DE102020204062A1 - Sperrwandler - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Sperrwandler offenbart, wobei der Wandler einen Gleichstromeingang, mindestens einen Gleichstromausgang und eine Sperrwandler-Steuerschaltung enthält, wobei der Sperrwandler ferner Folgendes aufweist: eine erste Reglerschaltung, die mit dem Gleichstromeingang gekoppelt ist, wobei die erste Reglerschaltung die Sperrwandler-Steuerschaltung mit Strom versorgt, bis die Sperrwandler-Steuerschaltung vollständig aktiviert ist; eine zweite Reglerschaltung, die mit der ersten Reglerschaltung gekoppelt ist, wobei die zweite Reglerschaltung die Sperrwandler-Steuerschaltung mit Strom versorgt, nachdem die Sperrwandler-Steuerschaltung vollständig aktiviert ist, wobei die erste Reglerschaltung inaktiviert wird, wenn die Sperrwandler-Steuerschaltung von der zweiten Reglerschaltung mit Strom versorgt wird; eine Schaltvorrichtung, die mit der Sperrwandler-Steuerschaltung gekoppelt ist, und einen Transformator, der zwischen dem Gleichstromeingang und dem Gleichstromausgang geschaltet und mit der Schaltvorrichtung gekoppelt ist.

Description

  • GEBIET DER TECHNIK
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Leistungselektronik und insbesondere einen Sperrwandler.
  • HINTERGRUND
  • Fahrzeuge, die ganz oder teilweise von Elektromotoren angetrieben werden, werden immer beliebter. Im aktuellen Stromverteilungssystem von Elektrofahrzeugen [„electric vehicles“] (xEV), wie beispielsweise batterieelektrischen Fahrzeugen [„Battery Electric Vehicle“] (BEV), Hybrid-Elektrofahrzeugen [Hybrid Electric Vehicle (HEV)], Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen [„Plug-in Hybrid Electric Vehicle“] (PHEV) und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen [„Fuel Cell Electric Vehicle“] (FCEV), werden Sperrwandler weithin eingesetzt, um eine Eingangsspannung, die beispielsweise von einer Batterie in den Fahrzeugen (normalerweise eine Hochspannungsbatterie (beispielsweise 300 V oder 600 V) oder einer zusätzlichen Bleibatterie (beispielsweise 12/24 V)) geliefert wird, auf einen optimalen Spannungspegel, der kleiner als der Eingangspegel ist, zu wandeln. Ein herkömmlicher Sperrwandler umfasst einen Transformator mit einer Primärseite und einer gegenüber der Primärseite isolierten Sekundärseite, sowie eine Sperrwandler-Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten einer Schaltvorrichtung (beispielsweise eines MOSFET), um Energie von der Primärseite zur Sekundärseite zu übertragen. Herkömmlicher Weise wird zur Stromversorgung der Sperrwandler-Steuerschaltung eine Reglerschaltung verwendet, je höher jedoch die Eingangsspannung wird (beispielsweise 300 V oder 600 V, über 60 V), desto größer ist in Relation die Reglerschaltung (üblicherweise ein Widerstandsspannungsteiler) und desto größer ist der Leistungsverlust, den sie bei der Übertragung verursacht.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, einen kompakten Sperrwandler mit geringerem Leistungsverlust bereitzustellen. Der Sperrwandler enthält einen Gleichstromeingang, mindestens einen Gleichstromausgang und eine Sperrwandler-Steuerschaltung, wobei der Sperrwandler ferner Folgendes aufweist: eine erste Reglerschaltung, die mit dem Gleichstromeingang gekoppelt ist, wobei die erste Reglerschaltung die Sperrwandler-Steuerschaltung mit Strom versorgt, bis die Sperrwandler-Steuerschaltung vollständig aktiviert ist, eine zweite Reglerschaltung, die mit der ersten Reglerschaltung gekoppelt ist, wobei die zweite Reglerschaltung die Sperrwandler-Steuerschaltung mit Strom versorgt, nachdem die Sperrwandler-Steuerschaltung vollständig aktiviert ist, wobei die erste Reglerschaltung inaktiviert wird, wenn die Sperrwandler-Steuerschaltung von der zweiten Reglerschaltung mit Strom versorgt wird, eine Schaltvorrichtung, die mit der Sperrwandler-Steuerschaltung gekoppelt ist, und einen Transformator, der zwischen den Gleichstromeingang und den Gleichstromausgang geschaltet und mit der Schaltvorrichtung gekoppelt ist.
  • Bei dieser Ausgestaltung können die Reglerschaltungen, welche die Sperrwandler-Steuerschaltung mit Strom versorgen, auch bei Anliegen einer höheren Eingangsspannung absolut kompakt und effizient bleiben und außerdem kann die Ausgangsschaltung leicht von der Umgebung isoliert werden, da sie mit einer Sekundärwicklung eines Transformators verbunden ist, und die Anzahl der Komponenten kann ebenfalls vorteilhaft klein sein.
  • Figurenliste
    • Die 1 zeigt schematisch einen Sperrwandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Die 2 zeigt eine Dämpfungsschaltung des Sperrwandlers der 1, die auf andere Weise mit einer Schaltvorrichtung und einer Primärwicklung gekoppelt ist.
    • Die 3 zeigt schematisch einen Ein-Zustand einer Sperrwandlertopologie.
    • Die 4 zeigt schematisch einen Aus-Zustand der Sperrwandlertopologie.
    • Die 5 zeigt schematisch einen Sperrwandler gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Die 6 zeigt schematisch einen Sperrwandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Anzahl der Sekundärwicklungen mehr als zwei beträgt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Bezug auf die 1 bis 4 nehmend wird nunmehr ein Sperrwandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich dargestellt. Der Sperrwandler wird in xEV eingesetzt und führt vorgegebene Spannungsumwandlungen durch. Der Sperrwandler enthält einen Gleichstromeingang, einen Gleichstromausgang, eine Sperrwandler-Steuerschaltung 100 und eine Schaltvorrichtung S1 (üblicherweise ein MOSFET). Der Gleichstromeingang ist mit einem Hochspannungsnetz, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, deren Spannung höher als 60 V ist, gekoppelt, und der Gleichstromausgang ist mit einem Niederspannungsnetz gekoppelt, das elektrische Module eines Fahrzeugs, wie beispielsweise eine Klimaanlage, ein elektrisches Servolenksystem etc. mit Strom versorgt. Die Niederspannung ist niedriger als 60 V, üblicherweise 12 V oder 24 V. In diesem Fall werden Spannungen von mehr als 60 V als Hochspannung bezeichnet, während Spannungen von weniger als 60 V als Niederspannung bezeichnet werden - in Übereinstimmung mit dem (in einer Fahrzeugsicherheitsvorschrift spezifizierten) typischen Fall, dass eine Schaltung mit mehr als 60 V von derjenigen mit weniger als 60 V elektrisch isoliert sein muss - es versteht sich jedoch, dass auch andere Spannungswerte als Hoch- bzw. Niederspannung zum Einsatz kommen können.
  • Bezug nehmend auf die 1 weist der Sperrwandler ferner eine erste Reglerschaltung 201 auf, die mit dem Gleichstromeingang gekoppelt ist, und eine zweite Reglerschaltung 202, die mit der ersten Reglerschaltung 201 gekoppelt ist, sowie einen Transformator 300, der zwischen den Gleichstromeingang und den Gleichstromausgang gekoppelt und mit der Schaltvorrichtung S1 gekoppelt ist. Der Transformator weist eine Primärwicklung Lp auf, die sowohl mit der Schaltvorrichtung S1 als auch mit dem Gleichstromeingang gekoppelt ist, und eine Tertiärwicklung Lcc, die mit der zweiten Reglerschaltung 202 gekoppelt ist. Das mit Polaritätsmarkierung gekennzeichnete Ende der Primärwicklung Lp ist mit der ersten Reglerschaltung 201 gekoppelt und das andere Ende der Primärwicklung Lp ist durch die Schaltvorrichtung S1 geerdet. Eine erste Diode D1 und ein erster Kondensator C1 sind mit der Tertiärwicklung Lcc gekoppelt. Insbesondere ist ein Ende des ersten Kondensators C1 geerdet und mit dem mit Polaritätsmarkierung gekennzeichneten Ende der tertiären Wicklung Lcc gekoppelt, während das andere Ende der tertiären Wicklung Lcc mit der Anode der ersten Diode D1 gekoppelt ist und die Kathode der ersten Diode D1 mit dem anderen Ende des ersten Kondensators C1 und der zweiten Reglerschaltung 202 gekoppelt ist. Wenn der Sperrwandler eingeschaltet wird, wird die Sperrwandler-Steuerschaltung (im Folgenden als Steuerschaltung bezeichnet) normalerweise nicht sofort vollständig aktiviert. Unter solchen Umständen sind in dem Sperrwandler zwei Reglerschaltungen vorgesehen: die erste Reglerschaltung 201, welche die Steuerschaltung 100 mit Strom versorgt, bis die Steuerschaltung vollständig aktiviert ist, und die zweite Reglerschaltung 202, welche die Steuerschaltung 100 mit Strom versorgt, nachdem die Steuerschaltung vollständig aktiviert ist, wobei die erste Reglerschaltung inaktiviert wird, wenn die Sperrwandler-Steuerschaltung von der zweiten Reglerschaltung mit Strom versorgt wird. Der zweite Regler 202 erhält Strom von der Tertiärwicklung Lcc, die mit der Primärwicklung Lp magnetisch gekoppelt ist, und somit ist der Leistungsverlust der zweiten Reglerschaltung viel geringer. Nur zu Beginn des Anfahrens und wenn die Steuerschaltung nicht vollständig aktiviert ist, wird die erste Reglerschaltung 201 (üblicherweise mit großem Leistungsverlust) betrieben. Nachdem die Steuerschaltung vollständig aktiviert ist und der Sperrwandler normal arbeitet, wird die Stromversorgung der Steuerschaltung auf die zweite Reglerschaltung 202 umgeschaltet. Im Vergleich zum herkömmlichen Sperrwandler wird daher der Leistungsverlust im Normalbetrieb wesentlich reduziert.
  • Der Transformator 300 weist außerdem mindestens eine Sekundärwicklung Ls1 auf (in der 1 ist nur eine Sekundärwicklung dargestellt), die mit dem Gleichstromausgang gekoppelt ist. Die Steuerschaltung 100 schaltet die Schaltvorrichtung S1 abwechselnd ein und aus und leitet die vorgegebenen Spannungsumwandlungen zur Sekundärwicklungsseite. In dieser Ausführungsform kommt ein n-leitender MOSFET zum Einsatz, ein Gate des MOSFET ist mit der Steuerschaltung gekoppelt, ein Drain des MOSFET ist mit dem anderen Ende der Primärwicklung gekoppelt, und eine Source des MOSFET ist geerdet. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird jedoch verstehen, dass eine andere Schaltvorrichtung, wie ein IGBT, ebenfalls eine Möglichkeit darstellt. Eine Dämpfungsschaltung 400 ist mit dem MOSFET gekoppelt, um eine abnormale Spannung zu unterdrücken, die immer beim Schalten des MOSFET zwischen den Enden der Primärwicklung erzeugt wird, und somit könnte ein Durchbruch eines MOSFET, der durch eine solche abnormale Spannung verursacht wird, vermieden werden. In der 1 (in dem gestrichelten Block A gezeigt) ist die Dämpfungsschaltung zwischen dem Drain des MOSFET und dem mit Polaritätsmarkierung gekennzeichneten Ende der Primärwicklung Lp gekoppelt. Unter Bezugnahme auf die 2 ist die Dämpfungsschaltung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zwischen der Source des MOSFET und dem anderen Ende der Primärwicklung gekoppelt.
  • In dieser Ausführungsform ist die Masse auf der Sekundärwicklungsseite gegenüber der Masse auf der Primärwicklungsseite elektrisch isoliert. Genauer gesagt ist nur die Masse auf der Sekundärwicklungsseite mit dem Fahrzeugchassis verbunden (die Masse auf der Primärwicklungsseite ist von dem Fahrzeugchassis entkoppelt). Hier verhindert die von dem Fahrzeugchassis entkoppelte Masse auf der Primärseite, dass Fahrgäste einen elektrischen Schlag bekommen, wenn sie versehentlich spannungsführende Teile berühren. Bei einer erwartbaren Situation nach Unfällen berührt eine Hand ein spannungsführendes Teil und die andere Hand berührt die Fahrzeugkarosserie (die mit dem Fahrzeugchassis verbunden ist). In diesem Fall wird der Beifahrer durch die Hochspannungsbatterie unter Spannung gesetzt, da seine Hände eine stromführende Schleife bilden, wenn die Masse auf der Primärseite mit dem Fahrzeugchassis verbunden ist, was vermieden werden muss. Durch eine entkoppelte Masse auf der Primärseite könnten die Fahrgäste vor einem Stromschlag geschützt werden, wenn der Hochspannungskreis bei Unfällen, wie beispielsweise einem Autounfall, freiliegt.
  • Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 werden nunmehr Betriebsmodi des Sperrwandlers veranschaulicht. Im „EIN-Zustand“ des Schalters fließt Strom durch die Primärwicklung und Energie wird in die Induktivität (Primärwicklung) Lp geladen, da aufgrund der magnetischen Kopplung des Transformators mit der entgegengesetzten Polarität und der Diode Ds1 kein Strom durch die Sekundärwicklung fließen kann. Der durch die Last fließende Strom (als Pfeil dargestellt) aus einem großen Kondensator Cs1 unterbricht den Laststrom jedoch nicht. Im „AUS-Zustand“ des Schalters wird die in die Induktivität Lp geladene Energie über den Transformator zur Sekundärseite entladen. Der Strom lädt den Speicherkondensator auf und wird auch der Last zugeführt. Der Kondensator Cs1 ist im „Aus-Zustand“ immer geladen.
  • Die 5 zeigt eine Ausführungsform eines Sperrwandlers mit einer Rückkopplungsschaltung. Die Rückkopplungsschaltung ist mit der Steuerschaltung 100 gekoppelt und weist eine Rückkopplungswicklung Lfb, eine zweite Diode D2 und einen zweiten Kondensator C2 auf. Ein Ende des zweiten Kondensators C2 ist mit der Steuerschaltung 100 und der Kathode der zweiten Diode D2 gekoppelt und das andere Ende des zweiten Kondensators C2 ist geerdet und mit dem mit Polaritätsmarkierung gekennzeichneten Ende der Rückkopplungswicklung Lfb gekoppelt. Die Anode der zweiten Diode D2 ist mit dem anderen Ende der Rückkopplungswicklung Lfb gekoppelt. Die Steuerschaltung schaltet die Schaltvorrichtung ein und aus, um die Spannung der Sekundärwicklung unter Bezugnahme auf die Spannung der Rückkopplungsschaltung zu regeln.
  • In der in der 5 gezeigten Ausführungsform ist der Ausgang auch mit dem Hochspannungsnetz (höher als 60 V) gekoppelt. Die Spannung des Gleichstromausgangs ist von der des Gleichstromeingangs verschieden. In diesem Fall ist zwischen der Primärwicklungsseite und der Sekundärwicklungsseite keine Isolation vorgesehen und die Masse der Sekundärwicklungsseite hat das gleiche Bezugspotenzial wie die Masse der Primärwicklungsseite.
  • 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sperrwandlers mit mehreren Sekundärwicklungen Ls1, Ls2,...,LsN. Die Sekundärwicklung Ls1 ist mit einem Niederspannungsnetz gekoppelt und die Masse der Sekundärwicklung Ls1 ist mit dem Fahrzeugchassis verbunden. Andere Sekundärwicklungen, wie Ls2 und LsN, sind mit dem Hochspannungsnetz gekoppelt. Die Masse 51 der Sekundärwicklung Ls2 ist die gleiche Masse wie auf der Primärwicklungsseite, während die Masse 52 der Sekundärwicklung LsN weder das Bezugspotential der Masse auf der Primärwicklungsseite noch dasjenige der mit einem Fahrzeugchassis verbundenen Masse ist.
  • Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, die Beschreibung soll die Erfindung jedoch lediglich veranschaulichen und ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Fachleuten können verschiedene Abwandlungen und Anwendungen einfallen, ohne von dem Grundgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.

Claims (16)

  1. Ein Sperrwandler, der einen Gleichstromeingang, mindestens einen Gleichstromausgang und eine Sperrwandler-Steuerschaltung enthält, wobei der Sperrwandler ferner Folgendes aufweist: eine erste Reglerschaltung, die mit dem Gleichstromeingang gekoppelt ist, wobei die erste Reglerschaltung die Sperrwandler-Steuerschaltung mit Strom versorgt, bis die Sperrwandler-Steuerschaltung vollständig aktiviert ist, eine zweite Reglerschaltung, die mit der ersten Reglerschaltung gekoppelt ist, wobei die zweite Reglerschaltung die Sperrwandler-Steuerschaltung mit Strom versorgt, nachdem die Sperrwandler-Steuerschaltung vollständig aktiviert ist, wobei die erste Reglerschaltung inaktiviert wird, wenn die Sperrwandler-Steuerschaltung von der zweiten Reglerschaltung mit Strom versorgt wird, eine Schaltvorrichtung, die mit der Sperrwandler-Steuerschaltung gekoppelt ist, und einen Transformator, der zwischen dem Gleichstromeingang und dem Gleichstromausgang geschaltet und mit der Schaltvorrichtung gekoppelt ist.
  2. Sperrwandler nach Anspruch 1, wobei die Sperrwandler-Steuerschaltung die Schaltvorrichtung abwechselnd ein- und ausschaltet.
  3. Sperrwandler nach Anspruch 1, wobei der Transformator Folgendes aufweist: eine Primärwicklung, die sowohl mit der Schaltvorrichtung als auch mit dem Gleichstromeingang gekoppelt ist, mindestens einer Sekundärwicklung, die mit dem Gleichstromausgang gekoppelt ist, und eine Tertiärwicklung, die mit der zweiten Reglerschaltung gekoppelt ist.
  4. Sperrwandler nach Anspruch 3, wobei das mit Polaritätsmarkierung gekennzeichnete Ende der Primärwicklung mit der ersten Reglerschaltung gekoppelt ist und das andere Ende der Primärwicklung durch die Schaltvorrichtung geerdet ist.
  5. Sperrwandler nach Anspruch 4, wobei die Schaltvorrichtung ein MOSFET ist.
  6. Sperrwandler nach Anspruch 5, wobei die Schaltvorrichtung ein n-leitender MOSFET ist, ein Gate des MOSFET mit der Sperrwandler-Steuerschaltung gekoppelt ist, ein Drain des MOSFET mit dem anderen Ende der Primärwicklung gekoppelt ist und eine Source des MOSFET geerdet ist.
  7. Sperrwandler nach Anspruch 6, wobei der Sperrwandler ferner eine Dämpfungsschaltung zur Unterdrückung einer abnormalen Spannung aufweist, die zwischen den Enden der Primärwicklung erzeugt wird, während der MOSFET geschaltet wird, wobei die Dämpfungsschaltung entweder zwischen dem Drain des MOSFET und dem mit Polaritätsmarkierung gekennzeichneten Ende der Primärwicklung oder zwischen der Source des MOSFET und dem anderen Ende der Primärwicklung gekoppelt ist.
  8. Sperrwandler nach Anspruch 3, wobei der Sperrwandler ferner eine erste Diode und einen ersten Kondensator aufweist, wobei ein Ende des ersten Kondensators geerdet und mit dem mit Polaritätsmarkierung gekennzeichneten Ende der Tertiärwicklung gekoppelt ist, wobei das andere Ende der Tertiärwicklung mit der Anode der ersten Diode gekoppelt ist, wobei die Kathode der ersten Diode mit dem anderen Ende des ersten Kondensators und der zweiten Reglerschaltung gekoppelt ist.
  9. Sperrwandler nach Anspruch 1, wobei der Sperrwandler ferner eine Rückkopplungsschaltung aufweist, die mit der Sperrwandler-Steuerschaltung gekoppelt ist, wobei die Sperrwandler-Steuerschaltung die Schaltvorrichtung ein- und ausschaltet, um die Spannung der Sekundärwicklung unter Bezugnahme auf die Spannung der Rückkopplungsschaltung zu regeln.
  10. Sperrwandler nach Anspruch 9, wobei die Rückkopplungsschaltung eine Rückkopplungswicklung, eine zweite Diode und einen zweiten Kondensator aufweist, wobei ein Ende des zweiten Kondensators mit der Sperrwandler-Steuerschaltung und der Kathode der zweiten Diode gekoppelt ist, wobei das andere Ende des zweiten Kondensators geerdet und mit dem mit Polaritätsmarkierung gekennzeichneten Ende der Rückkopplungswicklung gekoppelt ist, wobei die Anode der zweiten Diode mit dem anderen Ende der Rückkopplungswicklung gekoppelt ist.
  11. Sperrwandler nach Anspruch 1, wobei der Gleichstromeingang mit einem Hochspannungsnetz gekoppelt ist und die Hochspannung höher als 60 V ist, wobei der Gleichstromausgang mit einem Niederspannungsnetz gekoppelt ist und die Niederspannung niedriger als 60 V ist.
  12. Sperrwandler nach Anspruch 11, wobei die Masse auf der Sekundärwicklungsseite gegenüber der Masse auf der Primärwicklungsseite elektrisch isoliert ist.
  13. Sperrwandler nach Anspruch 11, wobei die Masse auf der Sekundärwicklungsseite mit einem Fahrzeugchassis gekoppelt ist.
  14. Sperrwandler nach Anspruch 1, wobei der Gleichstromeingang und der Gleichstromausgang mit einem Hochspannungsnetz gekoppelt sind, die Hochspannung höher als 60 V ist, und die Spannung des Gleichstromausgangs von der des Gleichstromeingangs verschieden ist.
  15. Sperrwandler nach Anspruch 14, wobei die Masse auf der Sekundärwicklungsseite und die Masse auf der Primärwicklungsseite das gleiche Bezugspotential haben.
  16. Sperrwandler nach Anspruch 14, wobei das Bezugspotential der Masse auf der Sekundärwicklungsseite weder das Bezugspotential der Masse auf der Primärwicklungsseite noch das mit einem Fahrzeugchassis verbundene ist.
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