteilermodule und des Endmoduls bevorzugt gleichzeitig ein und aus. Dafür können die Gate-Treiber transformatorisch gekoppelt sein.
The current term MVDC encompasses a wide voltage range, since the new networks are only being planned or set up, so that the necessary cascade height, i.e. the number of stages, may vary greatly depending on the application. Not only are DC island networks to be dimensioned in large buildings and remote settlements, but also mobile DC networks, for example in ships, aircraft and land vehicles. The voltage can advantageously be transformed for all networks of the applications mentioned by using an adapted number of voltage divider modules without these having to be structurally changed.
  • - In each of the voltage divider modules, the potential point between the power semiconductors of the half bridge can be connected to the potential point between the diodes and form a third pole of the respective voltage divider module. Furthermore, the third pole of each of the voltage divider modules can be connected to the first connection of a capacitor and its second connection can form a fourth pole of the respective voltage divider module. The series connection or stacking of the voltage divider modules is then implemented in that the first pole of a voltage divider module is connected to the second of the following voltage divider module and likewise the third pole of the voltage divider module to the fourth pole of the following voltage divider module.
  • - A resistor can be present between the third and first pole of the voltage divider modules.
  • - The diodes used in the voltage divider modules can be Schottky diodes.
  • - The first and second pole of the end module are preferably the output connections of the end module, which are connected to the transformer circuit. Since a DC voltage is applied to these output connections, the transformer circuit preferably comprises an inverter which is connected on the input side to the output connections of the end module.
  • - It is possible in a special embodiment that each of the voltage divider modules comprises a first, second and third winding, the connections of the first winding forming a third and fourth pole of the respective voltage divider module, the connections of the third winding a fifth and sixth pole of the respective Voltage divider module form the capacitor circuit two in series Comprises capacitors and a first connection of the second winding is connected to the potential point between the power semiconductors of the half bridge and the second connection of the second winding is connected to the potential point between the series capacitors. The number of turns of the windings is selected so that an alternating voltage that is generated by the power semiconductors of the half-bridges of the voltage divider modules is stepped down.
  • - The end module can comprise a capacitor circuit with two capacitors in series. Then the potential point between the capacitors of the capacitor circuit forms the first output connection of the end module and the potential point between the power semiconductors forms the second output connection of the end module. Since the end module generates an alternating voltage between the output connections by controlling the power semiconductors of the half bridge in the end module, the inverter in the transformer circuit can be omitted in this embodiment.
  • The voltage divider modules and the end module can each include a control circuit for the power semiconductors, which is connected to the first and second pole of the module for the electrical supply. The electrical supply therefore comes from the respective part of the DC voltage in the medium voltage range that is allotted to the module. A further, external supply and corresponding insulation and ensuring availability are advantageously not required. It is particularly advantageous that the function of the charge pumps does not require any regulation, but only activation of the power semiconductors with a square-wave control voltage with which the two power semiconductors of a module are switched on with a 180 ° phase shift. There is therefore no need to connect to a higher-level control system that again requires suitable insulation measures.
  • The control circuit of the modules can comprise a self-starting oscillator configured to provide a control voltage for the control connections of the power semiconductors via a transformer and a downstream rectifier. The oscillator can for example be constructed as a gate circuit. This advantageously avoids the need for a special control or own energy, for example in the form of a battery, for the start-up, ie the “black start” of the DC voltage converter.
  • - The high-side power semiconductors of the voltage divider modules and the end module preferably switch on and off at the same time. Likewise, the lowside power semiconductors of the voltage divider modules and the end module preferably switch on and off at the same time. For this purpose, the gate drivers can be coupled in a transformer.

Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.Further advantages and features can be found in the following description of exemplary embodiments with reference to the figures. In the figures, the same reference symbols denote the same components and functions.

Es zeigen:

  • 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform für einen Gleichspannungswandler von Mittelspannung zu Niederspannung,
  • 2 ein elektrisches Schaltbild eines Ausschnitts der ersten Ausführungsform für den Gleichspannungswandler,
  • 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform für einen Gleichspannungswandler von Mittelspannung zu Niederspannung,
  • 4 ein elektrisches Schaltbild eines Ausschnitts der zweiten Ausführungsform für den Gleichspannungswandler,
  • 5 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform für einen Gleichspannungswandler von Mittelspannung zu Niederspannung,
  • 6 ein elektrisches Schaltbild für einen selbstanlaufenden Oszillator zur Versorgung von Leistungshalbleitern in den Gleichspannungswandlern,
  • 7 Spannungs- und Leistungsverläufe für die zweite Ausführungsform des Gleichspannungswandlers,
  • 8 simulierte Verläufe von Spannung, Leistung und Strom im Zuge des Anlaufens des Oszillators.
Show it:
  • 1 a block diagram of a first embodiment for a DC voltage converter from medium voltage to low voltage,
  • 2 an electrical circuit diagram of a section of the first embodiment for the DC voltage converter,
  • 3 a block diagram of a second embodiment for a DC voltage converter from medium voltage to low voltage,
  • 4th an electrical circuit diagram of a section of the second embodiment for the DC voltage converter,
  • 5 a circuit diagram of a third embodiment for a DC voltage converter from medium voltage to low voltage,
  • 6th an electrical circuit diagram for a self-starting oscillator for supplying power semiconductors in the DC voltage converters,
  • 7th Voltage and power curves for the second embodiment of the DC voltage converter,
  • 8th simulated curves of voltage, power and current in the course of starting the oscillator.

1 zeigt ein Blockschaltbild für eine erste Ausführungsform für einen Gleichspannungswandler 100 von einer Mittelspannung von etwa 10 kV zu einer Niederspannung von 25 V, wobei die Niederspannung zur Versorgung von elektronischen Geräten, die im Bereich einer Stromversorgung auf Mittelspannungsniveau betrieben werden. 1 shows a block diagram for a first embodiment for a DC voltage converter 100 from a medium voltage of around 10 kV to a low voltage of 25 V, with the low voltage being used to supply electronic devices that are operated in the area of a power supply at medium voltage level.

Die Mittelspannung von 10 kV liegt als Eingangsspannung am Gleichspannungswandler 100 an. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst einen ersten Abschnitt 102 und einen zweiten Abschnitt 104.The medium voltage of 10 kV is applied as input voltage to the DC voltage converter 100 at. The DC / DC converter 100 includes a first section 102 and a second section 104 .

Der erste Abschnitt 102 umfasst sieben Spannungsteilermodule 1061...1067 und ein Endmodul 108, die in Form einer Kaskade oder eines Stapels, also in Form einer Serienschaltung zwischen die Pole der Eingangsspannung geschaltet sind. Die Spannungsteilermodule 1061...1067 und das Endmodul 108 sind so aufgebaut, dass sie die anliegende Eingangsspannung möglichst gleichmäßig aufteilen. Dadurch ist die Spannung, die über das Endmodul 108 abfällt, in etwa gleich einem Achtel der Eingangsspannung, d.h. in diesem Beispiel 1,25 kV. Diese Spannung wird dem zweiten Abschnitt 104 des Gleichspannungswandlers 100 weitergegeben und wird dort weiter transformiert.The first paragraph 102 includes seven voltage divider modules 1061 ... 1067 and an end module 108 that are connected in the form of a cascade or a stack, i.e. in the form of a series circuit, between the poles of the input voltage. The voltage divider modules 1061 ... 1067 and the end module 108 are constructed in such a way that they divide the applied input voltage as evenly as possible. This is the voltage across the end module 108 drops, roughly equal to one eighth of the input voltage, ie 1.25 kV in this example. This tension becomes the second section 104 of the DC / DC converter 100 passed on and is further transformed there.

Ein Ausschnitt aus dem ersten Abschnitt 102 ist in 2 genauer als elektrisches Schaltbild gezeigt. Die Spannungsteilermodule 1061...1067 sind einander gleichend aufgebaut und umfassen jeweils eine Halbbrücke aus einem ersten und zweiten Leistungshalbleiter 10611...10671, 10612...10672, eine Serienschaltung zweier Schottky-Dioden 10613...10673, 10614...10674, einen Widerstand 10615...10675 und einen Spannungsteiler-Kondensator 10616...10676, die zueinander parallel geschaltet sind. Die beiden Verbindungspunkte dieser Parallelschaltung bilden einen ersten und zweiten Pol der Spannungsteilermodule 1061...1067 aus, über die die Spannungsteilermodule 1061...1067 zueinander in Serie geschaltet sind.An excerpt from the first section 102 is in 2 shown more precisely as electrical circuit diagram. The voltage divider modules 1061 ... 1067 are constructed identically to each other and each include a half bridge made of a first and a second power semiconductor 10611 ... 10671 , 10612 ... 10672 , a series connection of two Schottky diodes 10613 ... 10673 , 10614 ... 10674 , a resistor 10615 ... 10675 and a voltage divider capacitor 10616 ... 10676 that are connected in parallel to each other. The two connection points of this parallel connection form a first and a second pole of the voltage divider modules 1061 ... 1067 over which the voltage divider modules 1061 ... 1067 are connected in series with one another.

Der Mittelpunkt der Halbbrücke ist mit dem Mittelpunkt der Serienschaltung der Schottky-Dioden 10613...10673 verbunden und bildet einen dritten Pol aus. Über einen zweiten Widerstand 10617...10677 ist der dritte Pol mit dem jeweils unteren Pol der Spannungsteilermodule 1061...1067 verbunden. Weiterhin ist der dritte Pol mit einem zweiten Kondensator 10618...10678 verbunden, dessen zweiter Anschluss einen vierten Pol der Spannungsteilermodule 1061...1067 bildet. Die Spannungsteilermodule 1061...1067 sind über dritten und vierten Pol ebenfalls in Serie geschaltet. Erster und dritter Pol sind dabei mit der Seite höherer Spannung assoziiert.The midpoint of the half bridge is with the midpoint of the series connection of the Schottky diodes 10613 ... 10673 connected and forms a third pole. About a second resistance 10617 ... 10677 is the third pole with the respective lower pole of the voltage divider modules 1061 ... 1067 connected. Furthermore, the third pole is connected to a second capacitor 10618 ... 10678 connected, the second connection of which is a fourth pole of the voltage divider modules 1061 ... 1067 forms. The voltage divider modules 1061 ... 1067 are also connected in series via the third and fourth pole. The first and third pole are associated with the higher voltage side.

Das Endmodul 108 ist weitgehend wie die Spannungsteilermodule 1061...1067 aufgebaut, umfasst also parallel geschaltet eine Halbbrücke aus zwei Leistungshalbleitern 1081, 1082, einer Serie aus zwei Schottky-Dioden 1083, 1084, einem Widerstand 1085 und einem Spannungsteiler-Kondensator 1086. Das Endmodul 108 umfasst nicht den zweiten Widerstand und nicht den zweiten Kondensator der Spannungsteilermodule 1061...1067. Der erste und zweite Pol des Endmoduls 108 bilden die Ausgangsanschlüsse des ersten Abschnitts 102.The end module 108 is largely like the voltage divider modules 1061 ... 1067 constructed, so it comprises a half-bridge made of two power semiconductors connected in parallel 1081 , 1082 , a series of two Schottky diodes 1083 , 1084 , a resistance 1085 and a voltage divider capacitor 1086 . The end module 108 does not include the second resistor and not the second capacitor of the voltage divider modules 1061 ... 1067 . The first and second pole of the end module 108 form the output connections of the first section 102 .

Die Leistungshalbleiter 1081, 1082 werden in allen Spannungsteilermodulen 1061...1067 so angesteuert, dass sie mit einem Tastgrad von <= 50% abwechselnd anschalten, also zu keiner Zeit beide Schalter leitend sind.The power semiconductors 1081 , 1082 are in all voltage divider modules 1061 ... 1067 controlled in such a way that they switch on alternately with a duty cycle of <= 50%, i.e. both switches are never conductive.

Der zweite Abschnitt 104 umfasst eine Transformatorschaltung 110 und einen Tiefsetzsteller 112. Die Transformatorschaltung 110 umfasst eine Wechselrichterschaltung mit einer Vollbrücke aus vier Leistungshalbleitern, die die Gleichspannung von 1,25 kV in eine Wechselspannung wandeln. Dabei werden die Leistungshalbleiter der Vollbrücke in einfacher Weise angesteuert, so dass die sich ergebende Wechselspannung eine Rechteckform ohne Pulsweitenmodulation hat. Diese Wechselspannung wird in eine erste Wicklung eines Transformators gespeist, der die Spannung herabsetzt auf etwa 100 V an seiner zweiten Wicklung. Dort wird die Wechselspannung mit einem Brückengleichrichter in eine Gleichspannung von etwa 100 V gewandelt, die beim Tiefsetzsteller 112 eingangsseitig anliegt.The second section 104 includes a transformer circuit 110 and a buck converter 112 . The transformer circuit 110 comprises an inverter circuit with a full bridge made of four power semiconductors, which convert the direct voltage of 1.25 kV into an alternating voltage. The power semiconductors of the full bridge are controlled in a simple manner so that the resulting alternating voltage has a rectangular shape without pulse width modulation. This alternating voltage is fed into a first winding of a transformer, which reduces the voltage to about 100 V on its second winding. There the AC voltage is converted into a DC voltage of around 100 V with a bridge rectifier, which is the case with the buck converter 112 on the input side.

Im Tiefsetzsteller 112 wird die Gleichspannung herabgesetzt auf ein Spannungsniveau von beispielsweise 25 V. Die sich ergebende Spannung dient als Versorgungsspannung für eine nachfolgende Elektronik wie beispielsweise Kontroll-, Steuerungs- und Sicherheitsschaltungen für die Spannungsversorgung auf Mittelspannungsniveau.In the buck converter 112 the DC voltage is reduced to a voltage level of, for example, 25 V. The resulting voltage serves as a supply voltage for downstream electronics such as monitoring, control and safety circuits for the voltage supply at medium voltage level.

Die hohe Gleichspannung von 10 kV wird also über modulare Halbbrücken-Ladungspumpen auf 1,25kV abgebaut und dann über einen galvanisch isolierten Gleichspannungswandler auf etwa 100V verringert. Anschließend folgt ein nichtisolierter Tiefsetzsteller, der gut geregelt eine stabilisierte Spannung von +25V ausgibt.The high DC voltage of 10 kV is reduced to 1.25 kV via modular half-bridge charge pumps and then reduced to around 100V via a galvanically isolated DC voltage converter. This is followed by a non-isolated step-down converter which, well regulated, outputs a stabilized voltage of + 25V.

3 zeigt ein Blockschaltbild für eine zweite Ausführungsform für einen Gleichspannungswandler 200 von einer Mittelspannung von 7,5 kV zu einer Niederspannung von 25 V. Die Mittelspannung von 7,5 kV liegt als Eingangsspannung am Gleichspannungswandler 200 an. 3 shows a block diagram for a second embodiment for a DC voltage converter 200 from a medium voltage of 7.5 kV to a low voltage of 25 V. The medium voltage of 7.5 kV is the input voltage on the DC voltage converter 200 at.

Wie der Gleichspannungswandler 100 umfasst der Gleichspannungswandler 200 einen ersten Abschnitt 102 und einen zweiten Abschnitt 104.Like the DC / DC converter 100 includes the DC-DC converter 200 a first section 102 and a second section 104 .

Der erste Abschnitt 102 umfasst fünf Spannungsteilermodule 1061...1065 und ein Endmodul 208, die in Form einer Kaskade oder eines Stapels, also in Form einer Serienschaltung zwischen die Pole der Eingangsspannung geschaltet sind. Die Spannungsteilermodule 1061...1065 und das Endmodul 108 sind so aufgebaut, dass sie die anliegende Eingangsspannung möglichst gleichmäßig aufteilen. Dadurch ist die Spannung, die über das Endmodul 108 abfällt, in etwa gleich einem Sechstel der Eingangsspannung, d.h. in diesem Beispiel 1,25 kV. Diese Spannung wird dem zweiten Abschnitt 104 des Gleichspannungswandlers 200 weitergegeben und wird dort weiter transformiert.The first paragraph 102 includes five voltage divider modules 1061 ... 1065 and an end module 208 that are connected in the form of a cascade or a stack, i.e. in the form of a series circuit, between the poles of the input voltage. The voltage divider modules 1061 ... 1065 and the end module 108 are constructed in such a way that they divide the applied input voltage as evenly as possible. This is the voltage across the end module 108 drops, roughly equal to one sixth of the input voltage, ie 1.25 kV in this example. This tension becomes the second section 104 of DC-DC converter 200 passed on and is further transformed there.

Die Spannungsteilermodule 1061...1065 des Gleichspannungswandlers 200 entsprechen denjenigen des Gleichspannungswandlers 100 gemäß der 1 und 2. Der Aufbau des Endmoduls 208 unterscheidet sich aber von dem Endmodul 108 aus 2. Das Endmodul 208 ist in 4 genauer als elektrisches Schaltbild gezeigt.The voltage divider modules 1061 ... 1065 of the DC / DC converter 200 correspond to those of the DC / DC converter 100 according to the 1 and 2 . The structure of the end module 208 but differs from the end module 108 out 2 . The end module 208 is in 4th shown more precisely as electrical circuit diagram.

Das Endmodul 208 umfasst parallel geschaltet eine Halbbrücke aus zwei Leistungshalbleitern 1081, 1082, eine Serie aus zwei Schottky-Dioden 1083, 1084, einem Widerstand 1085 und eine Serie aus zwei Spannungsteiler-Kondensatoren 2081, 2082. Die beiden Verbindungspunkte dieser Parallelschaltung bilden einen ersten und zweiten Pol des Endmoduls 208 aus, wobei der obere, erste Pol mit dem zweiten Pol des nächstfolgenden Spannungsteilermoduls 1061...1065 verbunden ist.The end module 208 comprises a half-bridge of two power semiconductors connected in parallel 1081 , 1082 , a series of two Schottky diodes 1083 , 1084 , a resistance 1085 and a series of two voltage divider capacitors 2081 , 2082 . The two connection points of this parallel connection form a first and a second pole of the end module 208 off, the top, first pole with the second pole of the next following voltage divider module 1061 ... 1065 connected is.

Der Mittelpunkt der Halbbrücke ist mit dem Mittelpunkt der Serienschaltung der Schottky-Dioden 1083, 1084 verbunden und bildet einen dritten Pol aus, der mit dem vierten Pol des nächstfolgenden Spannungsteilermoduls 1061...1065 verbunden ist.The midpoint of the half bridge is with the midpoint of the series connection of the Schottky diodes 1083 , 1084 connected and forms a third pole, which is connected to the fourth pole of the next following voltage divider module 1061 ... 1065 connected is.

Zwischen den dritten Pol und den Mittelpunkt zwischen den beiden Spannungsteiler-Kondensatoren 2081, 2082 ist eine erste Wicklung eines galvanisch isolierenden und herabtransformierenden Transformators 2083 geschaltet. Dessen zweite Wicklung stellt die Ausgangsanschlüsse des Endmoduls 208 zur Verfügung, über die die Verbindung zum zweiten Abschnitt 104 erfolgt. Das Wicklungsverhältnis der Wicklungen des Transformators 2083 ist so gewählt, dass die anliegende rechteckförmige Wechselspannung von etwa 600 Vspitze auf etwa 100 Vspitze herabgesetzt wird.Between the third pole and the midpoint between the two voltage divider capacitors 2081 , 2082 is a first winding of a galvanically isolating and stepping-down transformer 2083 switched. Its second winding provides the output connections of the end module 208 available through which the connection to the second section 104 he follows. The turns ratio of the turns of the transformer 2083 is selected in such a way that the applied square-wave alternating voltage is reduced from approx. 600 V peak to approx. 100 V peak .

Das Endmodul 208 arbeitet hier also als Wechselrichter, der den Transformator 2083 mit einer rechteckförmigen Wechselspannung versorgt.The end module 208 So works here as an inverter that controls the transformer 2083 supplied with a square-wave alternating voltage.

4 zeigt ferner, dass die Ausgangsanschlüsse des Endmoduls 208 als Eingang eines Diodenbrücken-Gleichrichters 210 verschaltet sind, der vier Schottky-Dioden 2101...2104 sowie einen Glättungskondensator 2105 umfasst. Die ankommende Wechselspannung von 100 V wird hier zu einer Gleichspannung von etwa 100 V gewandelt. Die Ausgangsanschlüsse des Diodenbrücken-Gleichrichters 210 sind mit einem Tiefsetzsteller 112 verbunden, der demjenigen des Gleichspannungswandlers 100 entspricht. 4th also shows that the output connections of the end module 208 as the input of a diode bridge rectifier 210 are connected, the four Schottky diodes 2101 ... 2104 as well as a smoothing capacitor 2105 includes. The incoming AC voltage of 100 V is converted to a DC voltage of around 100 V here. The output terminals of the diode bridge rectifier 210 are with a buck converter 112 connected to that of the DC / DC converter 100 corresponds.

Im Tiefsetzsteller 112 wird die Gleichspannung herabgesetzt auf ein Spannungsniveau von beispielsweise 25 V. Die sich ergebende Spannung dient als Versorgungsspannung für eine nachfolgende Elektronik wie beispielsweise Kontroll-, Steuerungs- und Sicherheitsschaltungen für die Spannungsversorgung auf Mittelspannungsniveau.In the buck converter 112 the DC voltage is reduced to a voltage level of, for example, 25 V. The resulting voltage serves as a supply voltage for downstream electronics such as monitoring, control and safety circuits for the voltage supply at medium voltage level.

Wie beim Gleichspannungswandler 100 wird also die Gleichspannung von 7,5 kV über modulare Halbbrücken-Ladungspumpen auf 1,25kV abgebaut und schon im Endmodul über den Transformator 2083 mit galvanischer Trennung auf etwa 100 V~ verringert. Nach der Gleichrichtung folgt ein nichtisolierter Tiefsetzsteller 112, der gut geregelt eine stabilisierte Spannung von +25V ausgibt.As with the DC / DC converter 100 the DC voltage of 7.5 kV is reduced to 1.25 kV via modular half-bridge charge pumps and already in the end module via the transformer 2083 with galvanic isolation reduced to about 100 V ~. The rectification is followed by a non-isolated buck converter 112 , which outputs a stabilized voltage of + 25V in a well-regulated manner.

Aus den beiden ersten Ausführungsbeispielen ist ersichtlich, dass der Aufbau des Gleichspannungswandlers 100, 200 derart modular ist, dass andere Eingangsspannungen mit einfachen Änderungen des Aufbaus transformiert werden können. Zur Anpassung an die Eingangsspannung muss lediglich die Anzahl der verwendeten Spannungsteilermodule 1061...1067 so angepasst werden, dass die Spannung am Ausgang des Endmoduls 108, 208 wieder in etwa 1,25 kV im Falle des Endmoduls 108 und 100 V~ im Fallen des Endmoduls 208 entspricht. Dabei sind diese Spannungen auch nur beispielhaft und die Schaltung ist auch mit anderen Zwischenspannungs-Niveaus realisierbar.It can be seen from the first two exemplary embodiments that the structure of the DC voltage converter 100 , 200 is modular in such a way that other input voltages can be transformed with simple changes to the structure. To adapt to the input voltage, only the number of voltage divider modules used has to be determined 1061 ... 1067 adjusted so that the voltage at the output of the end module 108 , 208 again around 1.25 kV in the case of the end module 108 and 100 V ~ in the case of the end module 208 corresponds. These voltages are only exemplary and the circuit can also be implemented with other intermediate voltage levels.

Soll also eine Mittelspannung von 25 kV als Eingangsspannung verwendet werden und beispielsweise auf eine Spannung von 10 V herabgesetzt werden, dann kann als Zwischenspannung am Ausgang des Endmoduls 108 eine Spannung von 500 V verwendet werden. Dafür sind 49 Spannungsteilermodule 1061...1067 erforderlich zusätzlich zum Endmodul 108, wodurch die Spannung am Ausgang des Endmoduls 108 auf 1/50 der Eingangsspannung herabgesetzt wird. Der galvanisch isolierte Gleichspannungswandler 110 setzt diese Spannung auf ca. 40 V herab und der Tiefsetzsteller 112 auf die gewünschten 10 V. Der Aufbau des Endmoduls 108 oder des einzelnen Spannungsteilermoduls 1061...1067 muss dafür nicht verändert werden. Auch der Gleichspannungswandler 110 und der Tiefsetzsteller 112 bleiben unverändert. Es wird vorteilhaft nur die Anzahl der Spannungsteilermodule 1061...1067 verändert.If a medium voltage of 25 kV is to be used as the input voltage and reduced to a voltage of 10 V, for example, then the intermediate voltage at the output of the end module 108 a voltage of 500 V can be used. There are 49 voltage divider modules for this 1061 ... 1067 required in addition to the end module 108 , reducing the voltage at the output of the end module 108 is reduced to 1/50 of the input voltage. The galvanically isolated DC voltage converter 110 reduces this voltage to approx. 40 V and the buck converter 112 to the desired 10 V. The structure of the end module 108 or the individual voltage divider module 1061 ... 1067 does not have to be changed for this. Also the DC converter 110 and the buck converter 112 stay unchanged. Only the number of voltage divider modules is advantageous 1061 ... 1067 changed.

5 zeigt eine dritte Ausführungsform für einen Gleichspannungswandler 300 von einer Mittelspannung von 7,5 kV zu einer Niederspannung von 25 V. Wie der Gleichspannungswandler 200 umfasst der Gleichspannungswandler 300 einen ersten Abschnitt 102 und einen zweiten Abschnitt 104, wobei ebenso wie beim Gleichspannungswandler 200 der zweite Abschnitt 104 einen Diodenbrücken-Gleichrichter und einen nachgeschalteten Tiefsetzsteller umfasst. 5 shows a third embodiment for a DC-DC converter 300 from a medium voltage of 7.5 kV to a low voltage of 25 V. Like the DC voltage converter 200 includes the DC-DC converter 300 a first section 102 and a second section 104 , with the same as with the DC-DC converter 200 the second section 104 comprises a diode bridge rectifier and a downstream buck converter.

Der erste Abschnitt 102 umfasst fünf Spannungsteilermodule 3061...3065 und ein Endmodul 308, die kaskadiert zwischen die Pole der Eingangsspannung geschaltet sind. Die Spannungsteilermodule 3061...3065 und das Endmodul 308 sind so aufgebaut, dass sie die anliegende Eingangsspannung möglichst gleichmäßig aufteilen. Dadurch ist die Spannung, die über das Endmodul 308 abfällt, wieder in etwa gleich einem Sechstel der Eingangsspannung, d.h. in diesem Beispiel 1,25 kV. Diese Spannung wird dem zweiten Abschnitt 104 des Gleichspannungswandlers 300 weitergegeben und wird dort weiter transformiert.The first paragraph 102 includes five voltage divider modules 3061 ... 3065 and an end module 308 that are cascaded between the poles of the input voltage. The voltage divider modules 3061 ... 3065 and the end module 308 are constructed in such a way that they divide the applied input voltage as evenly as possible. This is the voltage across the end module 308 drops, again roughly equal to one sixth of the input voltage, ie 1.25 kV in this example. This tension becomes the second section 104 of the DC / DC converter 300 passed on and is further transformed there.

Die Spannungsteilermodule 3061...3065 des Gleichspannungswandlers 300 umfassen parallel geschaltet eine Halbbrücke 30611 aus zwei Leistungshalbleitern, eine Serie 30612 aus zwei Schottky-Dioden, eine Serie 30613 aus zwei Widerständen und eine Serie 30614 aus zwei Spannungsteiler-Kondensatoren. Die beiden Verbindungspunkte dieser Parallelschaltung bilden einen ersten und zweiten Pol aus, über die die Spannungsteilermodule 3061...3065 in Serie geschaltet sind.The voltage divider modules 3061 ... 3065 of the DC / DC converter 300 comprise a half bridge connected in parallel 30611 from two power semiconductors, one series 30612 from two Schottky diodes, one series 30613 from two resistors and a series 30614 from two voltage divider capacitors. The two connection points of this parallel connection form a first and a second pole, via which the voltage divider modules 3061 ... 3065 are connected in series.

Zwischen die verbundenen Mittelpunkte der Halbbrücke 30611 und der Serie 30612 aus zwei Schottky-Dioden sowie die verbundenen Mittelpunkte der Serie 30613 aus zwei Widerständen und der Serie 30614 aus zwei Spannungsteiler-Kondensatoren ist eine Wicklung 3061A geschaltet. An diese sind zwei weitere Wicklungen 3061B, C gekoppelt, wobei die Wicklungen 3061A, B, C zusammen einen heruntertransformierenden Trenntransformator mit zwei Kopplungswicklungen bilden. Dabei bilden die Anschlüsse der zweiten Wicklung 3061B einen dritten und vierten Pol des Spannungsteilermoduls 3061...3065 und die Anschlüsse der dritten Wicklung 3061C einen fünften und sechsten Pol des Spannungsteilermoduls 3061...3065. Für die Parallelschaltung der Spannungsteilermodule 3061...3065 sind der jeweilige dritte und fünfte Pol sowie der vierte und sechste Pol zweier benachbarter Spannungsteilermodule 3061...3065 verbunden.Between the connected centers of the half bridge 30611 and the series 30612 of two Schottky diodes and the connected centers of the series 30613 from two resistors and the series 30614 A winding 3061A is connected from two voltage divider capacitors. Two further windings 3061B, C are coupled to these, the windings 3061A, B, C together forming a step-down isolating transformer with two coupling windings. The connections of the second winding 3061B form a third and fourth pole of the voltage divider module 3061 ... 3065 and the connections of the third winding 3061C a fifth and sixth pole of the voltage divider module 3061 ... 3065 . For the parallel connection of the voltage divider modules 3061 ... 3065 are the respective third and fifth pole as well as the fourth and sixth pole of two adjacent voltage divider modules 3061 ... 3065 connected.

Der Aufbau des Endmoduls 308 entspricht in diesem Fall dem Aufbau der Spannungsteilermodule 3061...3065. Die Anschlüsse der dritten Wicklung 3061C bilden dabei die Ausgangsanschlüsse für den ersten Abschnitt 102. Da eine galvanische Trennung bereits im Endmodul 308 vorliegt, reicht im zweiten Abschnitt ein Diodenbrücken-Gleichrichter 210 aus.The structure of the end module 308 in this case corresponds to the structure of the voltage divider modules 3061 ... 3065 . The connections of the third winding 3061C form the output connections for the first section 102 . There is a galvanic separation already in the end module 308 is present, a diode bridge rectifier is sufficient in the second section 210 out.

Die Spannungsteilermodule 3061...3065 arbeiten hier also alle als Wechselrichter, so dass die erzeugte Wechselspannung pro Stufe von etwa 600 Vspitze (rechteckförmig) über jeweils einen galvanisch isolierenden, herabtransformierenden Trenntransformator mit etwa 100 Vspitze an den jeweils benachbarten Trenntrafo gelegt werden kann. Alle Transformatoren sind also miteinander gekoppelt, die Leistung der in der Kaskade höher liegenden Halbbrückenstufen wird nach unten zum Ausgang hin übertragen.The voltage divider modules 3061 ... 3065 So here they all work as inverters, so that the alternating voltage generated per step of about 600 V peak (rectangular) can be applied to the respective neighboring isolating transformer via a galvanically isolating, step-down isolating transformer with about 100 V peak . All transformers are therefore coupled to one another, the power of the higher half-bridge stages in the cascade is transferred down to the output.

6 zeigt ein Schaltbild für einen selbstanlaufenden harmonischen Oszillator 60 in Gateschaltung mit einem 1700V-SiC-FET-Hochvolt-Schalttransistor 61. Durch rigide ohmsche Strombegrenzung mit dem Widerstand 62 (170kOhm) kann der Strom im Höchstfall nur 7,4mA erreichen. In der dargestellten Dimensionierung liegt die Schwingfrequenz bei 550kHz, der HV-Betriebsstrom beträgt 3,8mA, die eingeschwungene Sinusschwingamplitude der Drainspannung des linear betriebenen Schalttransistors 61 liegt recht genau, berührend, zwischen - 0 V (GND) und +1250 V, dies wird durch die Begrenzerdioden 63...65 erzwungen. Die beiden erzeugten Hilfsspannungen UoutH und UoutL betragen 18,7V, die Leistung beläuft sich auf jeweils 850mW. Der Wirkungsgrad dieses Oszillators 60 beträgt in einem breiten Auslegungsbereich 35%. Die Höhe der erzeugten Gleichleistung ist abhängig vom Widerstand 62; sie kann, andere Trafowicklungen vorausgesetzt, auf ein, zwei oder mehrere Ausgänge mit beliebigen Spannungen verteilt werden. Der verbindende Ferrit-Magnetkern 70 aller 4 Wicklungen 66...69 ist als gestichelte Linie dargestellt. 6th shows a circuit diagram for a self-starting harmonic oscillator 60 in gate circuit with a 1700V SiC FET high-voltage switching transistor 61. Through rigid ohmic current limitation with the resistor 62 (170kOhm) the current can reach a maximum of only 7.4mA. In the dimensioning shown, the oscillation frequency is 550 kHz, the HV operating current is 3.8 mA, and the steady sine oscillation amplitude of the drain voltage of the linearly operated switching transistor 61 lies quite precisely, touching, between - 0 V (GND) and +1250 V, this is determined by the limiter diodes 63 ... 65 forced. The two generated auxiliary voltages U outH and U outL are 18.7V, the power is 850mW each. The efficiency of this oscillator 60 is 35% over a wide design range. The level of the generated direct power depends on the resistance 62 ; it can, assuming other transformer windings, be distributed to one, two or more outputs with any voltage. The connecting ferrite magnetic core 70 of all 4 windings 66 ... 69 is shown as a dashed line.

Der Oszillator 60 ist in jedem der Spannungsteilermodule 1061...1067, 3061...3065 und in jedem der Endmodule 108, 208, 308 vorhanden. Durch ihre geringen Stromaufnahmen von einigen mA, mit ausgleichender ohmscher Charakterisik, tragen diese Oszillatoren 60 zur Spannungssymmetrierung der in Reihe liegenden Spannungsteiler-Kondensatoren der Spannungsteilermodule 1061...1067, 3061...3065 bei. Da sie über einen im leistungsgenerierenden Schwingkreis liegenden Transformator verfügen, können zwei oder mehr Grundversorgungsspannungen, galvanisch getrennt, erzeugt werden. Da die Schwingungsspannungsamplitude nicht über den Spannungsbereich einer Kaskadenstufe überschwingen kann, bleiben alle Isolations-Anforderungen im Rahmen dieser Teilspannung, also bei den hier gegebenen Beispiel 1,25 kV.The oscillator 60 is in each of the voltage divider modules 1061 ... 1067 , 3061 ... 3065 and in each of the end modules 108 , 208 , 308 available. Due to their low current consumption of a few mA, with compensating ohmic characteristics, these oscillators carry 60 for voltage balancing of the series voltage divider capacitors of the voltage divider modules 1061 ... 1067 , 3061 ... 3065 at. Since they have a transformer in the power-generating oscillating circuit, two or more basic supply voltages, electrically isolated, can be generated. Since the oscillation voltage amplitude cannot exceed the voltage range of a cascade stage, all insulation requirements remain within the scope of this partial voltage, i.e. 1.25 kV in the example given here.

7 zeigt einen simulierten Verlauf von Spannungen und Leistungen im ersten Abschnitt des Gleichspannungswandler 200 gemäß 3 und 4. Die Eingangsspannung beträgt 7,5 kV. Die Spannungsverläufe 71...76 sind die Phasenspannungen der Spannungsteilermodule 1061...1065 und des Endmoduls 208, also die Spannungen an der Verbindung des Drainanschlusses des unteren Leistungshalbleiters und des Source-Anschlusses des oberen Leistungshalbleiters.
Die Spannung 77 ist die Ausgangsspannung des ersten Abschnitts 102, um den Faktor 10 überhöht dargestellt. Die Ausgangsspannung ist bis etwa 0,7 ms 101 V und danach durch einen simulierten Lastwechsel von 100 Ohm auf 600 Ohm 131 V. Der Spannungsverlauf 79 ist die Spannung am kapazitiven Spannungsteiler des Endmoduls 208. Leistungsverlauf 78 ist die Ausgangsleistung.
7th shows a simulated curve of voltages and powers in the first section of the DC / DC converter 200 according to 3 and 4th . The input voltage is 7.5 kV. The voltage curves 71 ... 76 are the phase voltages of the voltage divider modules 1061 ... 1065 and the end module 208 , i.e. the voltages at the connection of the drain connection of the lower power semiconductor and the source connection of the upper power semiconductor.
Voltage 77 is the output voltage of the first section 102 , shown exaggerated by a factor of 10. The output voltage is 101 V up to about 0.7 ms and then 131 V due to a simulated load change from 100 ohms to 600 ohms 79 is the voltage at the capacitive voltage divider of the end module 208 . Performance history 78 is the output power.

8 zeigt eine Simulation des Anlaufens der Hochspannung 81 bei 0,3 ms und das folgende Aufschwingen der Spannung 80 des selbstanlaufenden, harmonischen Oszillators 60 ab etwa 1,5 ms mit SiC-FET-Hochvolt-Schalttransistor. Die Schwingungsamplitude füllt den Raum der Betriebsspannung von 0 V bis 1250 V aus, die mittlere Gleichspannung regelt sich auf 625 V ein. Der versorgende HV-Gleichstrom beträgt 3,74mA, die Ausgangsgleichleistung (galvanisch isoliert) 1,7W. Der Oszillator hat dabei zwei separate Ausgänge für eine Halbbrücke, der erste für das Hochpotential, der zweite für das Normalpotential. Die Schwingung der Spannung 80 ist in 8 zur besseren Sichtbarkeit mit einer wesentlich niedrigeren Frequenz (~ 5 kHz) dargestellt, als sie der Oszillator 60 wirklich erzeugen würde (550 kHz). 8th shows a simulation of the start-up of the high voltage 81 at 0.3 ms and the subsequent surge of the voltage 80 of the self-starting harmonic oscillator 60 from about 1.5 ms with SiC-FET high-voltage switching transistor. The oscillation amplitude fills the space of the operating voltage from 0 V to 1250 V, the average DC voltage regulates itself to 625 V. The supplying HV direct current is 3.74mA, the output direct power (galvanically isolated) 1.7W. The oscillator has two separate outputs for a half bridge, the first for the high potential, the second for the normal potential. The oscillation of voltage 80 is in 8th for better visibility shown with a much lower frequency (~ 5 kHz) than the oscillator 60 would really produce (550 kHz).

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100, 200, 300100, 200, 300
GleichspannungswandlerDC-DC converter
102102
erster Abschnittfirst section
104104
zweiter Abschnittsecond part
1061...10671061 ... 1067
SpannungsteilermoduleVoltage divider modules
108, 208, 308108, 208, 308
EndmodulEnd module
110110
TransformatorschaltungTransformer circuit
112112
TiefsetzstellerBuck converter
6060
Oszillatoroscillator
10631...1067110631 ... 10671
LeistungshalbleiterPower semiconductors
10632...1067210632 ... 10672
LeistungshalbleiterPower semiconductors
10633...1067310633 ... 10673
Schottky-DiodeSchottky diode
10634...1067410634 ... 10674
Schottky-DiodeSchottky diode
10635...1067510635 ... 10675
Widerstandresistance
10636...1067610636 ... 10676
Spannungsteiler-KondensatorVoltage divider capacitor
10637...1067710637 ... 10677
Widerstandresistance
210210
BrückengleichrichterBridge rectifier
1081, 10821081, 1082
LeistungshalbleiterPower semiconductors
1083, 10841083, 1084
Schottky-DiodenSchottky diodes
10851085
Widerstandresistance
10861086
Spannungsteiler-KondensatorVoltage divider capacitor
20832083
Transformatortransformer
2081, 20822081, 2082
Spannungsteiler-KondensatorVoltage divider capacitor
2101...21032101 ... 2103
DiodenDiodes
6262
Widerstandresistance
6161
Hochvolt-SchalttransistorHigh-voltage switching transistor
63...6563 ... 65
DiodenDiodes
66...6966 ... 69
WicklungenWindings
7070
Ferrit-KernFerrite core
3061130611
HalbbrückeHalf bridge
3061230612
Serie aus DiodenSeries of diodes
3061330613
Serie aus WiderständenSeries of resistances
3061430614
Serie aus KondensatorenSeries of capacitors
3061A...C, 308C3061A ... C, 308C
WicklungenWindings
3061...30653061 ... 3065
SpannungsteilermoduleVoltage divider modules
71...77, 7971 ... 77, 79
SpannungsverläufeVoltage curves
7878
LeistungsverlaufPerformance history

Claims (14)

Gleichspannungswandler (100, 200, 300) zur Wandlung einer Gleichspannung im Mittelspannungsbereich in eine Gleichspannung im Niederspannungsbereich, umfassend - eine Serienschaltung aus einer Mehrzahl von ersten Spannungsteilermodulen (1061...1067, 3061, 3065), - ein Endmodul (108, 208, 308), das in Serie zu den Spannungsteilermodulen (1061...1067, 3061, 3065) geschaltet ist, wobei die Serie aus Spannungsteilermodulen (1061...1067, 3061, 3065) und Endmodul (108, 208, 308) zwischen die Pole der Gleichspannung im Mittelspannungsbereich geschaltet ist, - einen Transformator (2083), - einen dem Transformator nachfolgenden Gleichrichter (210), - einen Tiefsetzsteller (112), der eingangsseitig mit den Ausgangskontakten des Gleichrichters (210) verbunden ist, wobei die Spannungsteilermodule (1061...1067, 3061, 3065) und das Endmodul (108, 208, 308) derart ausgestaltet sind, dass eine am Endmodul (108, 208, 308) anliegende verringerte Gleichspannung höchstens halb so groß ist wie die Gleichspannung im Mittelspannungsbereich.DC voltage converter (100, 200, 300) for converting a DC voltage in the medium voltage range into a DC voltage in the low voltage range, comprising - a series circuit comprising a plurality of first voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065), - an end module (108, 208, 308) which is connected in series to the voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065), the series of voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065) and end module ( 108, 208, 308) is connected between the poles of the DC voltage in the medium voltage range, - a transformer (2083), - A rectifier (210) following the transformer, - A buck converter (112) which is connected on the input side to the output contacts of the rectifier (210), wherein the voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065) and the end module (108, 208, 308) are designed such that a the reduced DC voltage applied to the end module (108, 208, 308) is at most half as great as the DC voltage in the medium-voltage range. Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach Anspruch 1, bei dem die Spannungsteilermodule (1061...1067, 3061, 3065) gleichartig aufgebaut sind.DC voltage converters (100, 200, 300) according to Claim 1 , in which the voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065) are constructed in the same way. Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Spannungsteilermodule (1061...1067, 3061, 3065) und das Endmodul (108, 208, 308) jeweils umfassen: - eine Halbbrücke (30611) mit zwei steuerbaren Leistungshalbleitern(10631...10671, 10632...10672), wobei die Außenanschlüsse der Halbbrücke (30611) einen ersten und zweiten Pol des Spannungsteilermoduls (1061...1067, 3061, 3065) bilden, - eine Serienschaltung (30612) zweier Dioden (10633...10673, 10634...10674), die zwischen ersten und zweiten Pol geschaltet ist, - eine zwischen den ersten und zweiten Pol geschaltete Widerstandsschaltung mit einem Widerstand (10635...10675) oder zwei seriellen Widerständen, - eine zwischen den ersten und zweiten Pol geschaltete Kondensatorschaltung mit einem Kondensator (10636...10676) oder zwei seriellen Kondensatoren.DC voltage converters (100, 200, 300) according to Claim 1 or 2 where the Voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065) and the end module (108, 208, 308) each include: - a half bridge (30611) with two controllable power semiconductors (10631 ... 10671, 10632 ... 10672), where the external connections of the half bridge (30611) form a first and second pole of the voltage divider module (1061 ... 1067, 3061, 3065), - a series circuit (30612) of two diodes (10633 ... 10673, 10634 ... 10674), the is connected between the first and second pole, - a resistor circuit connected between the first and second pole with a resistor (10635 ... 10675) or two series resistors, - a capacitor circuit connected between the first and second pole with a capacitor (10636 .. .10676) or two serial capacitors. Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Gleichrichter (210) ein Dioden-Brückengleichrichter (210) oder ein Synchron-Gleichrichter ist.DC voltage converter (100, 200, 300) according to one of the preceding claims, in which the rectifier (210) is a diode bridge rectifier (210) or a synchronous rectifier. Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die verringerte Gleichspannung kleiner ist als die Gleichspannung im Mittelspannungsbereich geteilt durch die Anzahl der Spannungsteilermodule (1061...1067, 3061, 3065).DC voltage converter (100, 200, 300) according to one of the preceding claims, in which the reduced DC voltage is smaller than the DC voltage in the medium voltage range divided by the number of voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065). Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die verringerte Gleichspannung höchstens 3 kV beträgt, insbesondere höchstens 1,5 kV.DC voltage converter (100, 200, 300) according to one of the preceding claims, in which the reduced DC voltage is at most 3 kV, in particular at most 1.5 kV. Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei jedem der Spannungsteilermodule (1061...1067, 3061, 3065) der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern (10611...10671, 10612...10672) der Halbbrücke (30611) mit dem Potentialpunkt zwischen den Dioden verbunden ist und einen dritten Pol des jeweiligen Spannungsteilermoduls (1061...1067, 3061, 3065) bildet.DC voltage converter (100, 200, 300) according to one of the preceding claims, in which in each of the voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065) the potential point between the power semiconductors (10611 ... 10671, 10612 ... 10672) of the Half bridge (30611) is connected to the potential point between the diodes and forms a third pole of the respective voltage divider module (1061 ... 1067, 3061, 3065). Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach Anspruch 7, bei dem bei jedem der Spannungsteilermodule (1061...1067, 3061, 3065) der dritte Pol mit dem ersten Anschluss eines weiteren Kondensators verbunden ist und dessen zweiter Anschluss einen vierten Pol des jeweiligen Spannungsteilermoduls (1061...1067, 3061, 3065) bildet.DC voltage converters (100, 200, 300) according to Claim 7 , in which the third pole of each of the voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065) is connected to the first connection of a further capacitor and the second connection of which is connected to a fourth pole of the respective voltage divider module (1061 ... 1067, 3061, 3065 ) forms. Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste und zweite Pol die Ausgangsanschlüsse des Endmoduls (108, 208, 308) bilden.DC / DC converter (100, 200, 300) according to one of the preceding claims, in which the first and second pole form the output connections of the end module (108, 208, 308). Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem jedes der Spannungsteilermodule (1061...1067, 3061, 3065) eine erste, zweite und dritte Wicklung umfasst, wobei - die Anschlüsse der ersten Wicklung einen dritten und vierten Pol des jeweiligen Spannungsteilermoduls (1061...1067, 3061, 3065) bilden, - die Anschlüsse der dritten Wicklung einen fünften und sechsten Pol des jeweiligen Spannungsteilermoduls (1061...1067, 3061, 3065) bilden, - die Kondensatorschaltung zwei serielle Kondensatoren umfasst, - ein erster Anschluss der zweiten Wicklung mit dem Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern der Halbbrücke (30611) verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten Wicklung mit dem Potentialpunkt zwischen den seriellen Kondensatoren verbunden ist.DC voltage converter (100, 200, 300) according to one of the Claims 1 to 6th , in which each of the voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065) comprises a first, second and third winding, wherein - the connections of the first winding have a third and fourth pole of the respective voltage divider module (1061 ... 1067, 3061, 3065), - the connections of the third winding form a fifth and sixth pole of the respective voltage divider module (1061 ... 1067, 3061, 3065), - the capacitor circuit comprises two series capacitors, - a first connection of the second winding with the potential point between the power semiconductors of the half bridge (30611) is connected and the second connection of the second winding is connected to the potential point between the series capacitors. Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei das Endmodul (108, 208, 308) eine Kondensatorschaltung mit zwei seriellen Kondensatoren (2081, 2082) umfasst, der Potentialpunkt zwischen den Kondensatoren (2081, 2082) der Kondensatorschaltung einen ersten Ausgangsanschluss des Endmoduls (108, 208, 308) bildet und der Potentialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern einen zweiten Ausgangsanschluss des Endmoduls (108, 208, 308) bildet.DC voltage converter (100, 200, 300) according to one of the preceding claims, in which the end module (108, 208, 308) comprises a capacitor circuit with two series capacitors (2081, 2082), the potential point between the capacitors (2081, 2082) of the Capacitor circuit forms a first output connection of the end module (108, 208, 308) and the potential point between the power semiconductors forms a second output connection of the end module (108, 208, 308). Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsteilermodule (1061...1067, 3061, 3065) und das Endmodul (108, 208, 308) jeweils eine Ansteuerschaltung für die Leistungshalbleiter umfassen, die zur elektrischen Versorgung mit dem ersten und zweiten Pol des Spannungsteilermoduls (1061...1067, 3061, 3065) verbunden ist.DC / DC converter (100, 200, 300) according to one of the preceding claims, in which the voltage divider modules (1061 ... 1067, 3061, 3065) and the end module (108, 208, 308) each comprise a control circuit for the power semiconductors which are used for electrical Supply is connected to the first and second pole of the voltage divider module (1061 ... 1067, 3061, 3065). Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach Anspruch 12, bei dem die Ansteuerschaltung einen selbstanlaufenden Oszillator (60) umfasst, ausgestaltet, über einen Transformator und einen nachgeschalteten Gleichrichter eine Ansteuerspannung für die Steueranschlüsse der Leistungshalbleiter bereitzustellen.DC voltage converters (100, 200, 300) according to Claim 12 , in which the control circuit comprises a self-starting oscillator (60), designed to provide a control voltage for the control terminals of the power semiconductors via a transformer and a downstream rectifier. Gleichspannungswandler (100, 200, 300) nach Anspruch 11, bei dem der Oszillator (60) als Gate-Schaltung aufgebaut ist.DC voltage converters (100, 200, 300) according to Claim 11 , in which the oscillator (60) is constructed as a gate circuit.
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