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
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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.
- 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.
- - 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.
-
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.
Die Mittelspannung von 10 kV liegt als Eingangsspannung am Gleichspannungswandler
Der erste Abschnitt
Ein Ausschnitt aus dem ersten Abschnitt
Der Mittelpunkt der Halbbrücke ist mit dem Mittelpunkt der Serienschaltung der Schottky-Dioden
Das Endmodul
Die Leistungshalbleiter
Der zweite Abschnitt
Im Tiefsetzsteller
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.
Wie der Gleichspannungswandler
Der erste Abschnitt
Die Spannungsteilermodule
Das Endmodul
Der Mittelpunkt der Halbbrücke ist mit dem Mittelpunkt der Serienschaltung der Schottky-Dioden
Zwischen den dritten Pol und den Mittelpunkt zwischen den beiden Spannungsteiler-Kondensatoren
Das Endmodul
Im Tiefsetzsteller
Wie beim Gleichspannungswandler
Aus den beiden ersten Ausführungsbeispielen ist ersichtlich, dass der Aufbau des Gleichspannungswandlers
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
Der erste Abschnitt
Die Spannungsteilermodule
Zwischen die verbundenen Mittelpunkte der Halbbrücke
Der Aufbau des Endmoduls
Die Spannungsteilermodule
Der Oszillator
Die Spannung 77 ist die Ausgangsspannung des ersten Abschnitts
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019208207.6A DE102019208207A1 (en) | 2019-06-05 | 2019-06-05 | DC / DC converter for converting a direct voltage in the medium voltage range into a direct voltage in the low voltage range |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019208207.6A DE102019208207A1 (en) | 2019-06-05 | 2019-06-05 | DC / DC converter for converting a direct voltage in the medium voltage range into a direct voltage in the low voltage range |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102019208207A1 true DE102019208207A1 (en) | 2020-12-10 |
Family
ID=73459606
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102019208207.6A Withdrawn DE102019208207A1 (en) | 2019-06-05 | 2019-06-05 | DC / DC converter for converting a direct voltage in the medium voltage range into a direct voltage in the low voltage range |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102019208207A1 (en) |
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2019
- 2019-06-05 DE DE102019208207.6A patent/DE102019208207A1/en not_active Withdrawn
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