DE102019211692A1 - Gleichspannungskonverter und Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungskonverters - Google Patents

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Christoph Kienzler
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Ansteuerverfahren für einen Gleichspannungskonverter, insbesondere einen Gleichspannungskonverter mit Phase-Shifted-Fullbridge-Topologie, wobei auch dann eine Energieübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite erfolgen kann, wenn die elektrische Spannung auf der Primärseite das Produkt aus elektrischer Spannung auf der Sekundärseite und Übertragungsverhältnis eines Transformators in dem Gleichspannungskonverter unterschreitet. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Kondensator auf der Primärseite des Gleichspannungskonverters auf ein sicheres, niedriges Spannungsniveau entladen werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungskonverter. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungskonverters.
  • Stand der Technik
  • Gleichspannungskonverter werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise kann mittels eines Gleichspannungskonverters elektrische Energie zwischen einem Hochvoltnetz und einen Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs übertragen werden. Hierzu kann eine an einem Eingangsanschluss eines Gleichspannungskonverters anliegende Gleichspannung mittels des Gleichspannungskonverters in eine weitere Gleichspannung konvertiert werden, wobei die Höhe der elektrischen Spannung am Eingang von der Höhe der elektrischen Spannung am Ausgang des Gleichspannungskonverters verschieden sein kann. Insbesondere sind beispielsweise sogenannte Phase-Shifted-Fullbridge-Topologien bekannt. Derartige Gleichspannungskonverter umfassen einen Transformator mit einem festen Übersetzungsverhältnis. Mittels eines einstellbaren Phasen-Shift ist dabei ein variables Einstellen der Ausgangsspannung möglich. Die Grenzen des Spannungsverhältnisses zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung werden dabei unter anderem durch das Übersetzungsverhältnis eines Transformators in dem Gleichspannungskonverter limitiert.
  • Die Druckschrift DE 10 2016 200 662 A1 beschreibt einen bidirektionalen Gleichspannungswandler zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs. Durch Betrieb des Gleichspannungswandlers in Rückwärtsrichtung kann dabei ein Zwischenkreiskondensator auf der Primärseite des Gleichspannungswandlers durch die Energie auf der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers aufgeladen werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung offenbart einen Gleichspannungswandler und ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Demgemäß ist vorgesehen:
    • Ein Gleichspannungskonverter mit einem ersten Transformator, einer ersten Vollbrückenschaltung, einer zweiten Vollbrückenschaltung und einem zweiten Transformator. Die erste Vollbrückenschaltung ist elektrisch zwischen einem ersten Anschluss des Gleichspannungskonverters und einer Primärseite des ersten Transformators angeordnet. Die zweite Vollbrückenschaltung ist elektrisch zwischen einem zweiten Anschluss des Gleichspannungskonverters und einer Sekundärseite des ersten Transformators angeordnet. Eine Primärseite des zweiten Transformators ist elektrisch zwischen der zweiten Vollbrückenschaltung und einem ersten Anschlusselement des zweiten Anschlusses des Gleichspannungskonverters angeordnet. Weiterhin ist eine Serienschaltung aus der Sekundärseite des Transformators, einem ersten Schaltelement und einer ersten Diode vorgesehen. Diese Serienschaltung ist elektrisch zwischen dem ersten Anschlusselement des zweiten Anschlusses des Gleichspannungskonverters und einem zweiten Anschlusselement des zweiten Anschlusses des Gleichspannungskonverters angeordnet. Insbesondere ist dabei die erste Diode zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement des zweiten Anschlusses des Gleichspannungskonverters in Durchlassrichtung angeordnet. Mit anderen Worten, eine Anode der ersten Diode weist in Richtung des Anschlusselementes mit der positiven Polarität, und eine Kathode der Diode weist in Richtung des Anschlusselementes des zweiten Anschlusses mit der negativen Polarität.
  • Weiterhin ist vorgesehen:
    • Ein Verfahren zum Ansteuern eines Phase-Shifted-Fullbridge-Gleichspannungskonverters, mit einem Schritt zum Aufladen einer Sekundärseite eines Transformators, wobei der Transformator als Serieninduktivität ausgangsseitig an dem Gleichspannungskonverter angeordnet ist. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Entladen der in der Sekundärseite des Transformators gespeicherten elektrischen Energie über die Primärseite des Transformators.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Spannungsbereich, in welchem Gleichspannungswandler, insbesondere Gleichspannungswandler mit einer Phase-Shifted-Fullbridge-Topologie, in Regel nur eine Energieübertragung innerhalb eines beschränkten Spannungsbereiches ermöglichen. Dieser Spannungsbereich ist insbesondere bei Phase-Shifted-Fullbridge-Gleichspannungswandlern durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators zwischen Primärseite und Sekundärseite limitiert. Bei einem Übersetzungsverhältnis zwischen Primärseite und Sekundärseite von N muss dabei die Spannung auf der Primärseite größer sein als das Produkt aus Übersetzungsverhältnis N und der Spannung auf der Sekundärseite.
  • Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine erweiterte Topologie für einen Phase-Shifted-Fullbridge-Gleichspannungskonverter vorzusehen, welche auch jenseits der oben genannten Limitierung eine Energieübertragung von Primärseite zu Sekundärseite ermöglicht. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Topologie auch eine Energieübertragung von Primärseite zu Sekundärseite, wenn die Eingangsspannung auf der Primärseite kleiner ist als die oben genannte Grenze aus dem Produkt von Übersetzungsverhältnis und Sekundärspannung.
  • Hierzu ist anstelle einer einfachen Serieninduktivität auf der Sekundärseite ein Transformator vorgesehen. Dabei kann, analog zu einer konventionellen Serieninduktivität, die Primärseite des zusätzlichen Transformators zwischen sekundärseitiger Vollbrücke und einem Ausgangsanschluss des Gleichspannungskonverters geschaltet werden. Zusätzlich bildet die Sekundärseite des zusätzlichen Transformators gemeinsam mit einem Schaltelement und einer in Durchlassrichtung angeordneten Diode eine Serienschaltung zwischen dem positiven und negativen Anschluss der Sekundärseite des Gleichspannungskonverters. Durch Schließen des Schaltelements kann die Sekundärseite des zusätzlichen Transformators aufgeladen werden. Durch Öffnen des Schaltelements wird die Energie von der Sekundärseite des zusätzlichen Transformators auf die Primärseite übertragen und ermöglicht dabei eine Energieübertragung durch den Gleichspannungskonverter von der Primärseite zu der Sekundärseite, selbst dann, wenn die elektrische Spannung auf der Primärseite unter die oben angeführte Limitierung fällt.
  • Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, einen primärseitigen Kondensator, wie zum Beispiel einen Zwischenkreiskondensator, auf ein sicheres Spannungsniveau zu entladen. Somit kann eine zusätzliche Entladeschaltung für einen solchen Zwischenkreiskondensator entfallen.
  • Durch die Entladung eines Zwischenkreiskondensators entsprechend der erfindungsgemäßen Topologie kann somit der Aufwand und damit auch die Kosten für eine zusätzliche Ladespannung eingespart werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die in dem Zwischenkreiskondensator gespeicherte elektrische Energie zumindest teilweise auf die Sekundärseite des Gleichspannungswandlers zu übertragen. Die Energie aus dem Zwischenkreiskondensator geht somit nicht vollständig verloren, sondern kann zumindest teilweise auf der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers genutzt werden. Somit steigt auch die Effizienz des Gesamtsystems.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist parallel zu dem ersten Schaltelement eine zweite Diode angeordnet. Die zweite Diode ist insbesondere antiparallel zu der ersten Diode angeordnet. Mit anderen Worten, die Kathode der zweiten Diode weist in Richtung des positiven Anschlusselementes des zweiten Anschlusses des Gleichspannungswandlers. Beispielsweise kann es sich bei der zweiten Diode um eine sogenannte Body-Diode des ersten Schaltelements handeln.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist parallel zu der zweiten Diode ein zweites Schaltelement angeordnet. Auf diese Weise kann die Funktionalität des Gleichspannungskonverters noch zusätzlich erhöht werden. Beispielsweise kann durch geeignetes Ansteuern des zweiten Schaltelements auch ein Energiefluss in Rückwärtsrichtung, das heißt von der Sekundärseite zur Primärseite des Gleichspannungskonverters realisiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Anschluss des Gleichspannungskonverters dazu ausgelegt, mit einer ersten Spannungsquelle elektrisch gekoppelt zu werden, und der zweite Anschluss des Gleichspannungskonverters ist dazu ausgelegt, mit einer zweiten Spannungsquelle elektrisch gekoppelt zu werden. Insbesondere kann die elektrische Spannung der ersten Spannungsquelle, das heißt am ersten Eingangsanschluss, größer sein als die elektrische Spannung der zweiten Spannungsquelle am zweiten Anschluss des Gleichspannungskonverters. Beispielsweise kann der erste Anschluss des Gleichspannungskonverters mit einem Hochvoltnetz, wie zum Beispiel dem Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs, gekoppelt werden. In diesem Fall kann der zweite Anschluss des Gleichspannungskonverters beispielsweise mit einem Niedervoltnetz, insbesondere einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs gekoppelt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Gleichspannungskonverter dazu ausgelegt, elektrische Energie von dem ersten Anschluss des Gleichspannungskonverters in Richtung des zweiten Anschlusses des Gleichspannungskonverters zu übertragen. Insbesondere kann der Gleichspannungskonverter dazu ausgelegt sein, auch elektrische Energie von dem ersten Anschluss zu dem zweiten Anschluss zu übertragen, wenn elektrische Spannung am ersten Anschluss des Gleichspannungskonverters kleiner ist als das Produkt aus einem Übertragungsverhältnis des ersten Transformators und der elektrischen Spannung am zweiten Anschluss des Gleichspannungskonverters.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Anschluss des Gleichspannungskonverters dazu ausgelegt, mit einem Zwischenkreiskondensator gekoppelt zu werden. Dabei kann der Gleichspannungskonverter dazu ausgelegt sein, den Zwischenkreiskondensator zu entladen. Insbesondere kann der Gleichspannungskonverter dazu ausgelegt sein, den Zwischenkreiskondensator unterhalb einer vorbestimmten elektrischen Spannungsschwelle zu entladen. Auf diese Weise kann der Zwischenkreiskondensator auf ein sicheres und ungefährliches Spannungsniveau entladen werden. Dabei können zusätzliche Entladeschaltungen entfallen. Der Zwischenkreiskondensator hierbei insbesondere auf eine elektrische Spannung entladen werden, welche kleiner ist als das Produkt aus Übersetzungsverhältnis des ersten Transformators und Spannung am zweiten Anschluss des Gleichspannungskonverters.
  • Zusätzlich oder alternativ kann der Gleichspannungskonverter dazu ausgelegt sein, eine Last an der Sekundärseite des Gleichspannungskonverters (1) über die Energie auf der Primärseite zu versorgen, selbst wenn die Spannung der Primärseite kleiner ist als eine vorbestimmte Minimalspannung. Die vorbestimmte Minimalspannung wird hierbei durch ein Übersetzungsverhältnis des Transformators vorgegeben. Insbesondere kann sich die Minimalspannung aus dem Produkt der elektrischen Spannung auf der Sekundärseite und dem Übersetzungsverhältnis des Transformators ergeben.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite Vollbrückenschaltung zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen. Darüber hinaus kann auch die erste Vollbrückenschaltung zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen umfassen. Der Gleichspannungskonverter kann hierbei dazu ausgelegt sein, die Schaltelemente der ersten Vollbrückenschaltung, der zweiten Vollbrückenschaltung sowie des ersten und gegebenenfalls auch des zweiten Schaltelementes anzusteuern. Insbesondere kann die Ansteuerung der Schaltelemente beispielsweise mittels einer geeigneten Steuereinrichtung erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Gleichspannungskonverter, insbesondere die Steuereinrichtung des Gleichspannungskonverters dazu ausgelegt sein, in einem ersten Schaltintervall das erste Schaltelement zu schließen und die Schaltelemente der ersten Vollbrückenschaltung zu öffnen. Darüber hinaus können in einem zweiten Schaltintervall das erste Schaltelement geöffnet werden und jeweils zwei Schaltelemente in einem Diagonalpfad der ersten Vollbrückenschaltung geschlossen werden. Auf diese Weise kann während des ersten Schaltintervalls die Sekundärseite des zweiten Transformators geladen werden. Im zweiten Schaltintervall kann daraufhin die elektrische Energie von der Sekundärseite zur Primärseite des zweiten Transformators übertragen werden. Auf diese Weise kann von der Primärseite des Gleichspannungswandlers zur Sekundärseite des Gleichspannungswandlers selbst dann Energie übertragen werden, wenn die elektrische Spannung auf der Primärseite des Gleichspannungswandlers unterhalb dem Produkt aus Übertragungsverhältnis und Spannung auf der Sekundärseite sinkt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Gleichspannungswandler, insbesondere die Steuereinrichtung des Gleichspannungswandlers dazu ausgelegt sein, in zwei aufeinanderfolgenden zweiten Schaltintervallen jeweils abwechselnd die Schaltelemente unterschiedlicher Diagonalpfaden in der ersten Vollbrückenschaltung zu öffnen und zu schließen. Auf diese Weise kann eine symmetrische Ansteuerung des Gleichspannungswandlers und der Schaltelemente in dem Gleichspannungswandler erfolgen.
  • Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
  • Figurenliste
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform;
    • 2: eine schematische Darstellung eines Zeitdiagramms für die Schaltzustände sowie die Spannungs- und Stromverläufe in einem Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform; und
    • 3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds, wie es einem Gleichspannungswandler 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Der Gleichspannungswandler 1 umfasst beispielsweise einen ersten Anschluss A1 mit einem ersten Anschlusselement A1-1 und einem zweiten Anschlusselement A1-2. An diesem ersten Anschluss A1 kann der Gleichspannungswandler 1 beispielsweise mit einer Spannungsquelle, wie zum Beispiel einem Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs elektrisch gekoppelt werden. Der erste Anschluss A1 kann beispielsweise mittels eines geeigneten Trennschalters mit der Spannungsquelle verbunden oder von der Spannungsquelle getrennt werden. Darüber hinaus kann beispielsweise zwischen den beiden Anschlusselementen A1-1 und A1-2 ein Kondensator, wie zum Beispiel ein Zwischenkreiskondensator CZ, angeordnet sein.
  • Weiterhin umfasst der Gleichspannungskonverter 1 einen zweiten Anschluss A2, welcher ebenfalls ein erstes Anschlusselement A2-1 und ein zweites Anschlusselement A2-2 aufweist. An diesem zweiten Anschluss A2 kann der Gleichspannungskonverter 1 mit einer weiteren Spannungsquelle, beispielsweise einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs oder ähnlichem elektrisch gekoppelt sein. Ebenfalls kann zwischen dem ersten Anschlusselement A2-1 und dem zweiten Anschlusselement A2-2 ein Kondensator C vorgesehen sein.
  • Darüber hinaus umfasst der Gleichspannungskonverter 1 eine erste Vollbrückenschaltung 10. Die erste Vollbrückenschaltung 10 umfasst zwei Halbbrücken. Die erste Halbbrücke umfasst hierbei eine Serienschaltung aus zwei Schaltelementen 11 und 12, und die zweite Halbbrücke umfasst eine Serienschaltung aus den beiden Schaltelementen 13 und 14. Ferner umfasst der Gleichspannungskonverter 1 eine zweite Vollbrückenschaltung 20. Die zweite Vollbrückenschaltung 20 kann ebenfalls zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen 21-24 umfassen. Zwischen der ersten Vollbrückenschaltung 10 und der zweiten Vollbrückenschaltung 20 ist ein erster Transformator T1 vorgesehen. Die Primärseite des ersten Transformators T1 ist an einem Anschluss mit einem ersten Knotenpunkt der ersten Halbbrücke der ersten Vollbrückenschaltung 10 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Primärseite des ersten Transformators T1 ist mit einem weiteren Knotenpunkt der zweiten Halbbrücke der ersten Vollbrückenschaltung 10 verbunden. Analog ist ein erster Anschluss der Sekundärseite des ersten Transformators T1 mit einem Knotenpunkt der ersten Halbbrücke der zweiten Vollbrückenschaltung 20 verbunden, und ein zweiter Anschluss der Sekundärseite des ersten Transformators T1 ist mit einem weiteren Knotenpunkt der zweiten Halbbrücke der zweiten Vollbrückenschaltung 20 verbunden.
  • Das Windungsverhältnis zwischen Primärseite und Sekundärseite des ersten Transformators T1 beträgt hierbei beispielsweise N. Entsprechend kann ohne zusätzlichen Aufwand mittels einer bis hierher beschriebenen Schaltungsanordnung solange elektrische Energie von dem ersten Anschluss A1 zu dem zweiten Anschluss A2 übertragen werden, solange die elektrische Spannung U_prim am ersten Anschluss A1 mindestens das Produkt aus Übertragungsverhältnis N und der elektrischen Spannung U1_sek am zweiten Ausgangsanschluss A2 entspricht.
  • Die zweite Vollbrückenschaltung 20 ist weiterhin mit dem zweiten Anschluss A2 des Gleichspannungskonverters 1 gekoppelt. Dabei ist ein Anschlusselement, beispielsweise das zweite Anschlusselement A2-2, direkt mit der zweiten Vollbrückenschaltung 20 verbunden. Zwischen dem anderen Anschlusselement, beispielsweise dem ersten Anschlusselement A2-1 des zweiten Anschlusses A2 und der zweiten Vollbrückenschaltung 20 ist eine Serieninduktivität vorgesehen. Diese Serieninduktivität kann beispielsweise mittels eines zweiten Transformators T2 realisiert werden. Dabei ist eine Primärseite des zweiten Transformators T2 zwischen der zweiten Vollbrückenschaltung 20 und dem ersten Anschlusselement A2-1 des zweiten Anschlusses A2 angeordnet. Darüber hinaus bildet die Sekundärseite des zweiten Transformators T2 gemeinsam mit einem ersten Schaltelement S1 und einer ersten Diode D1 eine Serienschaltung, die zwischen dem ersten Anschlusselement A2-1 und dem zweiten Anschlusselement A2-2 des zweiten Anschlusses A2 angeordnet ist. Dabei ist die erste Diode D1 in Durchlassrichtung angeordnet, das heißt die Kathode der ersten Diode D1 weist in Richtung der negativen Polarität, und die Anode der ersten Diode D1 weist in Richtung der positiven Polarität. Insbesondere ist das erste Schaltelement S1 zwischen dem ersten Anschlusselement A2-1 des zweiten Anschlusses und einem ersten Anschluss der Sekundärseite des zweiten Transformators T2 angeordnet und die erste Diode D1 zwischen dem zweiten Anschlusselement A2-2 des zweiten Anschlusses A2 und einem zweiten Anschluss der Sekundärseite des zweiten Transformators T2 angeordnet.
  • Ferner kann parallel zu dem ersten Schaltelement S1 eine zweite Diode D2 vorgesehen sein. Diese zweite Diode D2 kann antiparallel zu der ersten Diode D1 angeordnet sein, das heißt die zweite Diode D2 ist in Sperrrichtung angeordnet, so dass die Kathode der zweiten Diode D2 in Richtung der positiven Polarität am zweiten Anschluss A2 weist. Ferner kann parallel zu der ersten Diode D1 ein zweites Schaltelement S2 vorgesehen sein.
  • Die Schaltelemente 21-24 der zweiten Vollbrücke 20 sowie das erste Schaltelement S1 und gegebenenfalls auch die Schaltelemente 11-14 der ersten Vollbrücke 10 und/oder das zweite Schaltelement S2 können beispielsweise mittels einer geeigneten Steuereinrichtung 30 gesteuert werden. Das Prinzip und die Schaltfolge, in welcher die einzelnen Schaltelemente hierbei angesteuert werden, wird nachfolgend noch näher erläutert. Insbesondere kann durch gezieltes Ansteuern des ersten Schaltelements S1 durch die zuvor beschriebene Schaltungsanordnung auch dann eine Energieübertragung erfolgen, wenn am ersten Anschluss A1 auf der Primärseite eine elektrische Spannung U_prim anliegt, welche kleiner ist als das Produkt aus Übersetzungsverhältnis N des Transformators und der Spannung U1_sek am zweiten Anschluss A2 des Gleichspannungskonverters 1.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung der Schaltmuster und Spannungs-/ Stromverläufe eines Ansteuerverfahrens des Gleichspannungskonverters 1 gemäß einer Ausführungsform. Mit dem nachfolgend beschriebenen Ansteuerverfahren ist es insbesondere möglich, selbst dann elektrische Energie von der Primärseite des Gleichspannungskonverters 1 auf die Sekundärseite des Gleichspannungskonverters 1 zu übertragen, wenn die elektrische Spannung auf der Primärseite kleiner ist als das Produkt aus Übertragungsverhältnis N des Transformators und elektrischer Spannung auf der Sekundärseite des Gleichspannungskonverters 1.
  • In einem ersten Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t0 und t1 sind die Schaltelemente 21-24 der zweiten Vollbrücke 20 sowie gegebenenfalls auch die Schaltelemente 11-14 der ersten Vollbrücke 10 geöffnet. Weiterhin ist das erste Schaltelement S1 geschlossen. Somit fließt durch das erste Schaltelement S1, die Sekundärseite des zweiten Transformators T2 und die erste Diode D1 ein elektrischer Strom 12_sek mit zunächst ansteigender Stromstärke.
  • Zum Zeitpunkt t1 wird das erste Schaltelement S1 geöffnet. Weiterhin werden in der ersten Vollbrückenschaltung 10 die Schaltelemente 11 und 14 eines Diagonalzweigs geschlossen. Dabei überträgt sich die Energie aus der Sekundärseite des zweiten Transformators T2 auf die Primärseite des zweiten Transformators T2 und es fließt ein elektrischer Strom durch die Sekundärseite des ersten Transformators T1. Die hierbei über der Sekundärseite des ersten Transformators anliegende elektrische Spannung U1_sek führt zu einer Energieübertragung von der Primärseite des Gleichspannungskonverters 1 zur Sekundärseite. Gegebenenfalls können hierzu die entsprechenden Schaltelemente 21 und 24 der zweiten Vollbrückenschaltung 20 aktiv angesteuert werden. Alternativ kann der elektrische Strom auch durch die parallelen Body-Dioden fließen.
  • Zum Zeitpunkt t2 werden die Schaltelemente 11-14 der ersten Vollbrückenschaltung 10 und gegebenenfalls die Schaltelemente 21-24 der zweiten Vollbrückenschaltung 20 geöffnet. Weiterhin wird das erste Schaltelement S1 geschlossen und es erfolgt ein erneuter Stromfluss durch die Sekundärseite des zweiten Transformators T2. Zum Zeitpunkt t3 wird das erste Schaltelement S1 erneut geöffnet. Ferner erfolgt zum Zeitpunkt t3 das Schließen der Schaltelemente 12 und 13 in dem zweiten Diagonalzweig der ersten Vollbrückenschaltung 10. Somit wird die Sekundärseite des zweiten Transformators T2 wieder über die Primärseite des zweiten Transformators T2 entladen und es liegt nun über der Sekundärseite des ersten Transformators T1 eine elektrische Spannung U1_sek mit umgekehrter Polarität an. Dabei erfolgt in diesem Zeitintervall ebenfalls eine Energieübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zur Energieübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In einem ersten Schritt 110 erfolgt das Aufladen der Sekundärseite des zweiten Transformators T2 durch Schließen des ersten Schaltelementes S1. Danach erfolgt in einem Schritt 120 das Entladen der Sekundärseite des zweiten Transformators durch Öffnen des ersten Schaltelementes und Schließen der Schaltelemente in einem Diagonalzweig der ersten Vollbrückenschaltung 10. In Schritt 130 erfolgt ein erneutes Aufladen der Sekundärseite des zweiten Transformators T2 durch Schließen des ersten Schaltelements S1. Schließlich erfolgt in Schritt 140 wiederum ein Entladen der Sekundärseite des zweiten Transformators T2, wobei das erste Schaltelement S1 wieder geöffnet ist. Dabei sind die Schaltelemente im zweiten Diagonalzweig der ersten Vollbrückenschaltung 10 geschlossen. Hierbei kann während der Schritte 120 und 140 eine Energieübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite des Gleichspannungskonverters 1 erfolgen. Die Energieübertragung kann insbesondere auch dann erfolgen, wenn die elektrische Spannung am ersten Anschluss A1 auf der Primärseite kleiner ist als das Produkt aus Übertragungsverhältnis und elektrischer Spannung am zweiten Anschluss auf der Sekundärseite des Gleichspannungskonverters 1.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung und ein Ansteuerverfahren für einen Gleichspannungskonverter, insbesondere einen Gleichspannungskonverter mit Phase-Shifted-Fullbridge-Topologie, wobei auch dann eine Energieübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite erfolgen kann, wenn die elektrische Spannung auf der Primärseite das Produkt aus elektrischer Spannung auf der Sekundärseite und Übertragungsverhältnis eines Transformators in dem Gleichspannungskonverter unterschreitet. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Kondensator auf der Primärseite des Gleichspannungskonverters auf ein sicheres, niedriges Spannungsniveau entladen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016200662 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Gleichspannungskonverter (1), mit: einem ersten Transformator (T1), einer ersten Vollbrückenschaltung (10), die elektrisch zwischen einem ersten Anschluss (A1) des Gleichspannungskonverters (1) und einer Primärseite des ersten Transformators (T1) angeordnet ist; einer zweiten Vollbrückenschaltung (20) die elektrisch zwischen einem zweiten Anschluss (A2) des Gleichspannungskonverters (1) und einer Sekundärseite des ersten Transformators (T1) angeordnet ist; einem zweiten Transformator (T2), wobei eine Primärseite des zweiten Transformators (T2) elektrischen zwischen der zweiten Vollbrückenschaltung (20) und einem ersten Anschlusselement (A2-1) des zweiten Anschluss (A2) des Gleichspannungskonverters (1) angeordnet ist, und wobei eine Serienschaltung aus der Sekundärseite des zweiten Transformators (T2), einem ersten Schaltelement (S1) und einer ersten Diode (D1) zwischen dem ersten Anschlusselement (A2-1) und einem zweiten Anschlusselement (A2-2) des zweiten Anschluss (A2) des Gleichspannungskonverters (1) angeordnet ist, und wobei die erste Diode (D1) zwischen dem ersten Anschlusselement (A2-1) und dem zweiten Anschlusselement (A2-2) des zweiten Anschluss (A2) des Gleichspannungskonverters (1) in Durchlassrichtung angeordnet ist.
  2. Gleichspannungskonverter (1) nach Anspruch 1, wobei parallel zu dem ersten Schaltelement (S1) eine zweite Diode (D2) angeordnet ist, und wobei die zweite Diode (D2) antiparallel zu der ersten Diode (D1) angeordnet ist.
  3. Gleichspannungskonverter (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei parallel zu der ersten Diode (D1) ein zweites Schaltelement (S2) angeordnet ist.
  4. Gleichspannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Anschluss (A1) des Gleichspannungskonverters (1) dazu ausgelegt ist, mit einer ersten Spannungsquelle elektrisch gekoppelt zu werden, der zweite Anschluss (A2) des Gleichspannungskonverters (1) dazu ausgelegt ist, mit einer zweiten Spannungsquelle elektrisch gekoppelt zu werden, und wobei eine elektrische Spannung der ersten Spannungsquelle größer ist als eine elektrische Spannung der zweiten Spannungsquelle.
  5. Gleichspannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichspannungskonverter (1) dazu ausgelegt ist, elektrische Energie von dem ersten Anschluss (A1) des Gleichspannungskonverters (1) in Richtung des zweiten Anschlusses (A2) des Gleichspannungskonverters (1) übertragen.
  6. Gleichspannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Anschluss (A1) des Gleichspannungskonverters (1) dazu ausgelegt ist, mit einem Zwischenkreiskondensator (CZ) gekoppelt zu werden, und wobei der Gleichspannungskonverter (1) dazu ausgelegt ist, den Zwischenkreiskondensators (CZ) unterhalb einer vorbestimmten elektrischen Spannung zu entladen und/oder eine Last an der Sekundärseite des Gleichspannungskonverters (1) über die Energie auf der Primärseite zu versorgen, auch wenn die Spannung der Primärseite kleiner ist als eine vorbestimmte Minimalspannung, wobei die vorbestimmte Minimalspannung durch ein Übersetzungsverhältnis des Transformators (T1) vorgegeben ist.
  7. Gleichspannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Vollbrückenschaltung (10) zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen (11-14) umfasst, und wobei die zweite Vollbrückenschaltung (20) zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Schaltelementen (21-24) umfasst; und wobei der Gleichspannungskonverter (1) ferner eine Steuereinrichtung (30) umfasst, die dazu ausgelegt ist, die Schaltelemente (11-14) der ersten Vollbrückenschaltung (10), die Schaltelemente (21-24) der zweiten Vollbrückenschaltung (20) und das erste Schaltelement (S1) anzusteuern.
  8. Gleichspannungskonverter (1) nach Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung (30) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Schaltelementintervall das erste Schaltelement (S1) zu schließen und die Schaltelemente (11-14) der ersten Vollbrückenschaltung zu öffnen, und in einem zweiten Schaltelementintervall das erste Schaltelement (S1) zu öffnen und jeweils die ersten Schaltelemente in einem Diagonalpfad der ersten Vollbrückenschaltung (10) zu schließen.
  9. Gleichspannungskonverter (1) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung (30) dazu ausgelegt ist, in zwei aufeinanderfolgenden zweiten Schalterintervallen jeweils abwechselnd die Schaltelemente (11-14) unterschiedlicher Diagonalpfade in der ersten Vollbrückenschaltung (10) abwechselnd zu öffnen und zu schließen.
  10. Verfahren (100) zum Ansteuern eines Phase-Shifted-Fullbridge-Gleichspannungskonverters, mit den Schritten: Aufladen (110) einer Sekundärseite eines Transformators (T2), der als Serieninduktivität ausgangsseitig an dem Gleichspannungskonverter angeordnet ist; und Entladen (120) der in der Sekundärseite des Transformators (T2) gespeicherten elektrischen Energie über die Primärseite des Transformators (T2).
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