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Zahlreiche Komponenten in Fahrzeugen werden elektrisch betrieben, wobei hierzu üblicherweise ein Niedervolt-Bordnetzzweig (12 Volt) besteht. Daneben können weitere Bordnetzzweige mit höheren Nennspannungen vorhanden sein, etwa mit Bordnetzspannungen von 48 V oder 400 V oder 800 V, deren Komponenten für eine höhere Nennspannung ausgelegt sind, etwa für Startergeneratoren oder für elektrische Traktionsantriebe. Neben betreffenden Energiespeichern mit der jeweiligen Nennspannung wird daher ein Gleichspannungswandler eingesetzt, so dass ein Energietransfer zwischen den Bordnetzzweigen unterschiedlicher Nennspannung erfolgen kann. Dies ermöglicht eine redundante Spannungsversorgung und verbessert die Ausfallsicherheit.
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Soll einer der weiteren Bordnetzzweige mit einer Spannungsquelle verbunden werden, etwa einem Akkumulator oder einer Ladestation, dann sollte der entstehende Einschaltstrom begrenzt werden. Dies wird beispielsweise ausgeführt durch Vorladen der im weiteren Bordnetzzweig herrschenden Kapazität zwischen den betreffenden Potentialen, insbesondere durch Vorladen eines dort vorhandenen Zwischenkreiskondensators.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich die Funktion des Vorladens kostengünstig und energieeffizient realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
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Es wird vorgeschlagen, ausgehend von dem Niedervolt-Bordnetzzweig den über den Gleichspannungswandler angebundenen weiteren Bordnetzzweig vorzuladen.
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Hierzu wird der Gleichspannungswandler von dem Niedervolt-Bordnetzzweig mit einer Spannung gespeist, die gewandelt wird und an den weiteren Bordnetzzweig abgegeben wird, um eine Kapazität vorzuladen, die zwischen den Potentialen des Bordnetzzweigs herrscht. Diese Kapazität umfasst einen Zwischenkreiskondensator des weiteren Bordnetzzweigs, und kann ferner parasitäre Kapazitäten oder weitere Kondensatoren des Bordnetzzweigs umfassen.
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Um dieses Vorladen, d.h. einen Vorladebetrieb, zu realisieren, ist eine Ausgangsinduktivität, die einem gesteuerten Gleichrichter des Wandlers nachgeschaltet ist, magnetisch gekoppelt mit einer Entmagnetisierungswicklung. Diese ist über eine Snubberglied mit einem Ableitpotential (sekundär- oder primärseitig) verbunden. Dadurch kann bei der Verwendung des Wandlers zur Übertragung von Energie vom Niedervolt-Bordnetzzweig an den weiteren Bordnetzzweig der gesteuerte Gleichrichter als Zerhacker betrieben werden, wobei die Entmagnetisierungswicklung eine Reduzierung der Magnetisierung der Ausgangsinduktivität ermöglicht, wenn alle Schalter des Gleichrichters offen sind.
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Arbeitet der steuerbare Gleichrichter als Zerhacker, dann bildet dieser zusammen mit der Ausgangsinduktivität einen Aufwärtswandler, und es bestehen Perioden, während denen die Schalter des Gleichrichters offen sind. Um zu vermeiden, dass beim Öffnen der Schalter des Gleichrichters die Ausgangsinduktivität durch Selbstinduktion eine für die Schalter schädliche Spannung erzeugt, wird über die magnetische Kopplung Energie von der Ausgangsinduktivität an die Entmagnetisierungswicklung übertragen, wobei über das Snubberglied diese Energie in Form eines Stroms zumindest teilweise an ein Bezugspotential abgeleitet wird.
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Zur Realisierung des Gleichspannungswandelns (d.h. in einem Wandlerbetrieb) kann Leistung über den Gleichrichter in umgekehrter Richtung übertragen werden: Der Gleichspannungswandler weist hierzu einen Transformator auf, der über mindestens eine Sekundärwicklung verfügt, an die der Gleichrichter angeschlossen ist. Der Gleichrichter ist gesteuert, so dass dieser mit Schaltelementen ausgebildet ist, über die in leitendem Zustand eine geringere Durchlassspannung abfällt als bei reinen Dioden (d.h. kleiner als eine Dioden-Durchlassspannung). Der Gleichrichter ist somit als gesteuerter Gleichrichter ausgebildet. Zwischen dem Gleichrichter und einer Ausgangspotential des Wandlers ist eine Ausgangsinduktivität angeschlossen. An dem Ausgangspotential der Sekundärseite stellt dann der Gleichspannungswandler eine gewandelte Spannung bereit. Da die Ausgangsinduktivität beim Gleichspannungswandeln eingerichtet ist, Energie vom Gleichrichter zum Ausgangspotential zu übertragen, wird diese als Ausgangsinduktivität bezeichnet, auch wenn beim Betrieb des Gleichspannungswandlers in umgekehrter Richtung (etwa zum Vorladen) eine andere Funktion hat. Auch die Bezeichnung „Gleichrichter“ bezieht sich auf die Funktion während des Übertragens von Leistung in Richtung des Ausgangspotentials und schließt nicht aus, dass diese Komponente beim Betrieb des Gleichspannungswandlers in umgekehrter Richtung eine andere Funktion hat. Der hier beschriebene galvanisch trennende Bordnetz-Gleichspannungswandler (kurz: Wandler) ist folglich bidirektional, wobei die Bezeichnungen einiger Komponenten (Gleichrichter, Ausgangsinduktivität, Ausgangspotential) auf den Betrieb zur Übertragung von Energie über den Transformator zur Sekundärwicklung hin ausgerichtet ist. Bei umgekehrter Übertragungsrichtung wird der Gleichrichter als Zerhacker betrieben, die Ausgangsinduktivität als Eingangsinduktivität bzw. zusammen mit dem Zerhacker als Arbeitsinduktivität eines Aufwärtswandlers (Boost-Wandler) betrieben, und das Ausgangspotential des galvanisch trennenden Bordnetz-Gleichspannungswandlers dient in diesem Fall als Eingangspotential. Die Bezeichnung der Komponenten beschränkt daher nicht deren Funktion auf nur eine Betriebsrichtung des Bordnetz-Gleichspannungswandlers.
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Der hier beschriebene galvanisch trennende Bordnetz-Gleichspannungswandler weist einen Transformator auf, der über eine Sekundärwicklung verfügt. Dieser ist der gesteuerte Gleichrichter nachgeschaltet. Der Gleichrichter weist ein Gleichspannungspotential auf, welches über eine Ausgangsinduktivität an ein Ausgangspotential des Wandlers angeschlossen ist. Im Wandlerbetrieb dient die Ausgangsinduktivität als Seriell-Filterinduktivität und im vorderen Betrieb als Arbeitsinduktivität eines Sperrwandlers. Wie erwähnt tritt beim Betrieb des gesteuerten Gleichrichters als Zerhacker (im Rahmen des Vorladebetriebs) ein Zeitpunkt bzw. Zeitspanne auf, in der alle Schaltelemente des Gleichrichters geöffnet sind. Um die Schaltelemente in diesem Zeitpunkt bzw. in dieser Zeitspanne zu schützen, ist die Ausgangsinduktivität magnetisch mit einer Entmagnetisierungswicklung gekoppelt. Die Entmagnetisierungswicklung ist über ein Snubberglied mit einem Snubber-Ableitpotential, etwa Masse (und somit ein sekundärseitiges Potential), verbunden.
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Das Snubberglied weist vorzugsweise eine Diode auf, deren Sperrrichtung vom Ableitpotential in Richtung des Ausgangspotentials weist. Die Diode kann zwischen der Entmagnetisierungswicklung und dem Ausgangspotential vorliegen. Vorzugsweise ist die Diode zwischen dem Ableitpotential (Masse) und der Entmagnetisierungswicklung angeschlossen. Hierbei weist die Durchlassrichtung zur Wicklung hin. Mit anderen Worten weist die Durchlassrichtung der Diode von dem Snubber-Ableitpotential zur Wicklung hin. Es kann ferner ein Snubber-Widerstand vorgesehen sein, der zwischen Ausgangspotential und Snubber-Ableitpotential in Reihe geschaltet ist, etwa zwischen Ausgangspotential und Diode, zwischen Diode und Entmagnetisierungswicklung, oder zwischen Entmagnetisierungswicklung und Ausgangspotential.
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Ferner kann ein weiteres Snubberglied vorgesehen sein, das an das Gleichspannungspotential angeschlossen ist. Insbesondere kann das weitere Snubberglied zwischen dem Gleichspannungspotential des Gleichrichters und einem Bezugspotential, etwa Masse vorgesehen sein. Das Bezugspotential kann das Bezugspotential des Gleichrichters sein, etwa Masse oder ein negatives Potential, insbesondere das negative Potential oder Massepotential des Ausgangs. Das Snubber-Ableitpotential kann dem Bezugspotential des Gleichrichters bzw. des Ausgangs des Bordnetz-Gleichspannungswandlers entsprechen, oder kann mit diesem über einen Widerstand verbunden sein.
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Abhängig von der Wicklungsrichtung der Ausgangsinduktivität, der Wicklungsrichtung der Entmagnetisierungsrichtung und/oder der magnetischen Kopplung kann die Diode, welches das Snubberglied vorsieht, auch eine Durchlassrichtung aufweisen, die vom Ausgangspotential zum Snubber-Ableitpotential hinweist. Die Diode ist derart gepolt, dass sie leitet, wenn die Schalter des Gleichrichters öffnen und die Ausgangsinduktivität ihre Magnetisierung dadurch verringert.
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Die Ausgangsinduktivität und die Entmagnetisierungswicklung können als erste und zweite Wicklung vorgesehen sein, die sich um denselben Magnetkern wickeln. Die Ausgangsinduktivität und die Entmagnetisierungswicklung können um magnetisch miteinander verbundene Magnetkerne gewickelt sein, falls sie nicht um denselben Kern gewickelt sind.
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Die Entmagnetisierungswicklung kann insbesondere als Planarwicklung vorgesehen sein, während die Ausgangsinduktivität als Drahtwicklung vorgesehen ist, wobei auch beide Wicklungen als Planarwicklung vorgesehen sein können. Im letztgenannten Falls kann ein gemeinsamer Kern vorgesehen sein, oder die Induktivitäten sind um die gleiche Fläche herumgewickelt.
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Ausführungsformen des hier beschriebenen Wandlers sehen vor, dass die Entmagnetisierungswicklung bzw. das damit verbundene Snubberglied sekundärseitig angeschlossen ist, etwa an ein (sekundärseitiges) Snubber-Ableitpotential wie ein Gleichspannungspotential der Sekundärseite oder Masse der Sekundärseite. Im Folgenden werden entsprechende Merkmale und Ausführungsformen dargestellt.
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Die Ausgangsinduktivität und die Entmagnetisierungswicklung weisen jeweils ein erstes Ende auf, das vorzugsweise mit dem Ausgangspotential des Wandlers verbunden ist. Das zweite Ende der Ausgangsinduktivität kann mit dem Gleichspannungspotential bzw. mit dem Gleichrichter verbunden sein. Das zweite Ende der Entmagnetisierungswicklung ist mit dem Snubber-Ableitpotential verbunden, beispielsweise über die Diode (als Snubberglied) oder direkt, insbesondere wenn die Diode zwischen der Entmagnetisierungswicklung und dem Ausgangspotential vorgesehen ist.
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Das weitere Snubberglied, falls vorhanden, ist an dem zweiten Ende der Ausgangsinduktivität vorgesehen, welches entgegengesetzt ist zu dem ersten Ende, welches mit dem Ausgangspotential verbunden ist.
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Weiterhin sind Ausführungsformen des hier beschriebenen Wandlers sehen vor, dass die Entmagnetisierungswicklung bzw. das damit verbundene Snubberglied primärseitig angeschlossen ist, etwa an ein primärseitiges Snubber-Ableitpotential wie das positive oder negative Gleichspannungspotential (HV-Potential) der Primärseite des Wandlers. Im Folgenden werden entsprechende Merkmale und Ausführungsformen dargestellt.
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Gemäß diesen Ausführungsformen weist die Ausgangsinduktivität ein erstes Ende auf, das mit dem Ausgangspotential des Wandlers verbunden sind. Das zweite Ende der Ausgangsinduktivität ist mit dem Gleichspannungspotential bzw. mit dem Gleichrichter verbunden. Das erste und das zweite Ende der Entmagnetisierungswicklung sind an unterschiedliche primärseitige Potentiale angeschlossen, etwa an ein negatives und an ein positives Hochvoltpotential der Primärseite des Wandlers. Es ist eine Diode als Snubberglied vorgesehen, über die die Entmagnetisierungswicklung mit einem der primäseitigen Potentiale verbunden ist. Die Diode kann zwischen Entmagnetisierungswicklung und negativem Gleichspannungspotential der Primärseites des Wandlers vorgesehen sein. Alternativ kann die Diode kann zwischen Entmagnetisierungswicklung und positivem Gleichspannungspotential der Primärseites des Wandlers vorgesehen sein. Das betreffende Gleichspannungspotential bzw. die Gleichspannungspotentiale der Primärseite stellen dann das Snubber-Ableitpotential dar. Die Entmagnetisierungswicklung ist mit dem Snubber-Ableitpotential verbunden, beispielsweise über die Diode (als Snubberglied) oder direkt, insbesondere wenn die Diode zwischen der Entmagnetisierungswicklung und dem positiven Ausgangspotential vorgesehen ist. Die Sperrrichtung der Diode weist dann vom positiven Gleichspannungspotential der Primärseite zum negativen Gleichspannungspotential, um einen dauerhaften Stromfluss zwischen den Gleichspannungspotentialen über die Diode und die Entmagnetisierungswicklung zu verhindern. Es kann ein weiteres Snubberglied etwa in Form eines Widerstands in der Reihenschaltung zwischen den Gleichspannungspotentialen der Primärseite vorgesehen sein. Die Reihenschaltung bezieht sich auf die Verschaltung von Diode und Entmagnetisierungswicklung. Das weitere Snubberglied, falls vorhanden, kann an dem zweiten Ende der Ausgangsinduktivität vorgesehen sein, welches entgegengesetzt ist zu dem ersten Ende, welches mit dem positiven Gleichspannungspotential der Primärseite verbunden ist.
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Insbesondere weist der Bordnetz-Gleichspannungswandler eine Steuervorrichtung auf. Diese ist eingerichtet, ein Schaltelement, mehrere Schaltelemente oder alle Schaltelemente des gesteuerten Gleichrichters gemäß einer Gleichrichtung anzusteuern. Dies wird in einem Gleichrichtermodus durchgeführt. In diesem Fall entspricht der Gleichrichtermodus dem Wandlerbetrieb, da in diesem die Schaltelemente des Gleichrichters als Vollwellen-Gleichrichter angesteuert werden. In einem Vorlademodus ist die Steuervorrichtung eingerichtet, die Schaltelemente zeitweise in einem offenen Zustand vorzusehen. Im Vorlademodus ist die Steuervorrichtung eingerichtet, die Schaltelemente des gesteuerten Gleichrichters derart anzusteuern, dass diese zusammen mit der Ausgangsinduktivität einen weiteren Gleichrichter bilden, nämlich einen sperrbaren.
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Die Steuervorrichtung ist somit eingerichtet, im Wandlermodus und im Vorlademodus unterschiedliche Wandlerrichtungen vorzusehen.
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Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, in dem Vorlademodus die Schaltelemente zur Übertragung von Leistung von dem Ausgangspotential an eine Primärwicklung des Transformators gemäß einer Leistungs- oder Spannungsvorgabe anzusteuern. Allgemein kann der Vorlademodus mit einer Strom-, Leistungs- oder Spannungsvorgabe verknüpft sein, gemäß der die Steuervorrichtung die Schaltelemente ansteuert. Stellgröße ist hierbei insbesondere das Tastverhältnis. Im Vorlademodus können alle Schaltelemente (oder zumindest die Schaltelemente einer Halbbrücke) abwechselnd an- oder ausgeschaltet werden, um so getaktet das mit dem Gleichrichter verbundene Ende der Ausgangsinduktivität (dann: Arbeitsinduktivität) mit Masse zu verbinden. An dem Verbindungspunkt zwischen Gleichrichter und Ausgangsinduktivität (d. h. am Gleichspannungspotential im Wandlerbetrieb) ergibt sich dann eine Spannung, die mittels des getakteten Verbindens der Ausgangsinduktivität mit dem Bezugspotential des Gleichspannungswandlers eine erhöhte Spannung ergibt, die an die Sekundärwicklung übertragen wird.
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Hierbei werden die Schaltelemente zeitweise gemäß dem offenen Zustand angesteuert, wobei das Snubberglied eingerichtet ist, eine Magnetisierung der Ausgangsinduktivität während des offenen Zustands (des Schaltens der betreffenden Schaltelemente des Gleichrichters) zu verringern. Dies wird erreicht, indem das Snubberglied einen Stromfluss durch die Entmagnetisierungswicklung ermöglicht. Anstatt einer Diode kann im Snubberglied kann auch ein gesteuerter Transistor verwendet werden, der derart geschaltet wird, dass sich die Magnetisierung in der Ausgangsinduktivität verringert, wenn die Schaltelemente öffnen.
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Da im Wandlerbetrieb und im Vorladebetrieb bzw. Vorlademodus entgegengesetzte Leistungsflussrichtungen durch den Transformator hindurch bestehen, ergibt sich ein bidirektionaler Bordnetz-Gleichspannungswandler.
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Weiterhin wird ein Fahrzeugbordnetz mit einem Bordnetz-Gleichspannungswandler beschrieben. Der Bordnetz-Gleichspannungswandler ist hierbei insbesondere wie hier dargestellt ausgebildet. Der Transformator weist eine Primärwicklung auf, die magnetisch mit der Sekundärwicklung gekoppelt ist und galvanisch von dieser getrennt ist. Die Primärwicklung ist über eine Zerhackerschaltung mit einer elektrischen Energiequelle des Fahrzeugbordnetzes verbunden. Diese elektrische Energiequelle kann insbesondere eine Hochvolt-Spannungsquelle, wie ein Hochvoltakkumulator sein. Das Fahrzeugbordnetz kann ferner einen Akkumulator, insbesondere einen Niedervoltakkumulator, aufweisen, der über die Ausgangsinduktivität des Bordnetz-Gleichspannungswandlers mit der Gleichspannungsseite des Gleichrichters verbunden ist. Damit kann der Bordnetz-Gleichspannungswandler zum einen verwendet werden, um über die Primärwicklung Energie vom Hochvoltakkumulator zum Niedervoltakkumulator zu übertragen, insbesondere im Wandlerbetrieb, während im Vorladebetrieb der Niedervoltakkumulator den Bordnetz-Gleichspanungswandler in umgekehrter Richtung speist und über die Ausgangsinduktivität und die Schaltelemente des Gleichrichters (als Sperrwandler) die Sekundärwicklung mit einer Gleichspannung versorgt, um so eine Kapazität in einem Bordnetzzweig aufzuladen, der mit der Primärwicklung verbunden ist, insbesondere eine Kapazität eines Hochvolt-Bordnetzzweigs (in dem auch der Hochvoltakkumulator zuschaltbar vorhanden ist).
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Ausführungsformen sehen vor, dass der gesteuerte Gleichrichter als Brückengleichrichter ausgebildet ist. Dieser weist wie erwähnt steuerbare Gleichrichterelemente bzw. Schaltelemente auf. Eine Treiberschaltung ist ansteuernd mit den Gleichrichterelementen verbunden. Insbesondere ist die Treiberschaltung ausgebildet, im Wandlerbetrieb zusammen mit den Gleichrichterelementen das Verhalten einer Diodenbrücke nachzustellen, wobei jedoch vorzugsweise direkt bei Polaritätswechsel und nicht erst bei Erreichen der Durchbruchspannung einer gedachten Diode geschaltet wird. Die Gleichrichterelemente sind vorzugsweise Transistoren, wobei an diesen eine geringere Spannung als an Dioden einer Gleichrichterbrücke abfällt, so dass sich eine geringere Verlustleistung ergibt. Die Treiberschaltung ist vorzugsweise ausgebildet, im Wandlerbetrieb den gesteuerten Gleichrichter als Vollwellengleichrichter zu betreiben, d. h. als Gleichrichter, der beide Halbwellen der Spannung der Sekundärwicklung vollständig gleichrichtet. In einem Vorladebetrieb, bei dem in entgegengesetzter Richtung Energie über den Gleichrichter übertragen wird, steuert die Treiberschaltung den Gleichrichter als Zerhacker an. Die Bezeichnung „Gleichrichter“ bezieht sich daher nur auf die Aussage, dass die betreffende Komponente zum Gleichrichten fähig ist, wobei dies nicht bedeutet, dass dies die einzige Funktion dieser Komponente ist.
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Daher kann die Treiberschaltung ausgebildet sein, im Wandlerzustand den gesteuerten Gleichrichter mit steuerbarer Ausgangsleistung bzw. mit steuerbarer Ausgangsspannung zu betreiben, etwa indem eine Phasenanschnittsteuerung betrieben wird oder die Gleichrichterelemente auf andere Weise getaktet gesteuert werden, etwa mittels einer Pulswellenmodulation, um so gemäß der Treiberschaltung gemäß einem Sollwert zu betreiben.
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Die Gleichspannungsseite des Gleichrichters kann mit einem nachfolgenden Glättungskondensator verbunden sein.
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Schließlich wird ein Fahrzeugbordnetz beschrieben, dass einen wie hier erwähnten Bordnetz-Gleichspannungswandler aufweist. Der Transformator hat neben der Sekundärwicklung eine Primärwicklung. Diese ist magnetisch mit der Sekundärwicklung gekoppelt, ist jedoch von dieser galvanisch getrennt. Dadurch wird die galvanische Trennung des gesamten Bordnetz-Gleichspannungswandlers erreicht. Primärseitig weist der Bordnetz-Gleichspannungswandler eine Zerhackerschaltung auf, die mit einer elektrischen Energiequelle bzw. einem anderen Bordnetzzweig des Fahrzeugbordnetzes verbunden ist, etwa mit einem 48 Volt-Bordnetz oder einem Hochvolt-Bordnetzzweig mit einer Nennspannung von mehr als 60 V, mindestens 200 V, 400 V oder 800 V. Dieser weitere Bordnetzzweig kann ferner einen elektrischen Speicher aufweisen, etwa einen Traktionsakkumulator, der für eine Nennspannung wie vorangehend dargestellt ausgelegt ist.
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Das Fahrzeugbordnetz kann zudem einen Akkumulator aufweisen, der einem anderen Bordnetzzweig angehört. Dieser Akkumulator ist direkt oder über eine Drosselinduktivität mit der Gleichspannungsseite des Gleichrichters verbunden. Der Akkumulator ist somit sekundärseitig an den Bordnetz-Gleichspannungswandler angeschlossen. Sekundärseitig ist der Bordnetz-Gleichspannungswandler für eine Spannung von ca. 12 - 14 V ausgelegt, wobei primärseitig der Bordnetz-Gleichspannungswandler gemäß einer Nennspannungen von mindestens 48 V, über 60 V, mindestens 200 V, mindestens 400 V oder mindestens 800 V ausgelegt sein kann.
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Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben eines galvanisch trennenden Gleichspannungswandlers beschrieben. Dies betrifft insbesondere den hier beschriebenen galvanisch trennenden Bordnetz-Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler weist mindestens eine Sekundärwicklung eines Transformators auf. Der Gleichspannungswandler, dessen Verfahren zum Betreiben hier beschrieben ist, hat mindestens eine Sekundärwicklung eines Transformators, insbesondere die hier beschriebene Sekundärwicklung. Zudem ist sekundärseitig in dem Gleichspannungswandler ein Gleichrichter vorgesehen, der wie hier beschrieben ausgeführt sein kann.
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Das Verfahren ist wie erwähnt zum Betreiben eines galvanisch trennenden Gleichspannungswandlers vorgesehen. Dieser weist mindestens eine Sekundärwicklung eines Transformators aufweist. Der Wandler weist ferner sekundärseitig einen steuerbaren Gleichrichter auf sowie eine diesem nachgeschaltete Ausgangsinduktivität. Bei einer Übertragung von Leistung von der Sekundärwicklung an die Primärwicklung der steuerbare Gleichrichter, d.h. im Vorladebetrieb, wird der steuerbare Gleichrichter (d.h. steuerbare Schaltelemente hiervon) zusammen mit der Ausgangsinduktivität als Sperrwandler betrieben. Die Magnetisierung der Ausgangsinduktivität wird mittels Stromfluss durch eine Entmagnetisierungswicklung verringert, die magnetisch mit der Ausgangsinduktivität gekoppelt ist, wenn beim Betrieb des steuerbaren Gleichrichters als Sperrwandler die Schaltelemente des steuerbaren Gleichrichters geöffnet sind. Die Magnetisierung der Ausgangsinduktivität wird insbesondere dadurch verringert, dass ein Stromfluss durch die Entmagnetisierungswicklung zu einem Snubber-Ableitpotential (kurz: Ableitpotential) ermöglicht wird. Die mit der Ausgangsinduktivität magnetisch gekoppelte Entmagnetisierungswicklung ist an ein sekundärseitiges oder primärseitiges Ableitpotential angeschlossen, insbesondere über ein Snubberelement wie eine Diode. Der Stromfluss wird ermöglicht, indem die Entmagnetisierungswicklung über das mindestens eine Snubberelement entweder an das Ausgangspotential und an ein Bezugspotential wie Masse angeschlossen ist (d.h. mit sekundärseitigen Potentialen verbunden), oder angeschlossen ist an die Gleichspannungspotentiale der Primärseite. Letzteres ermöglicht eine Abgabe überschüssiger Energie aus der Ausgangsinduktivität an den Primärkreis des Wandlers (und somit eine Entfernung aus dem Sekundärkreis), wodurch sekundärseitige Schaltelemente vor Überspannung geschützt werden. Die Ausgangsinduktivität arbeitet im Vorladebetrieb arbeitet als Arbeitsinduktivität des Sperrwandlers, so dass für diesen Betrieb die Bezeichnung „Arbeitsinduktivität“ (des Sperrwandlers) zutreffend ist.
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Das Verfahren kann ferner einen Wandlerbetrieb vorsehen, bei dem Leistung von der Primärwicklung an die Sekundärwicklung übertragen wird, wobei der steuerbare Gleichrichter zum Gleichrichten (vorzugsweise zum Vollwellengleichrichten) angesteuert wird. Hierbei arbeitet die Ausgangsinduktivität als (serieller, induktiver) Ausgangsfilter.
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Die Drosselinduktivität wird auch als Arbeitsinduktivität bezeichnet, da diese im Wandlerbetrieb Energie vom Gleichrichter an den Wandlerausgang bzw. über das betreffende Ausgangspotential des Wandlerausgangs überträgt.
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Die 1 und 2 dienen zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Vorgehensweise.
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Die in 1 dargestellte Schaltung zeigt die Sekundärseite eines beispielhaften Bordnetz-Gleichspannungswandlers mit einem gesteuerten Gleichrichter D1 bis D4. Im Wandlerbetrieb wird der Gleichrichter bzw. dessen Schaltelemente D1 - D4 als Vollwellengleichrichter betrieben. Die Schaltelemente D1 - D4 haben hierbei die Funktion von Dioden.
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An einer Wechselspannungsseite des Gleichrichters D1 - D4 befindet sich eine Sekundärwicklung TR eines nicht weiter dargestellten Transformators. Eine Gleichspannungsseite des Gleichrichters ergibt sich durch die Potentiale + (als positives Gleichspannungspotential und M (als Bezugspotential der Gleichspannungsseite des Gleichrichters bzw. als negatives Bezugspotential des Wandlerausgangs).
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Der Gleichspannungsseite des Gleichrichters ist eine Drosselinduktivität Lout nachgeschaltet. Diese führt zu einem Potential des Wandlerausgangs B+. Der Wandlerausgang B+ ist der Ausgang des gesamten Bordnetz-Gleichspannungswandlers. An diesem kann sich ein Bordnetzzweig anschließen, wobei dargestellt ist, dass sich an diesem eine Batterie Bat (außerhalb des Bordnetz-Gleichspannungswandlers, Teil des Bordnetzes) anschließt. Diese kann eine Nennspannung von 12 V aufweisen. Dies betrifft auch den anschließbaren Bordnetzzweig (gekennzeichnet durch Akkumulator Batt).
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Der Gleichspannungswandler W ist ein galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler. Insbesondere ist er (im Wandlerbetrieb) als Abwärtswandler ausgestaltet.
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Zur Gleichrichtung, d. h. zur Realisierung der Funktion eines Vollwellengleichrichters oder allgemein Gleichrichters werden die Schaltelemente D1 bis D4 von der Steuervorrichtung C entsprechend angesteuert, um so aus der Wechselspannung der Sekundärwicklung TR eine positive Gleichspannung für das Gleichspannungspotential Plus zu erzeugen. Die ansteuernde Verbindung zwischen der Steuervorrichtung C und den Schaltelementen D1 bis D4 des Gleichrichters ist symbolisch mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet.
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Zur Energieübertragung in entgegengesetzter Richtung steuert die Steuervorrichtung alle oder einen Teil der Schaltelemente D1 bis D4 getaktet an und aus, um so zusammen mit der Induktivität Lout einen Sperrwandler zu realisieren. Hierbei dient die Induktivität Lout als Arbeitsinduktivität. Gespeist wird in dieser Energieflussrichtung der Gleichspannungswandler von dem Potential B+ her, d. h. von dem angeschlossenen Niedervoltbordnetz, welches mit bat gekennzeichnet ist.
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Sind die Schaltelemente D1 bis D4 angeschaltet, dann fließt durch die Induktivität Lout ein Strom, der von B+ zum Potential M führt. Dadurch ist die Induktivität Lout, d. h. die Arbeitsinduktivität des Sperrwandlers, magnetisiert. Beim Öffnen der Schalter D1 bis D4 ergibt sich durch die Selbstinduktion und die vorhandene Magnetisierung in der Induktivität Lout eine Spannung an den Induktivitäten D1 bis D4. Um die Spannung zu verringern, bzw. um die Magnetisierung der Induktivität Lout zu verringern ist die Entmagnetisierungswicklung LE magnetisch gekoppelt mit der Induktivität Lout. Die Entmagnetisierungswicklung LE ist hierbei zwischen dem Potential B+ (im Vorladebetrieb das positive Eingangspotential des Gleichspannungswandlers) und dem Snubber-Ableitpotential M' angeschlossen, wobei ein Subberglied DE wie die Entmagnetisierungswicklung zwischen dem Snubber-Ableitpotential und dem Potential B+ seriell angeschlossen ist. In der dargestellten Schaltung ist das Snubberglied DE eine Diode. Diese leitet, wenn das Potential an der Entmagnetisierungswicklung LE größer ist als an dem Snubber-Ableitpotential M'. Die Diode ist derart gepolt, dass ein Strom fließt, wenn die Schalter D1 bis D4 öffnen (und vorab die Schalter D1 bis D4 geschlossen waren). Die Diode ist insbesondere derart gepolt, dass ein Strom fließt, wenn der Strom durch die Induktivität Lout ausgeschaltet wird. Dies kann insbesondere vom Wicklungssinn der Induktivität Lout, von dem Wicklungssinn der Induktivität LE, vom Verhältnis der beiden Wicklungssinne und von der magnetischen Kopplung abhängen.
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Für den Wandlerbetrieb ist ferner eine weitere Snubber-Schaltung vorgesehen mit den Elementen DS und CS, d. h. einer Diode DS mit Durchflussrichtung in Richtung Potential M und einem Kondensator CS, der seriell zu der Diode DS geschaltet ist. Es ergibt sich eine Reihenschaltung von Diode DS und Kondensator CS, deren Enden an das Potential M bzw. an das Gleichspannungspotential des Gleichrichters angeschlossen ist. Im Wandlerbetrieb, d. h., wenn über die Schaltelemente D1 bis D4 Leistung an das Ausgangspotential B+ übertragen wird, verringert die weitere Snubberschaltung DS, CS evtl. auftretende Spannungsspitzen.
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Abschließend sei bemerkt, dass mit dem Wandlerbetrieb ein Betrieb bezeichnet wird, bei dem die Schaltelemente des Gleichrichters D1 bis D4 als Gleichrichter arbeiten und Energie über die Sekundärwicklung TR an den Gleichrichter und somit auch an das Ausgangspotential B+ übertragen wird.
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Zwar wird im Vorlademodus auch eine Spannung durchgeführt, diese wird jedoch in umgekehrter Richtung ausgeführt, wobei Energie von dem Anschluss B+ über die Schaltelemente D1 bis D4 bzw. über die Sekundärwicklung an eine nicht dargestellte Primärwicklung des Transformators übertragen wird. Da das Vorladen eine deutlich geringere Leistung erfordert als die Übertragung im sog. Wandlerfall wird nur der voran genannte Wandlerfall als solches bezeichnet, während im Vorladefall die Schaltelemente des Gleichrichters gemäß einer abgewandelten Funktion betrieben werden und auf die ansonsten verwendete Ausgangsinduktivität nicht als Filter, sondern als Arbeitsinduktivität des Sperrwandlers verwendet wird. Zur Unterscheidung kann der hier genannte Wandlerbetrieb auch als Haupt-Wandlerbetrieb bezeichnet werden und der Vorladebetrieb kann als Rückspeise-Wandlerbetrieb bezeichnet werden.
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Der in 2 darstellte galvanisch trennender Bordnetz-Gleichspannungswandler weist Komponenten auf, die auch in der 1 dargestellt sind, wobei diese Komponenten das gleiche Bezugszeichen tragen. In der 2 ist zusätzlich eine Primärwicklung Pr dargestellt, die über einen primärseitigen Zerhacker Z mit einem positiven Gleichspannungspotential HV+ und einem negativen Gleichspannungspotential HV- verbunden ist. Die Gleichspannungspotential HV-, HV+ sind in dem Wandler primärseitig vorgesehen. Der Zerhacker Z ist in der Lage die Spannung zwischen den Gleichspannungspotentialen HV+, HV- getaktet zu schalten, um so die Primärwicklung Pr des Transformators zu mit einem Wechselstrom zu versorgen. Dieser wird an die Sekundärwicklung Tr übertragen.
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In der 2 ist im Gegensatz zur 1 die Entmagnetisierungswicklung Le primärseitig angeschlossen. Ferner ist im Gegensatz zur 1 das Snubber-Ableitpotential kein sekundärseitiges Potential, sondern ein primärseitiges Potential. Die Entmagnetisierungswicklung Le ist zwischen den primärseitigen Gleichspannungspotentialen HV+, HV- angeschlossen. Es ist eine Diode De als Snubberglied vorgesehen. Die Entmagnetisierungswicklung Le ist über die Diode De an die beiden Gleichspannungspotentiale HV+, HV- angeschlossen. Diode De und Entmagnetisierungswicklung Le bilden eine Reihenschaltung. Deren Enden ist mit den Gleichspannungspotentialen HV+, HV- verbunden. Im dargestellten Beispiel ist die Diode mit dem negativen Gleichspannungspotentialen HVverbunden. Dieses Potential ist über die Diode mit der Entmagnetisierungswicklung Le verbunden, welche zum anderen (positiven) Gleichspannungspotential HV+ führt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Entmagnetisierungswicklung Le mit dem Potential HV- verbunden ist, wobei die Diode De die Entmagnetisierungswicklung Le mit dem Potential HV+ verbindet. Die Durchlassrichtung der Diode De ist derart, dass kein Gleichstrom zwischen denjenigen Potentialen fließen kann, an welche die Entmagnetisierungswicklung Le bzw. das Snubberglied angeschlossen sind. In der 2 sperrt die Diode De einen Gleichstrom von HV+ zu HV-. In der 1 sperrt die Diode De einen Gleichstrom von B+ zu M'. In beiden Figuren hat die Diode De eine Durchlassrichtung, die vom niedrigeren Potential (M', HV-) weg weist, d.h. vom niedrigeren Potential der beiden Potentiale, zwischen denen die Entmagnetisierungswicklung Le vorgesehen ist. Wird hingegen bei einem Ausschaltvorgang in den Schaltern D1 - D4 die magnetisierte Induktivität Lout freigeschaltet, dann wird durch magnetische Kopplung zur Induktivität Le und deren Verschaltung ein Strom bzw. eine Stromflussrichtung durch die Induktivität Le erzeugt, bei der die Diode De leitet.
