DE102019209983A1

DE102019209983A1 - Switching converter and method for converting an input voltage into an output voltage

Info

Publication number: DE102019209983A1
Application number: DE102019209983.1A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Mueller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Schaltwandler (1) zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung aufweisend: eine eingangsspannungsseitige, erste Wandlerstufe (3), die eine erste Wandlereinheit mit einem ersten Schaltelement (23) und einer ersten Induktivität (31) und eine zweite Wandlereinheit mit einem zweiten Schaltelement (25) und einer zweiten Induktivität (33) aufweist, wobei die erste Induktivität (31) und die zweite Induktivität (33) miteinander gekoppelt sind, eine mit der ersten Wandlerstufe (3) verbundene zweite Wandlerstufe (5) und eine mit der zweiten Wandlerstufe (5) verbundene ausgangsspannungsseitige, dritte Wandlerstufe (7), die eine dritte Induktivität (63) und eine vierte Induktivität (65) aufweist, wobei die dritte Induktivität (63) und die vierte Induktivität (65) miteinander gekoppelt sind.A switching converter (1) for converting an input voltage into an output voltage is shown and described, comprising: a first converter stage (3) on the input voltage side, which has a first converter unit with a first switching element (23) and a first inductance (31) and a second converter unit a second switching element (25) and a second inductance (33), the first inductance (31) and the second inductance (33) being coupled to one another, a second converter stage (5) connected to the first converter stage (3) and one with the second converter stage (5) connected to the output voltage side, third converter stage (7), which has a third inductance (63) and a fourth inductance (65), the third inductance (63) and the fourth inductance (65) being coupled to one another.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltwandler zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung und ein Verfahren zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung.The present invention relates to a switching converter for converting an input voltage into an output voltage and a method for converting an input voltage into an output voltage.

Schaltwandler sind aus dem Stand der Technik bekannt. Schaltwandler können mithilfe von Schaltelementen Eingangsspannungen in Ausgangsspannungen wandeln. Beispielsweise können so Eingangsspannungen in niedrigere Ausgangsspannungen oder in höhere Ausgangsspannungen gewandelt werden. Mithilfe eines Schaltelements oder mehrerer Schalelemente kann Energie mit einer Taktfrequenz aus einer die Eingangsspannung bereitstellenden Eingangsspannungsquelle entnommen werden.Switching converters are known from the prior art. Switching converters can convert input voltages into output voltages with the help of switching elements. For example, input voltages can be converted into lower output voltages or into higher output voltages. With the aid of a switching element or a plurality of switching elements, energy can be drawn from an input voltage source providing the input voltage at a clock frequency.

Bei Schaltwandlern ist es häufig gewünscht, eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die nah an eine ideale Gleichspannung heranreicht. Wenn eine Gleichspannung bereitgestellt werden soll, wird daher versucht, dass die Ausgangsspannung einen möglichst hohen Gleichspannungsanteil und einen möglichst geringen Wechselspannungsanteil aufweist, um auf Gleichspannung ausgelegte Verbraucher mit Energie zu versorgen. Wenn die Ausgangsspannung einen hohen Gleichspannungsanteil und einen geringen Wechselspannungsanteil aufweist, kann dies auch als eine geringe Welligkeit der Ausgangsspannung bezeichnet werden.In switching converters, it is often desirable to provide an output voltage that comes close to an ideal DC voltage. If a direct voltage is to be provided, an attempt is therefore made to ensure that the output voltage has the highest possible direct voltage component and the lowest possible alternating voltage component in order to supply consumers designed for direct voltage with energy. If the output voltage has a high DC voltage component and a low AC voltage component, this can also be referred to as a low ripple in the output voltage.

Außerdem ist es bei Schaltwandlern wünschenswert, dass sie eine Ausgangsspannung bereitstellen, die möglichst genau einem vorbestimmten bzw. voreingestellten Ausgangsspannungssollwert folgt bzw. diesem entspricht und trotz Schwankungen der Eingangsspannung oder Lastschwankungen möglichst schnell wieder nah an dem Ausgangsspannungssollwert ist bzw. diesem entspricht. Eine schnelle Reaktion des Schaltwandlers auf Versorgungsschwankungen oder Lastschwankungen wird auch als hohe Regeldynamik bezeichnet.In addition, it is desirable for switching converters that they provide an output voltage that follows or corresponds to a predetermined or preset output voltage setpoint as closely as possible and, despite fluctuations in the input voltage or load fluctuations, is again as close as possible to or corresponds to the output voltage setpoint. A quick reaction of the switching converter to supply fluctuations or load fluctuations is also referred to as high control dynamics.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Bereitstellen der Ausgangsspannung möglichst energieeffizient erfolgt, wenn also möglichst geringe Energieverluste beim Wandeln der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung innerhalb des Schaltwandlers entstehen. Eine hohe Energieeffizienz steht jedoch häufig im Widerspruch zu einer geringen Welligkeit der Ausgangsspannung und einer hohen Regeldynamik des Schaltwandlers.Furthermore, it is advantageous if the output voltage is provided as energy-efficiently as possible, i.e. if the lowest possible energy losses occur when converting the input voltage into the output voltage within the switching converter. However, high energy efficiency often contradicts a low ripple in the output voltage and high control dynamics of the switching converter.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltwandler bereitzustellen, der eine Ausgangsspannung mit einer geringen Welligkeit bereitstellt, eine hohe Regeldynamik aufweist und mit einer hohen Energieeffizienz betrieben werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a switching converter which provides an output voltage with a low ripple, has high control dynamics and can be operated with high energy efficiency.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch einen Schaltwandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Schaltwandler ist zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung ausgebildet. Der Schaltwandler weist eine eingangsspannungsseitige, erste Wandlerstufe auf. Die erste Wandlerstufe weist eine erste Wandlereinheit mit einem ersten Schaltelement und einer ersten Induktivität und eine zweite Wandlereinheit mit einem zweiten Schaltelement und einer zweiten Induktivität auf. Die erste Induktivität und die zweite Induktivität sind miteinander gekoppelt. Der Schaltwandler weist eine mit der ersten Wandlerstufe verbundene zweite Wandlerstufe und eine mit der zweiten Wandlerstufe verbundene ausgangsspannungsseitige, dritte Wandlerstufe auf. Die dritte Wandlerstufe weist eine dritte Induktivität und eine vierte Induktivität auf. Die dritte Induktivität und die vierte Induktivität sind miteinander gekoppelt.According to a first aspect of the invention, the stated object is achieved by a switching converter having the features of claim 1. The switching converter is designed to convert an input voltage into an output voltage. The switching converter has a first converter stage on the input voltage side. The first converter stage has a first converter unit with a first switching element and a first inductance and a second converter unit with a second switching element and a second inductance. The first inductor and the second inductor are coupled to one another. The switching converter has a second converter stage connected to the first converter stage and a third converter stage connected to the second converter stage on the output voltage side. The third converter stage has a third inductance and a fourth inductance. The third inductor and the fourth inductor are coupled to one another.

Der Schaltwandler ist zum Wandeln der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung ausgebildet. Bevorzugt weist der Schaltwandler einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss auf, die jeweils einen elektrischen Kontakt bereitstellen. Die Eingangsspannung kann an den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss angelegt werden. Mit dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss kann eine Spannungsquelle verbunden werden, sodass eine elektrische Verbindung zwischen der Spannungsquelle und dem Schaltwandler bereitgestellt wird. Die Spannungsquelle kann ein Akkumulator oder eine Batterie sein. Insbesondere wenn die Spannungsquelle mit dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss verbunden ist, kann die Eingangsspannung von der Spannungsquelle bereitgestellt werden, sodass an dem ersten Eingangsanschluss und an dem zweiten Eingangsanschluss die Eingangsspannung anliegt. Die Eingangsspannung kann jedoch auch eine Zwischenkreisspannung sein. Wenn die Eingangsspannung eine Zwischenkreisspannung ist, so ist eine elektrische Schaltung, insbesondere eine dem Schaltwandler vorgeschaltete elektrische Schaltung, mit dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss verbunden, sodass die elektrische Schaltung die Eingangsspannung bereitstellt.The switching converter is designed to convert the input voltage into the output voltage. The switching converter preferably has a first input connection and a second input connection, each of which provides an electrical contact. The input voltage can be applied to the first input terminal and the second input terminal. A voltage source can be connected to the first input connection and the second input connection, so that an electrical connection is provided between the voltage source and the switching converter. The voltage source can be an accumulator or a battery. In particular when the voltage source is connected to the first input connection and the second input connection, the input voltage can be provided by the voltage source so that the input voltage is applied to the first input connection and to the second input connection. The input voltage can, however, also be an intermediate circuit voltage. If the input voltage is an intermediate circuit voltage, an electrical circuit, in particular an electrical circuit connected upstream of the switching converter, is connected to the first input connection and the second input connection, so that the electrical circuit provides the input voltage.

Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei Elemente miteinander verbunden oder miteinander elektrisch verbunden sind oder eine Verbindung oder eine elektrische Verbindung zwischen zwei Elementen vorgesehen ist, so können die zwei Elemente miteinander elektrisch leitfähig verbunden sein. Insbesondere kann eine Verbindung zwischen zwei Elementen eine direkte Verbindung sein. Eine direkte Verbindung liegt beispielsweise vor, wenn die zwei Elemente unmittelbar miteinander verbunden sind und kein drittes Element, wie beispielsweise ein Leistungsübertrager, vorgesehen ist, über das die zwei Elemente miteinander verbunden sind. Eine Verbindung zwischen zwei Elementen kann auch eine indirekte Verbindung sein. Eine indirekte Verbindung liegt beispielsweise vor, wenn die zwei Elemente über ein drittes Element, wie beispielsweise den Leistungsübertrager, miteinander verbunden sind.If, within the scope of the present invention, two elements are connected to one another or are electrically connected to one another or a connection or an electrical connection is provided between two elements, the two elements can be connected to one another in an electrically conductive manner. In particular, a connection between two elements can be a direct connection. A direct connection is present, for example, when the two elements are directly connected to one another and no third element, such as a power transformer, is provided via which the two elements are connected to one another. A connection between two elements can also be an indirect connection. An indirect connection is present, for example, when the two elements are connected to one another via a third element, such as the power transformer.

Bevorzugt weist der Schaltwandler einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss auf, die jeweils einen elektrischen Kontakt bereitstellen. Die Ausgangsspannung kann von dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss bereitgestellt werden. Mit dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss kann ein elektrischer Verbraucher verbunden werden, sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem Schaltwandler und dem elektrischen Verbraucher bereitgestellt wird. Wenn die elektrische Verbindung zwischen dem Schaltwandler und dem elektrischen Verbraucher bereitgestellt wird, kann von dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss die Ausgangsspannung zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers bereitgestellt werden, sodass ein elektrischer Arbeitsstrom durch den elektrischen Verbraucher fließen kann. Insbesondere wenn der elektrische Verbraucher mit dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist, kann die Ausgangsspannung von dem Schaltwandler bereitgestellt werden, sodass die Ausgangsspannung an dem elektrischen Verbraucher anliegt. Die Ausgangsspannung kann jedoch auch eine Zwischenkreisspannung sein. Wenn die Ausgangsspannung eine Zwischenkreisspannung ist, so ist eine elektrische Schaltung, insbesondere eine dem Schaltwandler nachgeschaltete elektrische Schaltung, mit dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden, sodass die Ausgangsspannung an der elektrische Schaltung anliegt.The switching converter preferably has a first output connection and a second output connection, each of which provides an electrical contact. The output voltage can be provided by the first output connection and the second output connection. An electrical consumer can be connected to the first output connection and the second output connection, so that an electrical connection is provided between the switching converter and the electrical consumer. When the electrical connection between the switching converter and the electrical consumer is provided, the output voltage for supplying the electrical consumer can be provided by the first output connection and the second output connection, so that an electrical working current can flow through the electrical consumer. In particular, if the electrical consumer is connected to the first output connection and the second output connection, the output voltage can be provided by the switching converter so that the output voltage is applied to the electrical consumer. The output voltage can, however, also be an intermediate circuit voltage. If the output voltage is an intermediate circuit voltage, an electrical circuit, in particular an electrical circuit connected downstream of the switching converter, is connected to the first output connection and the second output connection, so that the output voltage is applied to the electrical circuit.

Bevorzugt ist die Eingangsspannung eine Gleichspannung. Insbesondere ändert sich der Momentanwert der Eingangsspannung über einen längeren Betrachtungszeitraum nicht. Der Momentanwert der Eingangsspannung kann sich auch zeitlich ändern, insbesondere periodisch ändern, beispielsweise pulsieren. Mit anderen Worten kann die Eingangsspannung einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungsanteil aufweisen. Wenn sich der Momentanwert der Eingangsspannung zeitlich ändert, wechselt die Eingangsspannung jedoch ihre Polarität nicht. Auch die Ausgangsspannung ist bevorzugt eine Gleichspannung. Insbesondere ist vorgesehen, dass sich der Momentanwert der Ausgangsspannung über einen längeren Betrachtungszeitraum nicht ändert. Außerdem kann sich der Momentanwert der Ausgangsspannung auch zeitlich ändern, insbesondere periodisch ändern. Wenn sich der Momentanwert der Ausgangsspannung zeitlich ändert, wechselt die Ausgangsspannung jedoch ihre Polarität nicht. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Ausgangsspannung lediglich einen Gleichspannungsanteil aufweist. Für den Fall, dass die Ausgangsspannung einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungsanteil aufweist, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wechselspannungsanteil gering ist. Ein geringer Wechselspannungsanteil liegt beispielsweise vor, wenn die Welligkeit als Verhältnis zwischen dem Effektivwert des Wechselspannungsanteils und dem Betrag des Gleichspannungsanteils kleiner als 0,01, insbesondere kleiner als 0,001 ist. Wenn in der vorliegenden Erfindung von einer Wechselspannung die Rede ist, so ändert sich der Momentanwert der Wechselspannung bevorzugt über einen längeren Betrachtungszeitraum. Der Momentanwert der Wechselspannung ändert sich bevorzugt periodisch. Insbesondere ändert sich der Momentanwert der Wechselspannung zeitlich so, dass die Wechselspannung ihre Polarität wiederkehrend zeitlich ändert.The input voltage is preferably a direct voltage. In particular, the instantaneous value of the input voltage does not change over a longer observation period. The instantaneous value of the input voltage can also change over time, in particular change periodically, for example pulsate. In other words, the input voltage can have a DC voltage component and an AC voltage component. However, if the instantaneous value of the input voltage changes over time, the input voltage does not change its polarity. The output voltage is also preferably a direct voltage. In particular, it is provided that the instantaneous value of the output voltage does not change over a longer observation period. In addition, the instantaneous value of the output voltage can also change over time, in particular change periodically. If the instantaneous value of the output voltage changes over time, however, the output voltage does not change its polarity. In particular, it is provided that the output voltage has only a direct voltage component. In the event that the output voltage has a direct voltage component and an alternating voltage component, it is preferably provided that the alternating voltage component is low. A low AC voltage component is present, for example, when the ripple as the ratio between the effective value of the AC voltage component and the amount of the DC voltage component is less than 0.01, in particular less than 0.001. When an alternating voltage is mentioned in the present invention, the instantaneous value of the alternating voltage preferably changes over a longer observation period. The instantaneous value of the alternating voltage preferably changes periodically. In particular, the instantaneous value of the alternating voltage changes over time in such a way that the alternating voltage changes its polarity repeatedly over time.

Der Schaltwandler weist die erste Wandlerstufe, die zweite Wandlerstufe und die dritte Wandlerstufe auf, sodass jeder der Wandlerstufen einen Abschnitt des Schaltwandlers bilden kann. Jede der Wandlerstufen weist elektronische Bauelemente auf, die jeweils derart miteinander verbunden sind, sodass jede der Wandlerstufen eine entsprechende Wandlerstufeneingangsspannung in eine entsprechende Wandlerstufenausgangsspannung umwandeln kann. Insbesondere kann jede Wandlerstufe eine entsprechende Wandlerstufeneingangsspannung in eine entsprechende Wandlerstufenausgangsspannung umwandeln, sodass der Schaltwandler die Eingangsspannung in die Ausgangsspannung wandelt. Jede der Wandlerstufeneingangsspannungen und jede der Wandlerstufenausgangsspannungen kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein, sodass jede der Wandlerstufen jeweils eine entsprechende Gleichspannung in eine entsprechende Gleichspannung, eine entsprechende Gleichspannung in eine entsprechende Wechselspannung, eine entsprechende Wechselspannung in eine entsprechende Gleichspannung oder eine entsprechende Wechselspannung in eine entsprechende Wechselspannung umwandeln kann.The switching converter has the first converter stage, the second converter stage and the third converter stage, so that each of the converter stages can form a section of the switching converter. Each of the converter stages has electronic components that are each connected to one another in such a way that each of the converter stages can convert a corresponding converter stage input voltage into a corresponding converter stage output voltage. In particular, each converter stage can convert a corresponding converter stage input voltage into a corresponding converter stage output voltage, so that the switching converter converts the input voltage into the output voltage. Each of the converter stage input voltages and each of the converter stage output voltages can be a direct voltage or an alternating voltage, so that each of the converter stages has a corresponding direct voltage in a corresponding direct voltage, a corresponding direct voltage in a corresponding alternating voltage, a corresponding alternating voltage in a corresponding direct voltage or a corresponding alternating voltage in a corresponding one Can convert alternating voltage.

Bevorzugt ist, dass die erste Wandlerstufe eine Gleichspannung, insbesondere die Eingangsspannung, in eine Gleichspannung, insbesondere eine erste Zwischenkreisspannung, umwandelt. In diesem Fall ist die an der ersten Wandlerstufe anliegende Wandlerstufeneingangsspannung eine Gleichspannung und die von der ersten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung ebenfalls eine Gleichspannung. Des Weiteren ist bevorzugt, dass die zweite Wandlerstufe eine Gleichspannung, insbesondere die von der ersten Wandlerstufe bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt. D.h., dass die an der zweiten Wandlerstufe anliegende Wandlerstufeneingangsspannung eine Gleichspannung ist und die von der zweiten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung eine Wechselspannung ist. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die dritte Wandlerstufe eine Wechselspannung, insbesondere die von der zweiten Wandlerstufe bereitgestellte Wechselspannung, in eine Gleichspannung, insbesondere die Ausgangsspannung, umwandelt. Hier ist also die an der dritten Wandlerstufe anliegende Wandlerstufeneingangsspannung eine Wechselspannung und die von der dritten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung eine Gleichspannung.It is preferred that the first converter stage converts a direct voltage, in particular the input voltage, into a direct voltage, in particular a first intermediate circuit voltage. In this case, the converter stage input voltage applied to the first converter stage is a direct voltage and the converter stage output voltage provided by the first converter stage is also a direct voltage. Of It is further preferred that the second converter stage converts a direct voltage, in particular the direct voltage provided by the first converter stage, into an alternating voltage. This means that the converter stage input voltage applied to the second converter stage is a direct voltage and the converter stage output voltage provided by the second converter stage is an alternating voltage. In addition, it is preferably provided that the third converter stage converts an alternating voltage, in particular the alternating voltage provided by the second converter stage, into a direct voltage, in particular the output voltage. In this case, the converter stage input voltage applied to the third converter stage is an alternating voltage and the converter stage output voltage provided by the third converter stage is a direct voltage.

Die erste Wandlerstufe ist mit der zweiten Wandlerstufe verbunden. Die Verbindung zwischen der ersten Wandlerstufe und der zweiten Wandlerstufe kann eine direkte Verbindung sein, sodass die von der ersten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung als erste Zwischenkreisspannung an der zweiten Wandlerstufe anliegt, sodass die Wandlerstufenausgangsspannung der ersten Wandlerstufe der Wandlerstufeneingangsspannung der zweiten Wandlerstufe entspricht. Die Verbindung zwischen der ersten Wandlerstufe und der zweiten Wandlerstufe kann auch eine indirekte Verbindung sein, sodass die von der ersten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung an einer elektrischen Schaltung anliegt und von dieser elektrischen Schaltung eine Spannung bereitgestellt wird, die wiederum an der zweiten Wandlerstufe anliegt und der Wandlerstufeneingangsspannung der zweiten Wandlerstufe entspricht.The first converter stage is connected to the second converter stage. The connection between the first converter stage and the second converter stage can be a direct connection so that the converter stage output voltage provided by the first converter stage is applied as the first intermediate circuit voltage to the second converter stage, so that the converter stage output voltage of the first converter stage corresponds to the converter stage input voltage of the second converter stage. The connection between the first converter stage and the second converter stage can also be an indirect connection, so that the converter stage output voltage provided by the first converter stage is applied to an electrical circuit and a voltage is provided by this electrical circuit, which in turn is applied to the second converter stage and the converter stage input voltage corresponds to the second converter stage.

Die zweite Wandlerstufe ist mit der dritten Wandlerstufe verbunden. Die Verbindung zwischen der zweiten Wandlerstufe und der dritten Wandlerstufe kann eine direkte Verbindung sein, sodass die von der zweiten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung an der dritten Wandlerstufe anliegt, sodass die Wandlerstufenausgangsspannung der zweiten Wandlerstufe der Wandlerstufeneingangsspannung der dritten Wandlerstufe entspricht. Die Verbindung zwischen der zweiten Wandlerstufe und der dritten Wandlerstufe kann auch eine indirekte Verbindung sein, sodass die von der zweiten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung an einer elektrischen Schaltung, insbesondere an einem Leistungsübertrager, anliegt und von dieser elektrischen Schaltung eine Spannung bereitgestellt wird, die wiederum an der dritten Wandlerstufe anliegt und der Wandlerstufeneingangsspannung der dritten Wandlerstufe entspricht.The second converter stage is connected to the third converter stage. The connection between the second converter stage and the third converter stage can be a direct connection so that the converter stage output voltage provided by the second converter stage is applied to the third converter stage so that the converter stage output voltage of the second converter stage corresponds to the converter stage input voltage of the third converter stage. The connection between the second converter stage and the third converter stage can also be an indirect connection, so that the converter stage output voltage provided by the second converter stage is applied to an electrical circuit, in particular to a power transformer, and a voltage is provided by this electrical circuit, which in turn is applied to the third converter stage is applied and the converter stage input voltage corresponds to the third converter stage.

Die erste Wandlerstufe ist eingangsspannungsseitig, sodass an die erste Wandlerstufe die Eingangsspannung angelegt werden kann. Bevorzugt weist die erste Wandlerstufe den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss auf, sodass die Eingangsspannung an den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss angelegt werden kann. Die dritte Wandlerstufe ist ausgangsspannungsseitig, sodass von der dritten Wandlerstufe die Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann. Bevorzugt weist die dritte Wandlerstufe den ersten Ausgangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss auf, sodass die Ausgangsspannung von dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss bereitgestellt werden kann.The first converter stage is on the input voltage side, so that the input voltage can be applied to the first converter stage. The first converter stage preferably has the first input connection and the second input connection, so that the input voltage can be applied to the first input connection and the second input connection. The third converter stage is on the output voltage side, so that the output voltage can be provided by the third converter stage. The third converter stage preferably has the first output connection and the second output connection, so that the output voltage can be provided by the first output connection and the second output connection.

Die erste Wandlerstufe weist die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit auf. Dass die erste Wandlerstufe die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit aufweist, ermöglicht, dass die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit parallel zueinander geschaltet sein können, sodass sich ein elektrischer Teilstrom in der ersten Wandlereinheit und ein elektrischer Teilstrom in der zweiten Wandlereinheit zu einem elektrischen Gesamtstrom in einem Knoten hinter der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit addiert. Eine Parallelschaltung der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit ermöglicht, dass von der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit abwechselnd nacheinander Energie aus einer die Eingangsspannung bereitstellenden Spannungsquelle entnommen werden können. Eine Parallelschaltung der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit bewirkt außerdem, dass die Welligkeit des elektrischen Gesamtstroms in dem Knoten hinter der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit gering gehalten werden kann. Eine geringe Welligkeit des elektrischen Gesamtstroms in dem Knoten hinter der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit ermöglicht wiederum für den Fall, dass an dem Ausgang der ersten Wandlerstufe eine Glättungskapazität, wie beispielsweise ein Glättungskondensator, für die Reduzierung der Welligkeit der von der ersten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung vorgesehene ist, dass die Glättungskapazität wesentlich kleiner dimensioniert werden kann, um eine geringe Welligkeit der von der ersten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung bereitzustellen, insbesondere da der in der Glättungskapazität auftretende elektrische Rippelstrom wesentlich geringer ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bilden die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit jeweils einen Abschnitt der ersten Wandlerstufe. Insbesondere weisen die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit jeweils Bauelemente, wie beispielsweise das erste und zweite Schaltelement und die erste und zweite Induktivität, auf, die jeweils als Abschnitt der ersten Wandlerstufe für das Umwandeln der an der ersten Wandlerstufe anliegenden Wandlerstufeneingangsspannung in die von der ersten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung vorgesehen sind.The first converter stage has the first converter unit and the second converter unit. The fact that the first converter stage has the first converter unit and the second converter unit enables the first converter unit and the second converter unit to be connected in parallel so that an electrical partial current in the first converter unit and an electrical partial current in the second converter unit form a total electrical current added in a node behind the first converter unit and the second converter unit. A parallel connection of the first converter unit and the second converter unit enables the first converter unit and the second converter unit to alternately take energy from a voltage source that provides the input voltage. A parallel connection of the first converter unit and the second converter unit also has the effect that the ripple of the total electrical current in the node behind the first converter unit and the second converter unit can be kept low. A low ripple of the total electrical current in the node behind the first converter unit and the second converter unit in turn enables a smoothing capacitance, such as a smoothing capacitor, at the output of the first converter stage to reduce the ripple of the converter stage output voltage provided by the first converter stage It is provided that the smoothing capacitance can be dimensioned significantly smaller in order to provide a low ripple of the converter stage output voltage provided by the first converter stage, in particular since the electrical ripple current occurring in the smoothing capacitance is significantly lower. In connection with the present invention, the first converter unit and the second converter unit each form a section of the first converter stage. In particular, the first converter unit and the second converter unit each have components such as the first and second switching element and the first and second Inductance, which are each provided as a section of the first converter stage for converting the converter stage input voltage applied to the first converter stage into the converter stage output voltage provided by the first converter stage.

Im Vergleich zu dem Fall, dass die erste Wandlerstufe lediglich eine Wandlereinheit aufweist, ermöglicht der Fall, dass die erste Wandlerstufe die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit aufweist, dass in jeder der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit jeweils geringere elektrische Ströme übertragen werden müssen, um denselben Energiefluss bereitzustellen. Durch einen geringeren elektrischen Strom in jeder der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit, können in jeder der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit jeweils Bauelemente, wie beispielsweise das erste und zweite Schaltelement und die erste und zweite Induktivität, verwendet werden, die für geringere Ströme ausgelegt sein können. Dass die erste Wandlerstufe eine erste Wandlereinheit und eine zweite Wandlereinheit aufweist, ermöglicht außerdem, dass die in der ersten Wandlerstufe auftretende Verlustleistung auf die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit, insbesondere auf die Bauelemente der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit, verteilt werden kann, sodass jedes Bauelement einer geringeren Wärmebelastung ausgesetzt ist. Des Weiteren können dadurch, dass die erste Wandlerstufe die erste Wandlereinheit und die zweite Wandlereinheit aufweist, die Bauelemente der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit voneinander beabstandet, beispielsweise auf einer Leiterplatte, angeordnet sein, sodass der Gesamtwärmestrom räumlich verteilt von den Bauelementen abgegeben werden kann, sodass die Gesamtwärmeableitung von dem Schaltwandler verbessert werden kann. Insbesondere bilden sich keine sogenannten „hot spots“ aus, wodurch das thermische Design des Schaltwandlers vereinfacht wird.Compared to the case in which the first converter stage has only one converter unit, the case that the first converter stage has the first converter unit and the second converter unit enables lower electrical currents to be transmitted in each of the first converter unit and the second converter unit, to provide the same flow of energy. As a result of a lower electrical current in each of the first converter unit and the second converter unit, components, such as the first and second switching element and the first and second inductance, which are designed for lower currents, can be used in each of the first converter unit and the second converter unit could be. The fact that the first converter stage has a first converter unit and a second converter unit also enables the power loss occurring in the first converter stage to be distributed to the first converter unit and the second converter unit, in particular to the components of the first converter unit and the second converter unit, so that every component is exposed to a lower thermal load. Furthermore, because the first converter stage has the first converter unit and the second converter unit, the components of the first converter unit and the second converter unit can be arranged at a distance from one another, for example on a printed circuit board, so that the total heat flow can be given off spatially distributed by the components, so that the overall heat dissipation from the switching converter can be improved. In particular, no so-called “hot spots” are formed, which simplifies the thermal design of the switching converter.

Neben der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit kann die erste Wandlerstufe mindestens eine dritte Wandlereinheit aufweisen. Die im Zusammenhang mit der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit beschriebenen Merkmale, technischen Effekte und/oder Vorteile gelten zumindest in analoger Weise auch für jede der mindestens einen dritten Wandlereinheit, sodass an dieser Stelle auf eine entsprechende Wiederholung verzichtet wird. Insbesondere weist jede der mindestens einen dritten Wandlereinheit ein drittes Schaltelement, ein weiteres drittes Schaltelement, und eine dritte Induktivität auf. So kann die erste Wandlerstufe in der Anzahl der Phasen (hier Wandlereinheiten) flexibel ausgebildet sein, sodass die erste Wandlerstufe anstatt 2 Phasen auf 3 und mehr Phasen erweitert werden kann. In addition to the first converter unit and the second converter unit, the first converter stage can have at least one third converter unit. The features, technical effects and / or advantages described in connection with the first converter unit and the second converter unit also apply at least in an analogous manner to each of the at least one third converter unit, so that a corresponding repetition is dispensed with at this point. In particular, each of the at least one third converter unit has a third switching element, a further third switching element, and a third inductance. The first converter stage can be designed to be flexible in terms of the number of phases (here converter units) so that the first converter stage can be expanded to 3 or more phases instead of 2 phases.

Die erste Wandlereinheit weist das erste Schaltelement und die zweite Wandlereinheit weist das zweite Schaltelement auf. Jedes Schaltelement des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements kann ein Transistor, insbesondere ein Leistungstransistor, sein. Wenn ein Schaltelement ein Leistungstransistor ist, so ist das entsprechende Schaltelement bevorzugt so ausgebildet, sodass ein maximaler elektrischer Kollektorstrom oder ein maximaler elektrischer Drainstrom mindestens 1 A ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein als Leistungstransistor ausgebildetes Schaltelement ausgebildet sein, sodass eine minimale Kollektor-Emitter-Spannung oder eine minimale Drain-Source-Spannung mindestens 50 V ist. Jedes der Schaltelemente kann ein Feldeffekttransistor sein. Feldeffekttransistoren haben den Vorteil, dass sie eine Ansteuerung mit geringem Leistungsbedarf ermöglichen und sehr geringe Einschaltwiderstände aufweisen. Bevorzugt ist jedes der Schaltelemente ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGFET). Besonders bevorzugt ist jedes der Schaltelemente ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Jedes der Schaltelemente kann auch ein Bipolartransistor (BJT) sein. Bipolartransistoren haben den Vorteil, dass sie für hohe elektrische Stromstärken und hohe Spannungen ausgelegt sein können. Bevorzugt ist jedes der Schaltelemente ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode stellen ein gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannungen, eine hohe Robustheit und eine Ansteuerung mit geringem Leistungsbedarf bereit. Jedes der Schaltelemente kann auch ein Thyristor sein.The first converter unit has the first switching element and the second converter unit has the second switching element. Each switching element of the first switching element and the second switching element can be a transistor, in particular a power transistor. If a switching element is a power transistor, the corresponding switching element is preferably designed in such a way that a maximum electrical collector current or a maximum electrical drain current is at least 1 A. Alternatively or additionally, a switching element embodied as a power transistor can be embodied so that a minimum collector-emitter voltage or a minimum drain-source voltage is at least 50V. Each of the switching elements can be a field effect transistor. Field effect transistors have the advantage that they enable control with a low power requirement and have very low switch-on resistances. Preferably, each of the switching elements is an insulated gate field effect transistor (IGFET). Each of the switching elements is particularly preferably a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). Each of the switching elements can also be a bipolar transistor (BJT). Bipolar transistors have the advantage that they can be designed for high electrical currents and high voltages. Each of the switching elements is preferably a bipolar transistor with an insulated gate electrode (IGBT). Bipolar transistors with an insulated gate electrode provide good on-state behavior, high blocking voltages, high robustness and control with low power requirements. Each of the switching elements can also be a thyristor.

Jedes der Schaltelemente kann einen elektrisch leitenden Zustand und einen elektrisch isolierenden Zustand einnehmen. Wenn ein Schaltelement in dem elektrisch leitenden Zustand ist, kann ein elektrischer Arbeitsstrom durch das entsprechende Schaltelement fließen. Wenn das entsprechende Schaltelement in dem elektrisch isolierenden Zustand ist, kann der elektrische Arbeitsstrom nicht durch das entsprechende Schaltelement fließen. Durch einen Schaltvorgang kann zwischen dem elektrisch leitenden Zustand und dem elektrisch isolierenden Zustand eines jeden Schaltelements gewechselt werden. Jedes der Schaltelemente kann so geschaltet werden, dass das entsprechende Schaltelement während einer Einschaltzeitdauer in einem entsprechenden elektrisch leitenden Zustand ist und während einer Ausschaltzeitdauer in einem entsprechenden elektrisch isolierenden Zustand ist.Each of the switching elements can assume an electrically conductive state and an electrically insulating state. When a switching element is in the electrically conductive state, an electrical working current can flow through the corresponding switching element. When the corresponding switching element is in the electrically insulating state, the electrical working current cannot flow through the corresponding switching element. A switching process can be used to switch between the electrically conductive state and the electrically insulating state of each switching element. Each of the switching elements can be switched such that the corresponding switching element is in a corresponding electrically conductive state during a switch-on period and is in a corresponding electrically insulating state during a switch-off period.

Das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement, und insbesondere auch das weitere erste Schaltelement und das weitere zweite Schaltelement, ermöglichen, dass abwechselnd nacheinander Energie aus der Spannungsquelle entnommen werden können. Die von der ersten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung, insbesondere die erste Zwischenkreisspannung, kann durch entsprechendes Schalten des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements mit einer hohen Dynamik eingestellt werden. Insbesondere kann ein entsprechendes Verhältnis zwischen einer entsprechenden Einschaltzeitdauer jedes der Schaltelemente und einer entsprechenden Ausschaltzeitdauer jedes der Schaltelemente innerhalb einer entsprechenden Schaltperiodendauer den mittleren Energiefluss durch den Schaltwandler bestimmen.The first switching element and the second switching element, and in particular also the further first switching element and the further second switching element, enable energy to be drawn from the voltage source alternately one after the other. The one from the first converter stage The converter stage output voltage provided, in particular the first intermediate circuit voltage, can be set with high dynamics by corresponding switching of the first switching element and the second switching element. In particular, a corresponding ratio between a corresponding switch-on time duration of each of the switching elements and a corresponding switch-off time duration of each of the switching elements can determine the average energy flow through the switching converter within a corresponding switching period.

Bevorzugt weist die erste Wandlereinheit ein weiteres erstes Schaltelement und die zweite Wandlereinheit weist ein weiteres zweites Schaltelement auf. Insbesondere sind das erste Schaltelement und das weitere erste Schaltelement so miteinander verschaltet, dass sie eine erste. Außerdem sind bevorzugt das zweite Schaltelement und das weitere zweite Schaltelement so miteinander verschaltet, dass sie eine zweite Halbbrücke bilden. Das erste Schaltelement und das weitere erste Schaltelement können gleich ausgebildet sein, sodass die im Zusammenhang mit dem ersten Schaltelement beschriebenen Merkmale, technischen Effekte und/oder Vorteile zumindest in analoger Weise auch für das weitere erste Schaltelement gelten. Ebenso können das zweite Schaltelement und das weitere zweite Schaltelement gleich ausgebildet sein, sodass die im Zusammenhang mit dem zweiten Schaltelement beschriebenen Merkmale, technischen Effekte und/oder Vorteile zumindest in analoger Weise auch für das weitere zweite Schaltelement gelten. Alternativ kann das weitere erste Schaltelement eine Diode sein. Ebenso kann auch das weitere zweite Schaltelement eine Diode sein.The first converter unit preferably has a further first switching element and the second converter unit has a further second switching element. In particular, the first switching element and the further first switching element are connected to one another in such a way that they are a first. In addition, the second switching element and the further second switching element are preferably connected to one another in such a way that they form a second half-bridge. The first switching element and the further first switching element can be designed identically, so that the features, technical effects and / or advantages described in connection with the first switching element also apply at least in an analogous manner to the further first switching element. Likewise, the second switching element and the further second switching element can be designed identically, so that the features, technical effects and / or advantages described in connection with the second switching element also apply at least in an analogous manner to the further second switching element. Alternatively, the further first switching element can be a diode. Likewise, the further second switching element can also be a diode.

Bevorzugt umfasst im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung der Begriff Schaltelement sowohl ein sogenanntes aktives Schaltelement, wie beispielsweise ein ansteuerbares Schaltelement, als auch ein passives Schaltelement, wie beispielsweise eine Diode. Insbesondere ist vorgesehen, dass das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement jeweils ein aktives Schaltelement ist. Bevorzugt können das weitere erste Schaltelement und das weitere zweite Schaltelement jeweils entweder ein aktives oder ein passives Schaltelement sein. Insbesondere, wenn die dritte Wandlerstufe ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement aufweist, so können das erste Schaltelement der dritten Wandlerstufe und das zweite Schaltelement der dritten Wandlerstufe jeweils entweder ein aktives oder ein passives Schaltelement sein. Insbesonder ist vorgesehen, dass das erste Schaltelement der dritten Wandlerstufe eine dritte Diode ist und das zweite Schaltelement der dritten Wandlerstufe eine vierte Diode ist.In connection with the present invention, the term switching element preferably includes both what is known as an active switching element, such as a controllable switching element, and a passive switching element, such as a diode. In particular, it is provided that the first switching element and the second switching element are each an active switching element. The further first switching element and the further second switching element can preferably each be either an active or a passive switching element. In particular, if the third converter stage has a first switching element and a second switching element, the first switching element of the third converter stage and the second switching element of the third converter stage can each be either an active or a passive switching element. In particular, it is provided that the first switching element of the third converter stage is a third diode and the second switching element of the third converter stage is a fourth diode.

Die erste Wandlereinheit weist die erste Induktivität und die zweite Wandlereinheit weist die zweite Induktivität auf. Außerdem weist die dritte Wandlerstufe die dritte Induktivität und die vierte Induktivität auf. Bevorzugt sind die erste Induktivität, die zweite Induktivität, die dritte Induktivität und die vierte Induktivität jeweils von einer Spule, insbesondere einer Speicherdrossel, gebildet. Wenn die erste Induktivität, die zweite Induktivität, die dritte Induktivität und die vierte Induktivität groß dimensioniert werden, führt dies zu einer geringen Welligkeit jedes durch die entsprechende Induktivität fließenden elektrischen Stroms, sodass ein nicht lückender Betrieb auch bei geringen Lasten gewährleistet werden kann.The first converter unit has the first inductance and the second converter unit has the second inductance. In addition, the third converter stage has the third inductance and the fourth inductance. The first inductance, the second inductance, the third inductance and the fourth inductance are each preferably formed by a coil, in particular a storage choke. If the first inductance, the second inductance, the third inductance and the fourth inductance are dimensioned large, this leads to a low ripple of each electrical current flowing through the corresponding inductance, so that continuous operation can be guaranteed even with low loads.

Die erste Induktivität und die zweite Induktivität sind miteinander gekoppelt. Insbesondere sind die erste Induktivität und die zweite Induktivität miteinander magnetisch gekoppelt, also über ihr elektromagnetisches Feld miteinander gekoppelt, wenn durch die erste Induktivität und/oder die zweite Induktivität jeweils ein elektrischer Strom fließt. Die Kopplung der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität miteinander gewährleistet, dass Energie von der ersten Induktivität auf die zweite Induktivität und von der zweiten Induktivität auf die erste Induktivität übertragen werden kann. Eine besonders effiziente Übertragung der Energie von der ersten Induktivität auf die zweite Induktivität und von der zweiten Induktivität auf die erste Induktivität kann durch einen ersten gemeinsamen Kern, insbesondere Magnetkern, gewährleistet werden. Bevorzugt weist die erste Induktivität eine erste Spule und die zweite Induktivität eine zweite Spule auf. Insbesondere sind sowohl die erste Spule als auch die zweite Spule um bzw. auf den ersten gemeinsamen Kern gewickelt. Die Wicklung der ersten Spule und der zweiten Spule um den ersten gemeinsamen Kern stellt eine besonders effiziente Kopplung der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität bereit, sodass geringe Streuinduktivitäten und eine besonders effiziente, also verlustarme, Energieübertragung von der ersten Induktivität auf die zweite Induktivität und von der zweiten Induktivität auf die erste Induktivität ermöglicht werden. Alternativ kann auch kein erster gemeinsamer Kern vorgesehen sein, sodass eine besonders hohe Streuinduktivität bereitgestellt werden kann. Eine hohe Streuinduktivität kann auch durch entsprechende Windungszahlen und/oder Luftspalte eingestellt werden. Insbesondere kann durch eine hohe Streuinduktivität die Energiespeicherung in der ersten Induktivität und in der zweiten Induktivität optimiert werden.The first inductor and the second inductor are coupled to one another. In particular, the first inductor and the second inductor are magnetically coupled to one another, that is to say coupled to one another via their electromagnetic field, when an electric current flows through the first inductor and / or the second inductor. The coupling of the first inductor and the second inductor to one another ensures that energy can be transferred from the first inductor to the second inductor and from the second inductor to the first inductor. A particularly efficient transfer of the energy from the first inductance to the second inductance and from the second inductance to the first inductance can be ensured by a first common core, in particular a magnetic core. The first inductance preferably has a first coil and the second inductance has a second coil. In particular, both the first coil and the second coil are wound around or on the first common core. The winding of the first coil and the second coil around the first common core provides a particularly efficient coupling of the first inductance and the second inductance, so that low leakage inductances and a particularly efficient, i.e. low-loss, energy transfer from the first inductance to the second inductance and from the second inductor can be made possible on the first inductor. Alternatively, no first common core can be provided, so that a particularly high leakage inductance can be provided. A high leakage inductance can also be set by means of a corresponding number of turns and / or air gaps. In particular, the energy storage in the first inductance and in the second inductance can be optimized through a high leakage inductance.

Des Weiteren gewährleistet die Kopplung der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität miteinander eine geringe Welligkeit des durch die erste Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die zweite Induktivität fließenden elektrischen Stroms. Eine geringe Welligkeit des durch die erste Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die zweite Induktivität fließenden elektrischen Stroms gewährleistet selbst bei geringen Lasten einen nicht lückenden Betrieb. Somit kann durch die Kopplung der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität miteinander die erste Induktivität und die zweite Induktivität jeweils gering dimensioniert werden und gleichzeitig ein nicht lückender Betrieb auch bei geringen Lasten gewährleistet werden. Durch die Kopplung der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität miteinander wird daher der sogenannte Stromrippel in den Einzelphasen reduziert, was bei einem unverkoppelten, mehrphasigen Ansatz nicht der Fall ist. Durch die Reduzierung des Stromrippels und somit des Wechselstromanteils im entsprechenden Phasenstrom können auch die Verluste in den Wicklungen der Induktivitäten reduziert werden. Durch den reduzierten Phasenrippel, also den Stromrippel in einer entsprechenden Phase, können zudem die Halbleiterverluste sinken. Insbesondere kann auch der Teillastwirkungsgrad erhöht werden.Furthermore, the coupling of the first inductance and the second inductance with one another ensures a low ripple of the electrical current flowing through the first inductance and the electrical current flowing through the second inductance. A low ripple in the electrical current flowing through the first inductance and in the electrical current flowing through the second inductance is ensured even with low ripples Loads a continuous operation. Thus, by coupling the first inductance and the second inductance with one another, the first inductance and the second inductance can each be dimensioned small and at the same time continuous operation can be ensured even with low loads. By coupling the first inductor and the second inductor to one another, the so-called current ripple is reduced in the individual phases, which is not the case with an uncoupled, multi-phase approach. By reducing the current ripple and thus the alternating current component in the corresponding phase current, the losses in the windings of the inductances can also be reduced. The reduced phase ripple, i.e. the current ripple in a corresponding phase, can also reduce semiconductor losses. In particular, the partial load efficiency can also be increased.

Ferner gewährleistet die geringe Welligkeit des durch die erste Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die zweite Induktivität fließenden elektrischen Stroms, dass die Welligkeit des elektrischen Gesamtstroms in dem Knoten hinter der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit weiter verringert werden kann. Wie bereits erwähnt, ermöglicht eine geringe Welligkeit des elektrischen Gesamtstroms in dem Knoten hinter der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit für den Fall, dass an dem Ausgang der ersten Wandlerstufe eine Glättungskapazität für die Reduzierung der Welligkeit der von der ersten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung vorgesehene ist, dass die Glättungskapazität wesentlich kleiner dimensioniert werden kann, um eine geringe Welligkeit der von der ersten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung bereitzustellen, insbesondere da der in der Glättungskapazität auftretende elektrische Rippelstrom wesentlich geringer ist.Furthermore, the low ripple of the electrical current flowing through the first inductance and the electrical current flowing through the second inductance ensures that the ripple of the total electrical current in the node behind the first converter unit and the second converter unit can be further reduced. As already mentioned, a small ripple of the total electrical current in the node behind the first converter unit and the second converter unit enables a smoothing capacitance for reducing the ripple of the converter stage output voltage provided by the first converter stage to be provided at the output of the first converter stage, that the smoothing capacitance can be dimensioned significantly smaller in order to provide a low ripple in the converter stage output voltage provided by the first converter stage, in particular since the electrical ripple current occurring in the smoothing capacitance is significantly lower.

Die dritte Induktivität und die vierte Induktivität sind miteinander gekoppelt. Insbesondere sind die dritte Induktivität und die vierte Induktivität miteinander magnetisch gekoppelt, also über ihr elektromagnetisches Feld miteinander gekoppelt, wenn durch die dritte Induktivität und/oder die vierte Induktivität jeweils ein elektrischer Strom fließt. Die Kopplung der dritten Induktivität und der vierten Induktivität miteinander gewährleistet, dass Energie von der dritten Induktivität auf die vierte Induktivität und von der vierten Induktivität auf die dritte Induktivität übertragen werden kann. Eine besonders effiziente Übertragung der Energie von der dritten Induktivität auf die vierte Induktivität und von der vierten Induktivität auf die dritte Induktivität kann durch einen zweiten gemeinsamen Kern, insbesondere Magnetkern, gewährleistet werden. Bevorzugt weist die dritte Induktivität eine dritte Spule und die vierte Induktivität eine vierte Spule auf. Insbesondere sind sowohl die dritte Spule als auch die vierte Spule um den zweiten gemeinsamen Kern gewickelt. Die Wicklung der dritten Spule und der vierten Spule um den zweiten gemeinsamen Kern stellt eine besonders effiziente Kopplung der dritten Induktivität und der vierten Induktivität bereit, sodass geringe Streuinduktivitäten und eine besonders effiziente Energieübertragung von der dritten Induktivität auf die vierte Induktivität und von der vierten Induktivität auf die dritte Induktivität ermöglicht werden. Alternativ kann auch kein zweiter gemeinsamer Kern vorgesehen sein, sodass eine besonders hohe Streuinduktivität bereitgestellt werden kann. Eine hohe Streuinduktivität kann auch durch entsprechende Windungszahlen und/oder Luftspalte eingestellt werden. Insbesondere kann durch eine hohe Streuinduktivität die Energiespeicherung in der dritten Induktivität und in der vierten Induktivität optimiert werden.The third inductor and the fourth inductor are coupled to one another. In particular, the third inductor and the fourth inductor are magnetically coupled to one another, that is to say coupled to one another via their electromagnetic field, when an electric current flows through the third inductor and / or the fourth inductor. The coupling of the third inductor and the fourth inductor to one another ensures that energy can be transferred from the third inductor to the fourth inductor and from the fourth inductor to the third inductor. A particularly efficient transfer of the energy from the third inductance to the fourth inductance and from the fourth inductance to the third inductance can be ensured by a second common core, in particular a magnetic core. The third inductance preferably has a third coil and the fourth inductance has a fourth coil. In particular, both the third coil and the fourth coil are wound around the second common core. The winding of the third coil and the fourth coil around the second common core provides a particularly efficient coupling of the third inductance and the fourth inductance, so that low leakage inductances and a particularly efficient energy transfer from the third inductance to the fourth inductance and from the fourth inductance the third inductor can be enabled. Alternatively, no second common core can be provided, so that a particularly high leakage inductance can be provided. A high leakage inductance can also be set by means of a corresponding number of turns and / or air gaps. In particular, the energy storage in the third inductance and in the fourth inductance can be optimized through a high leakage inductance.

Außerdem gewährleistet die Kopplung der dritten Induktivität und der vierten Induktivität miteinander eine geringe Welligkeit des durch die dritte Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die vierte Induktivität fließenden elektrischen Stroms. Eine geringe Welligkeit des durch die dritte Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die vierte Induktivität fließenden elektrischen Stroms gewährleistet selbst bei geringen Lasten einen nicht lückenden Betrieb. Somit kann durch die Kopplung der dritten Induktivität und der vierten Induktivität miteinander die dritte Induktivität und die vierte Induktivität jeweils gering dimensioniert werden und gleichzeitig ein nicht lückender Betrieb auch bei geringen Lasten gewährleistet werden.In addition, the coupling of the third inductance and the fourth inductance with one another ensures a low ripple of the electrical current flowing through the third inductance and the electrical current flowing through the fourth inductance. A slight ripple in the electrical current flowing through the third inductance and in the electrical current flowing through the fourth inductance ensures uninterrupted operation even with low loads. Thus, by coupling the third inductance and the fourth inductance to one another, the third inductance and the fourth inductance can each be dimensioned small and at the same time continuous operation can be ensured even with low loads.

Des Weiteren gewährleistet die geringe Welligkeit des durch die dritte Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die vierte Induktivität fließenden elektrischen Stroms, dass die Welligkeit des elektrischen Gesamtstroms in einem Knoten hinter der dritten Wandlerstufe weiter verringert werden kann. Eine geringe Welligkeit des elektrischen Gesamtstroms in dem Knoten hinter der dritten Wandlerstufe ermöglicht für den Fall, dass an dem Ausgang der dritten Wandlerstufe eine Glättungskapazität für die Reduzierung der Welligkeit der von der dritten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung vorgesehene ist, dass die Glättungskapazität wesentlich kleiner dimensioniert werden kann, um eine geringe Welligkeit der von der dritten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung bereitzustellen, insbesondere da der in der Glättungskapazität auftretende elektrische Rippelstrom wesentlich geringer ist.Furthermore, the low ripple of the electrical current flowing through the third inductance and of the electrical current flowing through the fourth inductance ensures that the ripple of the total electrical current in a node behind the third converter stage can be further reduced. A small ripple of the total electrical current in the node behind the third converter stage enables, in the event that a smoothing capacitance for reducing the ripple of the converter stage output voltage provided by the third converter stage is provided at the output of the third converter stage, that the smoothing capacitance can be dimensioned significantly smaller in order to provide a low ripple in the converter stage output voltage provided by the third converter stage, in particular since the electrical ripple current occurring in the smoothing capacitance is significantly lower.

Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei Elemente miteinander gekoppelt sind, so ist hiermit insbesondere gemeint, dass die zwei Elemente über ihr elektromagnetisches Feld miteinander gekoppelt sind. Eine elektromagnetische Kopplung der zwei Elemente liegt insbesondere dann vor, wenn durch mindestens eines der beiden Elemente ein elektrischer Strom fließt. Insbesondere sind die zwei Elemente derart miteinander gekoppelt, dass über ihr elektromagnetisches Feld Energie von einem der zwei Elemente auf das andere der zwei Elemente und von dem anderen der zwei Elemente auf das eine der zwei Elemente übertragen werden kann. Die miteinander gekoppelten zwei Elemente sind insbesondere sowohl die erste Induktivität und die zweite Induktivität als auch die dritte Induktivität und die vierte Induktivität.If two elements are coupled to one another within the scope of the present invention, this means in particular that the two elements are coupled to one another via their electromagnetic field. An electromagnetic one The two elements are coupled in particular when an electrical current flows through at least one of the two elements. In particular, the two elements are coupled to one another in such a way that energy can be transferred from one of the two elements to the other of the two elements and from the other of the two elements to one of the two elements via their electromagnetic field. The two elements coupled to one another are, in particular, both the first inductance and the second inductance and also the third inductance and the fourth inductance.

Insbesondere dadurch, dass ein nicht lückender Betrieb des Schaltwandlers gewährleistet werden kann, kann bei einer konstanten Eingangsspannung ein linearer Zusammenhang zwischen dem Tastverhältnis der Schaltelemente, insbesondere des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements, und der Ausgangsspannung bereitgestellt werden. Dieser lineare Zusammenhang kann insbesondere dann gewährleistet werden, wenn die erste Wandlereinheit das weitere erste Schaltelement und die zweite Wandlereinheit das weitere zweite Schaltelement aufweist und das weitere erste Schaltelement eine Diode ist und das weitere zweite Schaltelement ebenfalls eine Diode ist. Mit anderen Worten kann der lineare Zusammenhang insbesondere dann gewährleistet werden, wenn der Schaltwandler einen asynchronen Wandler aufweist. Ebenso kann dieser lineare Zusammenhang gewährleistet werden, wenn die erste Wandlereinheit das weitere erste Schaltelement und die zweite Wandlereinheit das weitere zweite Schaltelement aufweist und das erste Schaltelement und das weitere erste Schaltelement gleich ausgebildet sind und das zweite Schaltelement und das weitere zweite Schaltelement gleich ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann der lineare Zusammenhang auch dann gewährleistet werden, wenn der Schaltwandler einen synchronen Buck aufweist.In particular, because continuous operation of the switching converter can be guaranteed, a linear relationship between the duty cycle of the switching elements, in particular the first switching element and the second switching element, and the output voltage can be provided at a constant input voltage. This linear relationship can be ensured in particular if the first converter unit has the further first switching element and the second converter unit has the further second switching element and the further first switching element is a diode and the further second switching element is also a diode. In other words, the linear relationship can be ensured in particular when the switching converter has an asynchronous converter. This linear relationship can also be ensured if the first converter unit has the further first switching element and the second converter unit has the further second switching element and the first switching element and the further first switching element are designed the same and the second switching element and the further second switching element are designed the same. In other words, the linear relationship can also be guaranteed when the switching converter has a synchronous buck.

Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass eine geringe Dimensionierung der ersten Induktivität, der zweiten Induktivität, der dritten Induktivität und der vierten Induktivität die Regeldynamik des Schaltwandlers signifikant erhöht. Außerdem wirken sich die Kopplung der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität sowie die Kopplung der dritten Induktivität und der vierten Induktivität positiv auf die Regeldynamik des Schaltwandlers aus.Furthermore, it has been found that a small dimensioning of the first inductance, the second inductance, the third inductance and the fourth inductance significantly increases the control dynamics of the switching converter. In addition, the coupling of the first inductance and the second inductance and the coupling of the third inductance and the fourth inductance have a positive effect on the control dynamics of the switching converter.

Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass der Schaltwandler eine Ausgangsspannung mit einer geringen Welligkeit bereitstellt, eine hohe Regeldynamik aufweist und mit einer hohen Energieeffizienz, insbesondere im Teillastbereich, betrieben werden kann.In summary, it can therefore be stated that the switching converter provides an output voltage with a low ripple, has high control dynamics and can be operated with high energy efficiency, in particular in the partial load range.

In einer Ausführungsform weisen die erste Induktivität und die zweite Induktivität gegensinnige Wicklungen auf. Die gegensinnigen Wicklungen der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität bewirken, dass die Welligkeit des durch die erste Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die zweite Induktivität fließenden elektrischen Stroms besonders gering gehalten wird. Die erste Induktivität kann also eine erste Wicklung aufweisen und die zweite Induktivität kann eine zweite Wicklung aufweisen, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung so angeordnet sind, dass, wenn durch mindestens eine Wicklung der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung ein elektrischer Strom fließt, ein magnetischer Fluss resultiert, der sowohl die erste Wicklung als auch die zweite Wicklung durchsetzt. Ein erster Wickelsinn der ersten Wicklung ist einem zweiten Wickelsinn der zweiten Wicklung in Bezug auf den magnetischen Fluss entgegengesetzt, sodass die erste Wicklung und die zweite Wicklung gegensinnig sind.In one embodiment, the first inductor and the second inductor have opposing windings. The opposing windings of the first inductance and the second inductance have the effect that the ripple of the electrical current flowing through the first inductance and the electrical current flowing through the second inductance is kept particularly low. The first inductance can thus have a first winding and the second inductance can have a second winding, wherein the first winding and the second winding are arranged such that, when an electrical current flows through at least one winding of the first winding and the second winding, a magnetic flux results which penetrates both the first winding and the second winding. A first winding direction of the first winding is opposite to a second winding direction of the second winding in relation to the magnetic flux, so that the first winding and the second winding are in opposite directions.

In einer Ausführungsform weisen die dritte Induktivität und die vierte Induktivität gegensinnige Wicklungen auf. Die gegensinnigen Wicklungen der dritten Induktivität und der vierten Induktivität bewirken, dass die Welligkeit des durch die dritte Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die vierte Induktivität fließenden elektrischen Stroms besonders gering gehalten wird. Die dritte Induktivität kann also eine dritte Wicklung aufweisen und die vierte Induktivität kann eine vierte Wicklung aufweisen, wobei die dritte Wicklung und die vierte Wicklung so angeordnet sind, dass, wenn durch mindestens eine Wicklung der dritten Wicklung und der vierten Wicklung ein elektrischer Strom fließt, ein magnetischer Fluss resultiert, der sowohl die dritte Wicklung als auch die vierte Wicklung durchsetzt. Ein dritter Wickelsinn der dritten Wicklung ist einem vierten Wickelsinn der vierten Wicklung in Bezug auf den magnetischen Fluss entgegengesetzt, sodass die dritte Wicklung und die vierte Wicklung gegensinnig sind.In one embodiment, the third inductance and the fourth inductance have opposing windings. The opposing windings of the third inductance and the fourth inductance have the effect that the ripple of the electrical current flowing through the third inductance and the electrical current flowing through the fourth inductance is kept particularly low. The third inductance can thus have a third winding and the fourth inductance can have a fourth winding, the third winding and the fourth winding being arranged in such a way that when an electrical current flows through at least one winding of the third winding and the fourth winding, a magnetic flux results which penetrates both the third winding and the fourth winding. A third winding direction of the third winding is opposite to a fourth winding direction of the fourth winding with respect to the magnetic flux, so that the third winding and the fourth winding are in opposite directions.

In einer Ausführungsform ist ein Verhältnis von einer Windungszahl der ersten Induktivität und einer Windungszahl der zweiten Induktivität eins. Das Verhältnis der Windungszahl der ersten Induktivität und der Windungszahl der zweiten Induktivität von eins kann auch als 1:1 Übertragung oder 1 zu 1 Übertrager bezeichnet werden. Insbesondere kann das Verhältnis der Windungszahl der ersten Induktivität und der Windungszahl der zweiten Induktivität von eins zu einer Energieübertragung von der ersten Induktivität auf die zweite Induktivität führen, die im Wesentlichen einer Energieübertragung von der zweiten Induktivität auf die erste Induktivität entspricht, sodass die Welligkeit des durch die erste Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die zweite Induktivität fließenden elektrischen Stroms besonders effizient reduziert werden kann.In one embodiment, a ratio of a number of turns of the first inductance and a number of turns of the second inductance is one. The ratio of the number of turns of the first inductance and the number of turns of the second inductance of one can also be referred to as 1: 1 transmission or 1 to 1 transformer. In particular, the ratio of the number of turns of the first inductor and the number of turns of the second inductor of one can lead to an energy transfer from the first inductor to the second inductor, which essentially corresponds to an energy transfer from the second inductor to the first inductor, so that the ripple of the through the electrical current flowing through the first inductance and the electrical current flowing through the second inductance can be reduced particularly efficiently.

In einer Ausführungsform ist ein Verhältnis von einer Windungszahl der dritten Induktivität und einer Windungszahl der vierten Induktivität eins. Das Verhältnis der Windungszahl der dritten Induktivität und der Windungszahl der vierten Induktivität von eins kann auch als 1:1 Übertragung oder 1 zu 1 Übertrager bezeichnet werden. Insbesondere kann das Verhältnis der Windungszahl der dritten Induktivität und der Windungszahl der vierten Induktivität von eins zu einer Energieübertragung von der dritten Induktivität auf die vierte Induktivität führen, die im Wesentlichen einer Energieübertragung von der vierten Induktivität auf die dritte Induktivität entspricht, sodass die Welligkeit des durch die dritte Induktivität fließenden elektrischen Stroms und des durch die vierte Induktivität fließenden elektrischen Stroms besonders effizient reduziert werden kann.In one embodiment, a ratio of a number of turns of the third inductance is and a number of turns of the fourth inductance one. The ratio of the number of turns of the third inductance and the number of turns of the fourth inductance of one can also be referred to as 1: 1 transmission or 1 to 1 transformer. In particular, the ratio of the number of turns of the third inductor and the number of turns of the fourth inductor of one can lead to an energy transfer from the third inductor to the fourth inductor, which essentially corresponds to an energy transfer from the fourth inductor to the third inductor, so that the ripple of the the electrical current flowing through the third inductance and the electrical current flowing through the fourth inductance can be reduced particularly efficiently.

In einer Ausführungsform weist die erste Wandlereinheit eine erste Aufwärtswandlerschaltung auf und die zweite Wandlereinheit weist eine zweite Aufwärtswandlerschaltung auf. Wenn die erste Wandlereinheit eine erste Aufwärtswandlerschaltung aufweist und die zweite Wandlereinheit eine zweite Aufwärtswandlerschaltung aufweist, kann von der ersten Wandlerstufe eine Wandlerstufenausgangsspannung bereitgestellt werden, die größer ist als die an der ersten Wandlerstufe anliegenden Wandlerstufeneingangsspannung.In one embodiment, the first converter unit has a first step-up converter circuit and the second converter unit has a second step-up converter circuit. If the first converter unit has a first boost converter circuit and the second converter unit has a second boost converter circuit, the first converter stage can provide a converter stage output voltage that is greater than the converter stage input voltage applied to the first converter stage.

In einer Ausführungsform weist die erste Wandlereinheit eine erste Abwärtswandlerschaltung auf und die zweite Wandlereinheit weist eine zweite Abwärtswandlerschaltung auf. Wenn die erste Wandlereinheit eine erste Abwärtswandlerschaltung aufweist und die zweite Wandlereinheit eine zweite Abwärtswandlerschaltung aufweist, kann von der ersten Wandlerstufe eine Wandlerstufenausgangsspannung bzw. die erste Zwischenkreisspannung bereitgestellt werden, die kleiner ist als die an der ersten Wandlerstufe anliegenden Wandlerstufeneingangsspannung bzw. Eingangsspannung. Durch die verringerte Wandlerstufenausgangsspannung, die von der ersten Wandlerstufe bereitgestellt wird bzw. durch die verringerte erste Zwischenkreisspannung können kleinere Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden. Außerdem können durch die verringerte Wandlerstufenausgangsspannung, die von der ersten Wandlerstufe bereitgestellt wird bzw. durch die verringerte erste Zwischenkreisspannung in der zweiten Wandlerstufe und in der dritten Wandlerstufe Leistungshalbleiter, wie beispielsweise ansteuerbare Schaltelemente oder Dioden, mit geringerer Sperrspannung verwendet werden.In one embodiment, the first converter unit has a first down converter circuit and the second converter unit has a second down converter circuit. If the first converter unit has a first down converter circuit and the second converter unit has a second down converter circuit, the first converter stage can provide a converter stage output voltage or the first intermediate circuit voltage that is lower than the converter stage input voltage or input voltage applied to the first converter stage. Due to the reduced converter stage output voltage that is provided by the first converter stage or the reduced first intermediate circuit voltage, smaller clearances and creepage distances can be maintained. In addition, the reduced converter stage output voltage provided by the first converter stage or the reduced first intermediate circuit voltage in the second converter stage and in the third converter stage means that power semiconductors, such as controllable switching elements or diodes, with a lower reverse voltage can be used.

In einer Ausführungsform weist die erste Wandlereinheit eine erste Auf-/Abwärtswandlerschaltung auf und die zweite Wandlereinheit weist eine zweite Auf-/Abwärtswandlerschaltung auf. Wenn die erste Wandlereinheit eine erste Auf-/Abwärtswandlerschaltung aufweist und die zweite Wandlereinheit eine zweite Auf-/Abwärtswandlerschaltung aufweist, kann von der ersten Wandlerstufe eine Wandlerstufenausgangsspannung bereitgestellt werden, die entweder kleiner oder größer ist als die an der ersten Wandlerstufe anliegenden Wandlerstufeneingangsspannung.In one embodiment, the first converter unit has a first step-up / step-down converter circuit and the second converter unit has a second step-up / step-down converter circuit. If the first converter unit has a first up / down converter circuit and the second converter unit has a second up / down converter circuit, the first converter stage can provide a converter stage output voltage that is either smaller or greater than the converter stage input voltage applied to the first converter stage.

In einer Ausführungsform weist die zweite Wandlerstufe eine Vollbrückenschaltung auf. Eine zweite Wandlerstufe mit einer Vollbrückenschaltung ermöglicht eine Auslegung des Schaltwandlers für besonders hohe Leistungen. Insbesondere weist die zweite Wandlerstufe vier Schaltelemente auf, die aufeinander abgestimmt geschaltet werden können, sodass die an der zweiten Wandlerstufe anliegende Wandlerstufeneingangsspannung in die von der zweiten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung umgewandelt werden kann.In one embodiment, the second converter stage has a full bridge circuit. A second converter stage with a full bridge circuit enables the switching converter to be designed for particularly high outputs. In particular, the second converter stage has four switching elements which can be switched in a coordinated manner so that the converter stage input voltage applied to the second converter stage can be converted into the converter stage output voltage provided by the second converter stage.

In einer Ausführungsform weist die zweite Wandlerstufe eine Halbbrückenschaltung auf. Insbesondere weist die zweite Wandlerstufe eine asymmetrische Halbbrückenschaltung auf. Wenn die zweite Wandlerstufe eine Halbbrückenschaltung aufweist, ermöglicht dies einen einfachen Aufbau der zweiten Wandlerstufe und vereinfacht somit den Aufbau des Schaltwandlers, da die Halbbrückenschaltung weniger Schaltelemente als eine Vollbrückenschaltung aufweisen muss. Außerdem ermöglicht die zweite Wandlerstufe mit einer Halbbrückenschaltung einen einfacheren Betrieb als eine zweite Wandlerstufe mit einer Vollbrückenschaltung, da weniger Schaltelemente gesteuert werden müssen. Insbesondere weist die zweite Wandlerstufe zwei Schaltelemente auf, die aufeinander abgestimmt geschaltet werden können, sodass die an der zweiten Wandlerstufe anliegende Wandlerstufeneingangsspannung in die von der zweiten Wandlerstufe bereitgestellte Wandlerstufenausgangsspannung umgewandelt werden kann.In one embodiment, the second converter stage has a half-bridge circuit. In particular, the second converter stage has an asymmetrical half-bridge circuit. If the second converter stage has a half-bridge circuit, this enables a simple construction of the second converter stage and thus simplifies the construction of the switching converter, since the half-bridge circuit must have fewer switching elements than a full-bridge circuit. In addition, the second converter stage with a half-bridge circuit enables simpler operation than a second converter stage with a full-bridge circuit, since fewer switching elements have to be controlled. In particular, the second converter stage has two switching elements which can be switched in a coordinated manner so that the converter stage input voltage applied to the second converter stage can be converted into the converter stage output voltage provided by the second converter stage.

Die im Zusammenhang mit dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement beschriebenen Merkmale, technischen Effekte und/oder Vorteile gelten zumindest in analoger Weise auch für die Schaltelemente der zweiten Wandlerstufe, insbesondere für die vier Schaltelement der Vollbrückenschaltung und für die zwei Schaltelement der Halbbrückenschaltung, sodass an dieser Stelle auf eine entsprechende Wiederholung verzichtet wird.The features, technical effects and / or advantages described in connection with the first switching element and the second switching element also apply at least in an analogous manner to the switching elements of the second converter stage, in particular to the four switching elements of the full-bridge circuit and for the two switching elements of the half-bridge circuit, so that an this point is not repeated accordingly.

In einer Ausführungsform sind die zweite Wandlerstufe und die dritte Wandlerstufe durch einen Leistungsübertrager miteinander verbunden. Der Leistungsübertrager kann eine galvanische Trennung zwischen der zweiten Wandlerstufe und der dritten Wandlerstufe bereitstellen. Der Leistungsübertrager kann durch einen Transformator gebildet sein und so die galvanische Trennung zwischen der zweiten Wandlerstufe und der dritten Wandlerstufe bereitstellen. Der Transformator kann zwei oder mehr Induktivitäten, insbesondere Spulen, aufweisen, die um einen dritten gemeinsamen Kern, insbesondere Magnetkern, gewickelt sind.In one embodiment, the second converter stage and the third converter stage are connected to one another by a power transformer. The power transformer can provide galvanic isolation between the second converter stage and the third converter stage. The power transformer can be formed by a transformer and thus provide the galvanic separation between the second converter stage and the third converter stage. The transformer can have two or more inductances, in particular coils, which are around a third common core, in particular a magnetic core, are wound.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Das Verfahren ist zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit einem Schaltwandler nach dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen. An die erste Wandlerstufe wird die Eingangsspannung angelegt. Das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement werden jeweils derart angesteuert, dass die erste Induktivität und die zweite Induktivität abwechselnd mit Energie versorgt werden. Von der ersten Wandlerstufe wird eine erste Zwischenkreisspannung bereitgestellt, die an die zweite Wandlerstufe angelegt wird. Von der zweiten Wandlerstufe wird eine zweite Zwischenkreisspannung bereitgestellt. Die dritte Induktivität und die vierte Induktivität werden in Abhängigkeit von der zweiten Zwischenkreisspannung mit Energie versorgt. Von der dritten Wandlerstufe wird die Ausgangsspannung bereitgestellt. Das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement werden jeweils in Abhängigkeit von der Ausgangspannung angesteuert.According to a second aspect of the invention, the aforementioned object is achieved by a method with the features of claim 12. The method is provided for converting an input voltage into an output voltage with a switching converter according to the first aspect of the invention. The input voltage is applied to the first converter stage. The first switching element and the second switching element are each controlled in such a way that the first inductance and the second inductance are alternately supplied with energy. The first converter stage provides a first intermediate circuit voltage which is applied to the second converter stage. A second intermediate circuit voltage is provided by the second converter stage. The third inductance and the fourth inductance are supplied with energy as a function of the second intermediate circuit voltage. The output voltage is provided by the third converter stage. The first switching element and the second switching element are each activated as a function of the output voltage.

Bevorzugt weist der Schaltwandler eine Steuereinheit auf. Insbesondere ist die Steuereinheit mit dem ersten Schaltelement und mit dem zweiten Schaltelement zum Ansteuern des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements verbunden. Des Weiteren kann die Steuereinheit auch mit den zwei bzw. vier Schaltelementen der zweiten Wandlerstufe zum Ansteuern der zwei bzw. vier Schaltelementen der zweiten Wandlerstufe verbunden sein. Die Steuereinheit kann für jedes Schaltelement ein entsprechendes Steuersignal, insbesondere ein entsprechendes pulsweitenmoduliertes Steuersignal, bereitstellen, sodass jedes der Schaltelemente in Abhängigkeit von dem entsprechenden Steuersignal sowohl von einem entsprechenden elektrisch leitenden Zustand in einen entsprechenden elektrisch isolierenden Zustand als auch von dem entsprechenden elektrisch isolierenden Zustand in den entsprechenden elektrisch leitenden Zustand übergehen kann.The switching converter preferably has a control unit. In particular, the control unit is connected to the first switching element and to the second switching element for controlling the first switching element and the second switching element. Furthermore, the control unit can also be connected to the two or four switching elements of the second converter stage for controlling the two or four switching elements of the second converter stage. The control unit can provide a corresponding control signal, in particular a corresponding pulse-width-modulated control signal, for each switching element, so that each of the switching elements, depending on the corresponding control signal, changes from a corresponding electrically conductive state to a corresponding electrically insulating state and from the corresponding electrically insulating state to the corresponding electrically conductive state can pass.

Des Weiteren kann der Schaltwandler eine Messeinheit zum Messen der Ausgangsspannung aufweisen. Insbesondere kann die gemessene Ausgangsspannung mit einem Ausgangsspannungssollwert verglichen werden und die Steuereinheit das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement derart ansteuern, dass die gemessene Ausgangsspannung sich dem Ausgangsspannungssollwert annähert bzw. mit diesem übereinstimmt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die von der Steuereinheit bereitgestellten entsprechenden Steuersignale derart geändert werden, dass die Tastverhältnisse mit denen das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement angesteuert werden variieren, sodass die gemessene Ausgangsspannung sich dem Ausgangsspannungssollwert annähert bzw. mit diesem übereinstimmt.Furthermore, the switching converter can have a measuring unit for measuring the output voltage. In particular, the measured output voltage can be compared with an output voltage setpoint and the control unit can control the first switching element and the second switching element in such a way that the measured output voltage approaches or matches the output voltage setpoint. This can be achieved in particular by changing the corresponding control signals provided by the control unit in such a way that the pulse duty factors with which the first switching element and the second switching element are controlled vary so that the measured output voltage approaches or matches the output voltage setpoint.

Ferner kann die Messeinheit zum Messen der ersten Zwischenkreisspannung ausgebildet sein. Insbesondere kann die gemessene erste Zwischenkreisspannung mit einem ersten Zwischenkreisspannungssollwert verglichen werden und die Steuereinheit das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement derart ansteuern, dass die gemessene erste Zwischenkreisspannung sich dem ersten Zwischenkreisspannungssollwert annähert bzw. mit diesem übereinstimmt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die von der Steuereinheit bereitgestellten entsprechenden Steuersignale derart geändert werden, dass die Tastverhältnisse mit denen das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement angesteuert werden variieren, sodass die gemessene erste Zwischenkreisspannung sich dem ersten Zwischenkreisspannungssollwert annähert bzw. mit diesem übereinstimmt.Furthermore, the measuring unit can be designed to measure the first intermediate circuit voltage. In particular, the measured first intermediate circuit voltage can be compared with a first intermediate circuit voltage setpoint and the control unit can control the first switching element and the second switching element such that the measured first intermediate circuit voltage approaches or matches the first intermediate circuit voltage setpoint. This can be achieved in particular by changing the corresponding control signals provided by the control unit in such a way that the pulse duty factors with which the first switching element and the second switching element are controlled vary so that the measured first intermediate circuit voltage approaches or matches the first intermediate circuit voltage setpoint .

In einer Ausführungsform wird die zweite Wandlerstufe in Vollaussteuerung betrieben. Eine Vollaussteuerung der zweiten Wandlerstufe wird beispielsweise dadurch ermöglicht, dass die Steuereinheit die Schaltelemente der zweiten Wandlerstufe unabhängig von der Ausgangsspannung ansteuert. Beispielsweise können die Schaltelemente der zweiten Wandlerstufe mit einem maximalen Tastverhältnis von der Steuereinheit angesteuert werden. Ein Betreiben der zweiten Wandlerstufe in Vollaussteuerung führt zu einer geringen Welligkeit der Ausgangsspannung bzw. der von der dritten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung. Insbesondere für den Fall, dass an dem Ausgang der dritten Wandlerstufe eine Glättungskapazität für die Reduzierung der Welligkeit der von der dritten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung vorgesehene ist, kann die Glättungskapazität wesentlich kleiner dimensioniert werden, um eine geringe Welligkeit der von der dritten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung bereitzustellen, insbesondere da der in der Glättungskapazität auftretende elektrische Rippelstrom wesentlich geringer ist. Da das Betreiben der zweiten Wandlerstufe in Vollaussteuerung bereits zu einer geringeren Welligkeit der Ausgangsspannung führt, können die dritte Induktivität und die vierte Induktivität kleiner dimensioniert werden, sodass eine Verbesserung der Regeldynamik erzielt werden kann.In one embodiment, the second converter stage is operated at full level. Full modulation of the second converter stage is made possible, for example, in that the control unit controls the switching elements of the second converter stage independently of the output voltage. For example, the switching elements of the second converter stage can be activated by the control unit with a maximum pulse duty factor. Operating the second converter stage at full modulation leads to a slight ripple in the output voltage or in the converter stage output voltage provided by the third converter stage. In particular for the case that at the output of the third converter stage a Smoothing capacitance is provided for reducing the ripple of the converter stage output voltage provided by the third converter stage, the smoothing capacitance can be dimensioned significantly smaller in order to provide a low ripple in the converter stage output voltage provided by the third converter stage, in particular since the electrical ripple current occurring in the smoothing capacitance is significantly lower. Since operating the second converter stage at full modulation already leads to a lower ripple in the output voltage, the third inductance and the fourth inductance can be dimensioned smaller, so that an improvement in the control dynamics can be achieved.

Eine geringe Welligkeit des elektrischen Gesamtstroms in dem Knoten hinter der dritten Wandlerstufe ermöglicht für den Fall, dass an dem Ausgang der dritten Wandlerstufe eine Glättungskapazität für die Reduzierung der Welligkeit der von der dritten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung vorgesehene ist, dass die Glättungskapazität wesentlich kleiner dimensioniert werden kann, um eine geringe Welligkeit der von der dritten Wandlerstufe bereitgestellten Wandlerstufenausgangsspannung bereitzustellen, insbesondere da der in der Glättungskapazität auftretende elektrische Rippelstrom wesentlich geringer ist.A small ripple of the total electrical current in the node behind the third converter stage enables, in the event that a smoothing capacitance for reducing the ripple of the converter stage output voltage provided by the third converter stage is provided at the output of the third converter stage, that the smoothing capacitance can be dimensioned significantly smaller in order to provide a low ripple in the converter stage output voltage provided by the third converter stage, in particular since the electrical ripple current occurring in the smoothing capacitance is significantly lower.

Die im Zusammenhang mit dem Schaltwandler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Merkmale, technischen Effekte und/oder Vorteile gelten zumindest in analoger Weise auch für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, sodass an dieser Stelle auf eine entsprechende Wiederholung verzichtet wird.The features, technical effects and / or advantages described in connection with the switching converter according to the first aspect of the invention also apply at least in an analogous manner to the method according to the second aspect of the invention, so that a corresponding repetition is dispensed with at this point.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltwandlers.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild der miteinander gekoppelten ersten Induktivität und zweiten Induktivität der Ausführungsform des erfindungsgemä-ßen Schaltwandlers in 1.

Further features, advantages and possible applications of the present invention emerge from the following description of the exemplary embodiments and the figures. All of the features described and / or shown in the figures, individually and in any combination, form the subject matter of the invention, regardless of their composition in the individual claims or their references. In the figures, the same reference symbols are also used for the same or similar objects.

1 shows a schematic view of an embodiment of a switching converter according to the invention.
2 FIG. 11 shows an equivalent circuit diagram of the first inductance and the second inductance coupled to one another of the embodiment of the switching converter according to the invention in FIG 1 .

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltwandlers 1. Der Schaltwandler 1 weist eine erste Wandlerstufe 3, eine zweite Wandlerstufe 5 und eine dritte Wandlerstufe 7 auf. Der Schaltwandler 1 weist einen ersten Eingangsanschluss 9 und einen zweiten Eingangsanschluss 11 auf, die jeweils einen elektrischen Kontakt bereitstellen. Eine Spannungsquelle 13, die auch als Eingangsspannungsquelle bezeichnet werden kann, ist mit dem ersten Eingangsanschluss 9 und dem zweiten Eingangsanschluss 11 verbunden, sodass eine Eingangsspannung an den ersten Eingangsanschluss 9 und den zweiten Eingangsanschluss 11 anliegt. Bevorzugt ist die Eingangsspannung mindestens 240 V und höchsten 470 V. Die erste Wandlerstufe 3 ist daher eingangsspannungsseitig. Des Weiteren weist der Schaltwandler 1 einen ersten Ausgangsanschluss 15 und einen zweiten Ausgangsanschluss 17 auf. Ein elektrischer Verbraucher 19 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 15 und dem zweiten Ausgangsanschluss 17 verbunden, sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem Schaltwandler 1 und dem elektrischen Verbraucher 19 bereitgestellt. Eine Ausgangsspannung wird von dem ersten Ausgangsanschluss 15 und dem zweiten Ausgangsanschluss 17 zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers 19 bereitgestellt, sodass ein elektrischer Arbeitsstrom durch den elektrischen Verbraucher 19 fließen kann. Die dritte Wandlerstufe 7 ist daher ausgangsspannungsseitig. 1 shows a schematic view of an embodiment of a switching converter according to the invention 1 . The switching converter 1 has a first converter stage 3 , a second converter stage 5 and a third converter stage 7th on. The switching converter 1 has a first input port 9 and a second input port 11 each providing an electrical contact. A voltage source 13 , which can also be referred to as an input voltage source, is connected to the first input terminal 9 and the second input port 11 connected so that an input voltage is applied to the first input terminal 9 and the second input port 11 is applied. The input voltage is preferably at least 240 V and at most 470 V. The first converter stage 3 is therefore on the input voltage side. Furthermore, the switching converter 1 a first output terminal 15th and a second output terminal 17th on. An electrical consumer 19th is with the first output port 15th and the second output terminal 17th connected so that an electrical connection between the switching converter 1 and the electrical consumer 19th provided. An output voltage is obtained from the first output terminal 15th and the second output terminal 17th to supply the electrical consumer 19th provided so that an electrical working current through the electrical consumer 19th can flow. The third converter stage 7th is therefore on the output voltage side.

Die erste Wandlerstufe 3 weist einen ersten Energiespeicher 21 auf, der mit dem ersten Eingangsanschluss 9 und dem zweiten Eingangsanschluss 11 verbunden ist. Der erste Energiespeicher 21 weist einen Kondensator auf. Der erste Energiespeicher 21 kann von der Spannungsquelle 13 mit Ladungsträgern versorgt werden und somit mit Energie versorgt werden. Wenn der elektrische Verbraucher 19 kurzfristig einen hohen Energiebedarf aufweist, können die von dem ersten Energiespeicher 21 gespeicherten Ladungsträger von diesem freigegeben werden, sodass ausreichend Ladungsträger für den kurzfristigen hohen Energiebedarf bereitgestellt werden können.The first converter stage 3 has a first energy store 21st on, the one with the first input port 9 and the second input port 11 connected is. The first energy storage 21st has a capacitor. The first energy storage 21st can from the voltage source 13 are supplied with charge carriers and are thus supplied with energy. When the electrical consumer 19th has a high energy requirement for a short time, can from the first energy store 21st stored charge carriers are released by this, so that sufficient charge carriers can be provided for the short-term high energy demand.

Die erste Wandlerstufe 3 weist ein erstes Schaltelement 23, ein zweites Schaltelement 25, eine erste Diode 27 (die auch als weiteres erstes Schaltelement bezeichnet werden kann), eine zweite Diode 29 (die auch als weiteres zweites Schaltelement bezeichnet werden kann), eine erste Induktivität 31 und eine zweite Induktivität 33 auf. Das erste Schaltelement 23 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 9 verbunden. Auf der dem ersten Eingangsanschluss 9 gegenüberliegenden Seite ist das erste Schaltelement 23 mit der ersten Diode 27 und der ersten Induktivität 31 verbunden. Die erste Diode 27 ist auf der dem ersten Schaltelement 23 gegenüberliegenden Seite mit dem zweiten Eingangsanschluss 11 verbunden. Das zweite Schaltelement 25 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 9 verbunden. Auf der dem ersten Eingangsanschluss 9 gegenüberliegenden Seite ist das zweite Schaltelement 25 mit der zweiten Diode 29 und der zweiten Induktivität 33 verbunden. Die zweite Diode 29 ist auf der dem zweiten Schaltelement 25 gegenüberliegenden Seite mit dem zweiten Eingangsanschluss 11 verbunden.The first converter stage 3 has a first switching element 23 , a second switching element 25th , a first diode 27 (which can also be referred to as a further first switching element), a second diode 29 (which can also be referred to as a further second switching element), a first inductance 31 and a second inductor 33 on. The first switching element 23 is with the first input port 9 connected. On the the first input port 9 opposite side is the first switching element 23 with the first diode 27 and the first inductor 31 connected. The first diode 27 is on the first switching element 23 opposite side with the second input connection 11 connected. The second switching element 25th is with the first input port 9 connected. On the the first input port 9 opposite side is the second switching element 25th with the second diode 29 and the second inductor 33 connected. The second diode 29 is on the second switching element 25th opposite side with the second input connection 11 connected.

Die erste Induktivität 31 und die zweite Induktivität 33 sind miteinander gekoppelt. Die erste Induktivität 31 und die zweite Induktivität 33 weisen gegensinnige Wicklungen auf. Ein Verhältnis von einer Windungszahl der ersten Induktivität 31 und einer Windungszahl der zweiten Induktivität 33 ist eins. Neben der ersten Induktivität 31 ist eine erste Streuinduktivität 35 der ersten Induktivität 31 und neben der zweiten Induktivität 33 ist eine zweite Streuinduktivität 37 der zweiten Induktivität 33 dargestellt. Die erste Induktivität 31 ist auf der dem ersten Schaltelement 23 gegenüberliegenden Seite mit der zweiten Induktivität 33 und mit der zweiten Wandlerstufe 5 verbunden. Ebenso ist die zweite Induktivität 33 auf der dem zweiten Schaltelement 25 gegenüberliegenden Seite mit der ersten Induktivität 31 und mit der zweiten Wandlerstufe 5 verbunden.The first inductor 31 and the second inductor 33 are coupled with each other. The first inductor 31 and the second inductor 33 have opposite windings. A ratio of one number of turns of the first inductance 31 and a number of turns of the second inductance 33 is one. Next to the first inductor 31 is a first leakage inductance 35 the first inductance 31 and next to the second inductor 33 is a second leakage inductance 37 the second inductor 33 shown. The first inductor 31 is on the first switching element 23 opposite side with the second inductance 33 and with the second converter stage 5 connected. So is the second inductance 33 on the second switching element 25th opposite side with the first inductor 31 and with the second converter stage 5 connected.

Die erste Wandlerstufe 3 weist eine erste Wandlereinheit und eine zweite Wandlereinheit auf. Die erste Wandlereinheit weist das erste Schaltelement 23 die erste Diode 27 und die erste Induktivität 31 auf. Die zweite Wandlereinheit weist das zweite Schaltelement 25, die zweite Diode 29 und die zweite Induktivität 33 auf. Die erste Wandlereinheit weist eine erste Abwärtswandlerschaltung auf und die zweite Wandlereinheit weist eine zweite Abwärtswandlerschaltung auf. Alternativ kann die erste Wandlereinheit auch eine erste Aufwärtswandlerschaltung aufweisen und die zweite Wandlereinheit eine zweite Aufwärtswandlerschaltung auf. Eine weitere Option ist, dass die erste Wandlereinheit eine erste Auf-/Abwärtswandlerschaltung aufweist und die zweite Wandlereinheit eine zweite Auf-/Abwärtswandlerschaltung aufweist.The first converter stage 3 has a first converter unit and a second converter unit. The first converter unit has the first switching element 23 the first diode 27 and the first inductor 31 on. The second converter unit has the second switching element 25th , the second diode 29 and the second inductor 33 on. The first converter unit has a first buck converter circuit and the second converter unit has a second buck converter circuit. Alternatively, the first converter unit can also have a first step-up converter circuit and the second converter unit can have a second step-up converter circuit. A further option is that the first converter unit has a first step-up / step-down converter circuit and the second converter unit has a second step-up / step-down converter circuit.

Das erste Schaltelement 23 und das zweite Schaltelement 25 können so geschaltet werden, dass abwechselnd nacheinander Energie aus der Spannungsquelle 13 entnommen werden können, Energie in der ersten Induktivität 31 und der zweiten Induktivität 33 gespeichert werden kann, und so eine erste Zwischenkreisspannung an dem ersten Anschluss 39 und dem zweiten Anschluss 41 bereitgestellt werden kann. Die erste Zwischenkreisspannung kann auch als Wandlerstufenausgangsspannung bezeichnet werden, die von der ersten Wandlerstufe 3 bereitgestellt wird. Die erste Zwischenkreisspannung ist bevorzugt maximal 240 V. Insbesondere ist die erste Zwischenkreisspannung geringer als die Eingangsspannung. Die Wandlerstufenausgangsspannung, die von der ersten Wandlerstufe 3 bereitgestellt wird ist in der dargestellten Ausführungsform die Wandlerstufeneingangsspannung, die an der zweiten Wandlerstufe 5 anliegt. Die erste Wandlerstufe 3 ist über den ersten Anschluss 39 und den zweiten Anschluss 41 mit der zweiten Wandlerstufe 5 verbunden.The first switching element 23 and the second switching element 25th can be switched so that alternately one after the other energy from the voltage source 13 can be drawn, energy in the first inductor 31 and the second inductor 33 can be stored, and so a first intermediate circuit voltage at the first connection 39 and the second port 41 can be provided. The first intermediate circuit voltage can also be referred to as the converter stage output voltage from the first converter stage 3 provided. The first intermediate circuit voltage is preferably a maximum of 240 V. In particular, the first intermediate circuit voltage is lower than the input voltage. The converter stage output voltage from the first converter stage 3 In the embodiment shown, what is provided is the converter stage input voltage that is applied to the second converter stage 5 is applied. The first converter stage 3 is about the first connection 39 and the second port 41 with the second converter stage 5 connected.

In der in 1 dargestellten Ausführungsform weist die zweite Wandlerstufe 5 eine Vollbrückenschaltung auf. Die zweite Wandlerstufe 5 kann jedoch auch eine Halbbrückenschaltung aufweisen. Die zweite Wandlerstufe 5 ist über einen dritten Anschluss 43 und einen vierten Anschluss 45 mit einem Leistungsübertrager 47 verbunden. Der Leistungsübertrager 47 ist durch einen Transformator gebildet und stellt eine galvanische Trennung zwischen der zweiten Wandlerstufe 5 und der dritten Wandlerstufe 7 bereit. Der Transformator weist zwei Induktivitäten 49, 51 und einen dritten gemeinsamen Magnetkern 53 auf, wobei die zwei Induktivitäten 49, 51 um den dritten gemeinsamen Magnetkern 53 gewickelt sind. Die zwei Induktivitäten 49, 51 weisen gleichsinnige Wicklungen auf. Der Leistungsübertrager 47 ist über einen fünften Anschluss 55 und einen sechsten Anschluss 57 mit der dritten Wandlerstufe 7 verbunden. Die zweite Wandlerstufe 5 und die dritte Wandlerstufe 7 sind somit durch einen Leistungsübertrager 47 miteinander verbunden.In the in 1 illustrated embodiment has the second converter stage 5 a full bridge circuit. The second converter stage 5 however, it can also have a half-bridge circuit. The second converter stage 5 is via a third connection 43 and a fourth port 45 with a power transformer 47 connected. The power transmitter 47 is formed by a transformer and provides galvanic isolation between the second converter stage 5 and the third converter stage 7th ready. The transformer has two inductors 49 , 51 and a third common magnetic core 53 on, being the two inductors 49 , 51 around the third common magnetic core 53 are wrapped. The two inductors 49 , 51 have co-directional windings. The power transmitter 47 is via a fifth port 55 and a sixth port 57 with the third converter stage 7th connected. The second converter stage 5 and the third converter stage 7th are thus through a power transformer 47 connected with each other.

Die dritte Wandlerstufe 7 weist eine dritte Diode 59 (die auch als erstes Schaltelement der dritten Wandlerstufe 7 bezeichnet werden kann), eine vierte Diode 61 (die auch als zweites Schaltelement der dritten Wandlerstufe 7 bezeichnet werden kann), eine dritte Induktivität 63 und eine vierte Induktivität 65 und einen zweiten Energiespeicher 67 auf. Die dritte Diode 59 ist mit dem fünften Anschluss 55 und der dritten Induktivität 63 verbunden. Auf der dem fünften Anschluss 55 gegenüberliegenden Seite ist die dritte Diode 59 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 17 verbunden. Die vierte Diode 61 ist mit dem sechsten Anschluss 57 und der vierten Induktivität 65 verbunden. Auf der dem sechsten Anschluss 57 gegenüberliegenden Seite ist die vierte Diode 61 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 17 verbunden.The third converter stage 7th has a third diode 59 (which is also the first switching element of the third converter stage 7th can be designated), a fourth diode 61 (which is also used as the second switching element of the third converter stage 7th can be designated), a third inductance 63 and a fourth inductor 65 and a second energy store 67 on. The third diode 59 is with the fifth connector 55 and the third inductor 63 connected. On the fifth connection 55 opposite side is the third diode 59 to the second output port 17th connected. The fourth diode 61 is to the sixth connector 57 and the fourth inductor 65 connected. On the sixth connector 57 opposite side is the fourth diode 61 to the second output port 17th connected.

Die dritte Induktivität 63 und die vierte Induktivität 65 sind miteinander gekoppelt. Die dritte Induktivität 63 und die vierte Induktivität 65 weisen gegensinnige Wicklungen auf. Ein Verhältnis von einer Windungszahl der dritten Induktivität 63 und einer Windungszahl der vierten Induktivität 65 ist eins. Neben der dritten Induktivität 63 ist eine dritte Streuinduktivität 69 der dritten Induktivität 63 und neben der vierten Induktivität 65 ist eine vierte Streuinduktivität 71 der vierten Induktivität 65 dargestellt. Die dritte Induktivität 63 ist auf der dem fünften Anschluss 55 gegenüberliegenden Seite mit dem ersten Ausgangsanschluss 15 verbunden. Ferner ist die vierte Induktivität 65 auf der dem sechsten Anschluss 57 gegenüberliegenden Seite ebenfalls mit dem ersten Ausgangsanschluss 15 verbunden. Der zweite Energiespeicher 67 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 15 und dem zweiten Ausgangsanschluss 17 verbunden.The third inductor 63 and the fourth inductor 65 are coupled with each other. The third inductor 63 and the fourth inductor 65 have opposite windings. A ratio of one number of turns of the third inductance 63 and a number of turns of the fourth inductance 65 is one. Next to the third inductor 63 is a third leakage inductance 69 the third inductance 63 and next to the fourth inductor 65 is a fourth leakage inductance 71 the fourth inductance 65 shown. The third inductor 63 is on the the fifth port 55 opposite side with the first output connection 15th connected. Furthermore, the fourth is inductance 65 on the the sixth connection 57 opposite side also with the first output connection 15th connected. The second energy storage 67 is with the first output port 15th and the second output terminal 17th connected.

2 zeigt ein Ersatzschaltbild der miteinander gekoppelten ersten Induktivität 31 und zweiten Induktivität 33 der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltwandlers 1 in 1. Die erste Streuinduktivität 35 der ersten Induktivität 31 und die zweite Streuinduktivität 37 der zweiten Induktivität 33 sind ebenfalls dargestellt. Der von der ersten Induktivität 31 bzw. zweiten Induktivität 33 erzeugte magnetische Fluss durchsetzt nicht vollständig die erste Induktivität 31 bzw. die zweite Induktivität 33. Der hierdurch entstehende Streufluss wird durch die erste Streuinduktivität 35 und die zweite Streuinduktivität 37 berücksichtig. Die erste Induktivität 31 und die zweite Induktivität 33 sind um einen ersten gemeinsamen Magnetkern 73 gewickelt. Außerdem ist eine weitere Induktivität 75 dargestellt, die berücksichtigt, dass wenn der elektrische Strom durch die erste Induktivität 31 null ist, die zweite Induktivität 33 einen geringen elektrischen Strom aufnehmen kann. 2 shows an equivalent circuit diagram of the first inductance coupled to one another 31 and second inductor 33 the embodiment of the switching converter according to the invention 1 in 1 . The first leakage inductance 35 the first inductance 31 and the second leakage inductance 37 the second inductor 33 are also shown. The one from the first inductor 31 or second inductance 33 The magnetic flux generated does not completely penetrate the first inductance 31 or the second inductance 33 . The resulting leakage flux is caused by the first leakage inductance 35 and the second leakage inductance 37 taken into account. The first inductor 31 and the second inductor 33 are around a first common magnetic core 73 wrapped. There is also another inductor 75 shown, which takes into account that when the electrical current through the first inductor 31 is zero, the second inductor 33 can absorb a small amount of electricity.

Der in 1 dargestellte Schaltwandler 1 kann in einem Verfahren zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung genutzt werden. Die Eingangsspannung wird an die erste Wandlerstufe 3 angelegt. Das erste Schaltelement 23 und das zweite Schaltelement 25 werden jeweils derart angesteuert, dass die erste Induktivität 31 und die zweite Induktivität 33 abwechselnd mit Energie versorgt werden. Von der ersten Wandlerstufe 3 wird eine erste Zwischenkreisspannung bereitgestellt, die an die zweite Wandlerstufe 5 angelegt wird. Die zweite Wandlerstufe 5 wird in Vollaussteuerung betrieben. Von der zweiten Wandlerstufe 5 wird eine zweite Zwischenkreisspannung bereitgestellt. Die zweite Zwischenkreisspannung wird von dem Leistungsübertrager 47 in eine dritte Zwischenkreisspannung gewandelt, sodass die dritte Induktivität 63 und die vierte Induktivität 65 in Abhängigkeit von der zweiten Zwischenkreisspannung mit Energie versorgt werden. Die Ausgangsspannung wird von der dritten Wandlerstufe 7 bereitgestellt. Das erste Schaltelement 23 und das zweite Schaltelement 25 werden jeweils in Abhängigkeit von der Ausgangspannung angesteuert.The in 1 Switching converter shown 1 can be used in a method for converting an input voltage into an output voltage. The input voltage is sent to the first converter stage 3 created. The first switching element 23 and the second switching element 25th are each controlled in such a way that the first inductance 31 and the second inductor 33 are alternately supplied with energy. From the first converter stage 3 a first intermediate circuit voltage is provided, which is applied to the second converter stage 5 is created. The second converter stage 5 is operated at full level. From the second converter stage 5 a second intermediate circuit voltage is provided. The second intermediate circuit voltage is supplied by the power transformer 47 converted into a third intermediate circuit voltage, so that the third inductance 63 and the fourth inductor 65 are supplied with energy as a function of the second intermediate circuit voltage. The output voltage is from the third converter stage 7th provided. The first switching element 23 and the second switching element 25th are controlled depending on the output voltage.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.It should also be noted that “having” does not exclude any other elements or steps and “a” or “an” does not exclude a plurality. It should also be pointed out that features that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features of other exemplary embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be regarded as a restriction.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: SchaltwandlerSwitching converter
33: erste Wandlerstufefirst converter stage
55: zweite Wandlerstufesecond converter stage
77th: dritte Wandlerstufethird converter stage
99: erster Eingangsanschlussfirst input port
1111: zweiter Eingangsanschlusssecond input port
1313: SpannungsquelleVoltage source
1515th: erster Ausgangsanschlussfirst output port
1717th: zweiter Ausgangsanschlusssecond output port
1919th: elektrischer Verbraucherelectrical consumer
2121st: erster Energiespeicherfirst energy storage
2323: erstes Schaltelementfirst switching element
2525th: zweites Schaltelementsecond switching element
2727: erste Diodefirst diode
2929: zweite Diodesecond diode
3131: erste Induktivitätfirst inductance
3333: zweite Induktivitätsecond inductor
3535: erste Streuinduktivitätfirst leakage inductance
3737: zweite Streuinduktivitätsecond leakage inductance
3939: erster Anschlussfirst connection
4141: zweiter Anschlusssecond connection
4343: dritter Anschlussthird connection
4545: vierter Anschlussfourth port
4747: LeistungsübertragerPower transformer
4949: InduktivitätInductance
5151: InduktivitätInductance
5353: dritter gemeinsamer Magnetkernthird common magnetic core
5555: fünfter Anschlussfifth port
5757: sechster Anschlusssixth connection
5959: dritte Diodethird diode
6161: vierte Diodefourth diode
6363: dritte Induktivitätthird inductance
6565: vierte Induktivitätfourth inductance
6767: zweiter Energiespeichersecond energy storage
6969: dritte Streuinduktivitätthird leakage inductance
7171: vierte Streuinduktivitätfourth leakage inductance
7373: erster gemeinsamer Magnetkernfirst common magnetic core
7575: weitere Induktivitätfurther inductance

Claims

Switching converter (1) for converting an input voltage into an output voltage having: a first converter stage (3) on the input voltage side, which has a first converter unit with a first switching element (23) and a first inductance (31) and a second converter unit with a second switching element (25) and a second inductance (33), wherein the first inductance (31) and the second inductance (33) are coupled to one another, a second converter stage (5) and connected to the first converter stage (3) a third converter stage (7) on the output voltage side connected to the second converter stage (5) and having a third inductance (63) and a fourth inductance (65), the third inductance (63) and the fourth inductance (65) being coupled to one another .

Switching converter (1) according to the preceding claim, wherein the first inductance (31) and the second inductance (33) have opposing windings.

Switching converter (1) according to one of the preceding claims, wherein the third inductance (63) and the fourth inductance (65) have windings in opposite directions.

Switching converter (1) according to one of the preceding claims, wherein a ratio of a number of turns of the first inductance (31) and a number of turns of the second inductance (33) is one.

Switching converter (1) according to one of the preceding claims, wherein a ratio of a number of turns of the third inductance (63) and a number of turns of the fourth inductance (65) is one.

Switching converter (1) according to one of the preceding claims, wherein the first converter unit has a first boost converter circuit and the second converter unit has a second boost converter circuit.

Switching converter (1) according to one of the Claims 1 to 5 wherein the first converter unit comprises a first buck converter circuit and the second converter unit comprises a second buck converter circuit.

Switching converter (1) according to one of the Claims 1 to 5 wherein the first converter unit has a first up / down converter circuit and the second converter unit has a second up / down converter circuit.

Switching converter (1) according to one of the preceding claims, wherein the second converter stage (5) has a full bridge circuit.

Switching converter (1) according to one of the Claims 1 to 8th , wherein the second converter stage (5) has a half-bridge circuit.

Switching converter (1) according to one of the preceding claims, wherein the second converter stage (5) and the third converter stage (7) are connected to one another by a power transformer (47).

Method for converting an input voltage into an output voltage with a switching converter (1) according to one of the preceding claims, wherein the input voltage is applied to the first converter stage (3), wherein the first switching element (23) and the second switching element (25) are each controlled in such a way that the first inductance (31) and the second inductance (33) are alternately supplied with energy, wherein a first intermediate circuit voltage is provided by the first converter stage (3) and is applied to the second converter stage (5), a second intermediate circuit voltage being provided by the second converter stage (5), wherein the third inductance (63) and the fourth inductance (65) are supplied with energy as a function of the second intermediate circuit voltage, the output voltage being provided by the third converter stage (7), wherein the first switching element (23) and the second switching element (25) are each controlled as a function of the output voltage.

Procedure according to Claim 12 , the second converter stage (5) being operated at full level.