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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungs-Abwärtswandler. Insbesondere betrifft die Erfindung die Wandlung einer hohen Gleichspannung in eine wesentlich geringere Gleichspannung.
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An Bord eines Kraftfahrzeugs ist ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen, um einen elektrischen Antriebsmotor zu betreiben. Eine durch den elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Spannung liegt dabei üblicherweise im Bereich von mehreren 100 Volt. Beispielsweise zur Bereitstellung einer Steuerspannung oder zum Betrieb eines Bordnetzes, die üblicherweise Spannungen im Bereich von wenigen 10 Volt erfordern, kann ein Gleichspannungs-Abwärtswandler vorgesehen sein.
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Zur Überbrückung einer großen Spannungsdifferenz bei gleichzeitiger hoher Effizienz kann ein Drei-Level-Wandler eingesetzt werden. Ein bekannter Drei-Level Abwärtswandler (Tiefsetzsteller, Abwärtsregler, step-down converter, buck converter) erfordert zusätzlich zu einer Induktivität und einem Kondensator vier Stromventile und einen Hilfskondensator (flying capacitor) zur Zwischenwandlung. Spannungen an den Stromventilen können auf die Hälfte der Eingangsspannung begrenzt sein. Eine effektive Schaltfrequenz kann doppelt so hoch wie eine tatsächliche Schaltfrequenz sein, sodass die Induktivität und der Kondensator bei gleicher Leistung kleiner dimensioniert sein können.
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Aufgrund von praktischen Schwierigkeiten sind jedoch nur wenige real funktionsfähige Drei-Level Abwärtswandler bekannt. Die Vielzahl der verwendeten Bauelemente kann einen Einsatz unwirtschaftlich erscheinen lassen. Für die vier Stromventile können vier voneinander unabhängige Steuerspannungen erforderlich sein, die aufwendig generiert werden müssen. Während eines Startvorgangs kann eines der Stromventile der vollen Eingangsspannung ausgesetzt sein, bis der Hilfskondensator auf die Hälfte der Eingangsspannung aufgeladen ist. Während des Aufladens kann auch eine Spannung an der Induktivität mehr als die Hälfte der Eingangsspannung betragen. Für diese Bauelemente müssen daher entsprechend hochspannungsfeste Realisierungen gefunden werden. Außerdem sind Steuervorrichtungen zum Ansteuern der vier Stromventile wenig verbreitet, sodass häufig aufwendige, digital programmierbare Steuervorrichtungen eingesetzt werden müssen.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Technik zur Abwärtswandlung einer Gleichspannung. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Drei-Level Abwärtswandler zur Bereitstellung einer vorbestimmten Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung ein erstes Stromventil, ein zweites Stromventil, eine erste und eine zweite Diode, die in Serie zwischen einem hohen und einem niedrigen Potential der Eingangsspannung geschaltet sind; einen ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss zwischen den beiden Stromventilen und einem zweiten Anschluss zwischen den beiden Dioden; ferner eine Induktivität mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Stromventil und der ersten Diode verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, von dem ein zweiter Kondensator an das niedrige Potential der Eingangsspannung führt. Darüber hinaus ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Stromventile vorgesehen, um die Ausgangsspannung am zweiten Kondensator bereitzustellen.
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Der Abwärtswandler kann an Eingangsspannungen von mehreren 100 Volt eingesetzt werden, wie sie beispielsweise an Bord eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs anzutreffen sind. Die Eingangsspannung kann insbesondere durch einen elektrischen Energiespeicher an Bord des Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein und beispielsweise ca. 400, ca. 800 oder ca. 900 Volt betragen. Die Ausgangsspannung kann eine Kleinspannung betreffen, die üblicherweise unter ca. 50 Volt liegt. Eine beispielhafte Ausgangsspannung kann im Bereich von ca. 20 Volt liegen. Die Ausgangsspannung kann beispielsweise für eine Steueraufgabe oder zur Spannung eines Niedervolt-Stromnetzes aus einer Hochvolt-Stromquelle dienen.
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Die Dioden und parasitären Dioden der FET sind gleich orientiert mit der Kathode jeweils in Richtung des hohen Potentials. Elektromagnetische Interferenzen können durch RC-Glieder an den Dioden unterdrückt werden. Die Stromventile sind bevorzugt als N-Kanal Feldeffekttransistoren FET vorgesehen. Ein als Stromventil einsetzbarer solcher FET kann bereits eine parasitäre Diode umfassen, sodass anstelle der beiden Dioden auch jeweils ein FET eingesetzt werden kann. Durch die Reduktion auf jeweils eine Diode kann jedoch ein Aufwand zur Bereitstellung einer Steuerspannung und eines Steuersignals entfallen.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die Induktivität mit einer weiteren Induktivität gekoppelt ist, zwischen deren Anschlüssen eine dritte Diode und ein dritter Kondensator in Serie geschaltet sind; dabei ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, die Stromventile in der Betriebsart eines Sperrwandlers bezüglich einer am dritten Kondensator anliegenden Spannung anzusteuern.
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Die zur Wandlung erforderliche Induktivität kann beispielsweise im Form eines Übertragers oder Transformators mit der weiteren Induktivität gekoppelt sein. Der Abwärtswandler kann als Sperrwandler (Hoch-Tiefsetzsteller, flyback converter) betrieben werden. Die Steuervorrichtung kann durch einen bekannten und industriell verfügbaren PWM-Steuerbaustein realisiert sein. Passende Steuerbausteine können in verschiedenen Ausführungsformen gut verfügbar sein und geringe Kosten verursachen. Eine kostenintensive programmierbare Steuervorrichtung kann vermieden und ein Entwicklungsaufwand für deren Programmierung eingespart werden.
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Es ist besonders bevorzugt, dass das erste Stromventil auf der Basis der am dritten Kondensator anliegenden Spannung angesteuert wird.
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Die Spannung am dritten Kondensator kann dazu verwendet werden, Energie für einen Treiberschaltkreis bereitzustellen, der das erste Stromventil ansteuert. Die Bereitstellung einer zusätzlichen unabhängigen Steuerspannung kann daher nicht mehr erforderlich sein. Der Treiberschaltkreis kann eine galvanische Trennung realisieren und beispielsweise einen Optokoppler umfassen. Während eines Startvorgangs des Abwärtswandlers, wenn die am dritten Kondensator anliegende Spannung noch zu gering ist, kann das erste Stromventil nicht betätigt werden, auch wenn bereits ein Steuersignal zu dessen Ansteuerung generiert wird.
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Die Steuervorrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Stromventile mittels Pulsweitenmodulationssignalen (PWM) mit gleichen Tastverhältnissen anzusteuern. Die Steuervorrichtung kann insbesondere als Push-Pull Controller ausgeführt sein. insbesondere ist bevorzugt, dass die Steuervorrichtung im spannungsgesteuerten Modus bezüglich der am dritten Kondensator anliegenden Spannung arbeitet.
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Es weiterhin bevorzugt, dass das zweite Stromventil mittels eines Bootstrap Drivers angesteuert wird. Der Bootstrap Driver ist bevorzugt als Halbbrücke mit einem oberen Schalter (high side switch) und einem unteren Schalter (low side switch) ausgeführt. Dabei kann der obere Schalter auf der Basis einer Spannung betrieben werden, die mittels einer Diode und eines weiteren Kondensators mittels des unteren Schalters bereitgestellt ist. Der Bootstrap Driver kann als integrierter Schaltkreis erhältlich sein, wobei der weitere Kondensator extern angeschlossen und somit vorteilhaft frei dimensioniert werden kann. Die Bereitstellung einer weiteren unabhängigen Spannung zum Ansteuern des zweiten Stromventils kann dadurch nicht mehr erforderlich sein.
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Es ist außerdem bevorzugt, dass eine Schaltung vorgesehen ist, um den ersten Kondensator (flying capacitor), der zwischen den Stromventilen und den Dioden liegt, während eines Startvorgangs des Abwärtswandlers rasch vorzuladen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zwischen den Potentialen der Eingangsspannung zwei Kondensatoren in Serie geschaltet, wobei von einer Verbindung der beiden Kondensatoren miteinander je eine Diode an einen Anschluss des ersten Kondensators führt. Dadurch kann der erste Kondensator beim Verbinden mit den Potentialen der Eingangsspannung extrem schnell aufgeladen werden. So kann vermieden werden, dass eines der Bauelemente des Abwärtswandlers während eines Startvorgangs mit einer höheren als der halben Eingangsspannung belastet ist. Diese Bedingung kann auch während des Startvorgangs eingehalten werden. Insbesondere das erste Stromventil und die Induktivität können daher weniger spannungsfest und somit kostengünstiger dimensioniert sein. Die Gesamtschaltung kann dadurch insgesamt günstiger, kleiner oder leichter realisiert werden.
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Es ist ferner bevorzugt, dass ein Startschaltkreis vorgesehen ist, der dazu eingerichtet ist, während eines Startvorgangs des Abwärtswandlers die erste und die zweite Diode kurzzuschließen. Dabei kann eine leitende Verbindung zwischen dem zweiten Stromventil und Masse hergestellt werden, etwa mittels eines Transistors, insbesondere eines FET. In einer Ausführungsform ist der Transistor ohne Ansteuerung geschlossen und kann aktiv geöffnet werden.
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Der Startvorgang beginnt, wenn der Abwärtswandler mit der Eingangsspannung verbunden wird. Ein erster Abschnitt des Startvorgangs endet, wenn das erste Stromventil zum ersten Mal aktiv geöffnet wird. Der Startschaltkreis kann verhindern, dass in diesem Abschnitt eine Spannung am ersten Kondensator kurzzeitig über einen vorbestimmten Wert überschießt. Der Wert kann im Wesentlichen die Hälfte der Eingangsspannung betragen. Um den Betrieb des Abwärtswandlers nach dem Startvorgang zu ermöglichen, kann der Startschaltkreis geöffnet werden, sodass die erste und die zweite Diode wirksam werden. Zum Deaktivieren des Startschaltkreises kann ein Signal verwendet werden, das die Bereitstellung von Steuersignalen der Steuervorrichtung an die Stromventile kontrolliert.
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Zur Bereitstellung einer Betriebsspannung für die Steuervorrichtung während eines Startvorgangs des Abwärtswandlers kann ferner ein Startspannungsregler vorgesehen sein. Der Startspannungsregler kann als kaskadierter Linearregler realisiert sein, bevorzugt mit zwei Stufen. Dabei kann der Startspannungsregler aus der Eingangsspannung oder einer anderen verfügbaren Spannung gespeist sein. Die durch den Startspannungsregler bereitgestellte Startspannung kann nur während des Startvorgangs erforderlich sein. Mittels einer geeigneten Schaltung, beispielsweise zweier Dioden, kann die Startspannung mit der Ausgangsspannung so zusammengeführt werden, dass die Steuervorrichtung automatisch aus der jeweils höheren der beiden Spannungen betrieben wird.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist über einem Stromventil eine Suppressordiode vorgesehen. Die Suppressordiode kann eine Z-Diode oder eine spezielle TVS-Diode (Transient Voltage Suppression) umfassen. Eine TVS-Diode kann eine Schaltzeit im Bereich weniger Nanosekunden aufweisen. Mittels der Suppressordiode kann sichergestellt sein, dass eine über dem geöffneten Stromventil anliegende Spannung, im Fall eines Feldeffekttransistors eine Drain-Source-Spannung, einen vorbestimmten Wert übersteigt. Dieser Wert kann einer zulässigen Spannung des Stromventils entsprechen oder ungefähr die Hälfte der Eingangsspannung betragen.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug einen Energiespeicher und einen hierin beschriebenen Abwärtswandler. Der Energiespeicher ist bevorzugt zum Betrieb eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs eingerichtet. Der Energiespeicher kann eine Eingangsspannung von ca. 400, ca. 800 oder ca. 900 Volt für den Abwärtswandler bereitstellen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Kraftfahrzeug;
- 2 einen Abwärtswandler in einem Blockschaltbild;
- 3 einen Abwärtswandler in einer beispielhaften Ausführungsform;
- 4 einen Abwärtswandler in einer Simulation; und
- 5 bis 8 Verläufe an einem simulierten Abwärtswandler
darstellen.
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1 zeigt ein beispielhaftes System 100 an Bord eines Kraftfahrzeugs 105. Das System 100 umfasst einen elektrischen Energiespeicher 110, einen Inverter 115 und einen elektrischen Antriebsmotor 120. Der Energiespeicher 110 ist dazu eingerichtet, eine Gleichspannung im Bereich von mehreren 100 Volt bereitzustellen. Mittels des Inverters 115 können auf der Basis der bereitgestellten Gleichspannung mehrere Wechselspannungen bereitgestellt werden, um den Antriebsmotor 120 zu steuern.
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Bevorzugt ist weiterhin an Bord des Kraftfahrzeugs 105 ein Abwärtswandler 125 vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, auf der Basis der vom Energiespeicher 110 bereitgestellten Spannung eine wesentlich geringere Gleichspannung an einer Schnittstelle 130 bereitzustellen. Die geringere Gleichspannung liegt üblicherweise im Bereich von wenigen 10 Volt und kann beispielsweise 10 Volt, 12 Volt, 20 Volt, 24 Volt, 36 Volt oder 48 Volt betragen, andere Spannungen sind ebenfalls möglich. Die durch den Abwärtswandler 125 bereitgestellte Spannung kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs 105 zu speisen. In einer anderen Ausführungsform kann die bereitgestellte Spannung zur Steuerung einer Einrichtung an Bord des Kraftfahrzeugs 105 verwendet werden, beispielsweise des Inverters 115.
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2 zeigt einen beispielhaften Abwärtswandler 125 in einem Blockschaltbild. In einem linken Bereich liegt eine Eingangsspannung 205 an, und in einem rechten Bereich wird eine Ausgangsspannung 210 bereitgestellt.
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Der Abwärtswandler 125 umfasst ein erstes Stromventil 215, das auch als M1 bezeichnet ist, ein zweites Stromventil 220, das auch als M2 bezeichnet ist, eine erste Diode 225, die auch als D1 bezeichnet ist, und eine zweite Diode 230, die auch als D2 bezeichnet ist. Außerdem ist eine Induktivität 235 vorgesehen, die auch als L1 bezeichnet und bevorzugt magnetisch mit einer weiteren Induktivität 240 gekoppelt ist, welche auch als L2 bezeichnet ist. Über den Stromventilen 215, 220 kann jeweils eine Suppressordiode D7, D8 vorgesehen sein. Eine Suppressordiode D7, D8 ist bevorzugt als TVS-Diode ausgeführt, kann aber auch als einfache Z-Diode realisiert sein.
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Der Abwärtswandler 125 umfasst in der dargestellten Ausführungsform ferner einen ersten Kondensator 245, der auch als C14 bezeichnet ist und weiter flying capacitor genannt werden kann. Ein zweiter Kondensator 250, der auch als C5 bezeichnet ist, liegt parallel zur Ausgangsspannung 210. Eine Steuervorrichtung 255 ist dazu eingerichtet, Steuersignale bereitzustellen, um die Stromventile 215 und 220 zu steuern.
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Die Stromventile 215, 220 sind bevorzugt als FET, insbesondere N-Kanal FET, ausgeführt. In der gezeigten Weise sind die Stromventile 215, 220 und die Dioden 225, 230 in Serie über die Eingangsspannung 205 geschaltet. Eine Verbindung zwischen dem ersten Stromventil 215 und dem zweiten Stromventil 220 ist mit einem ersten Anschluss des ersten Kondensators 245 verbunden. Eine Verbindung zwischen der ersten Diode 225 und der zweiten Diode 230 ist mit einem zweiten Anschluss des ersten Kondensators 245 verbunden. Eine Verbindung zwischen dem zweiten Stromventil 225 und der ersten Diode 225 ist mit einem ersten Anschluss der ersten Induktivität 235 verbunden. Ein zweiter Anschluss der ersten Induktivität 235 führt zum zweiten Kondensator 250, dessen anderer Anschluss mit dem niedrigen Potential der Eingangsspannung 205 verbunden ist.
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Die zweite Induktivität 240 ist bevorzugt mit einer Diode D4 und einem Kondensator C10 verbunden. Über der Diode D4 kann ein serielles RC-Glied, bestehend aus einem Widerstand R16 und einem Kondensator C13, vorgesehen sein. Parallel zum Kondensator C10 kann ein Widerstand R10 vorgesehen sein. Über dem Kondensator C10 bzw. dem Widerstand R16 kann eine Hilfsspannung 242 anliegen, deren hohes Potential als HV_H und deren niedrigeres Potential als HV_REF bezeichnet ist. Während des Betriebs des Abwärtswandlers 125 kann diese Spannung proportional zur Ausgangsspannung 210 sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung 255 dazu eingerichtet, die Stromventile 215 und 220 derart anzusteuern, dass die Hilfsspannung 242 einen vorbestimmten Wert aufweist. Dazu kann die Steuervorrichtung 255 PWM-Signale mit gleichen Taktverhältnissen aber unterschiedlichen Phasen an einen Treiber 260 für das erste Stromventil 215 und einen zweiten Treiber 265 für das zweite Stromventil 220 bereitstellen. Ein PWM-Signal für den ersten Treiber 260 ist hierin als GATE_A und ein PWM-Signal für den zweiten Treiber 265 als GATE_B bezeichnet.
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Der erste Treiber 260 kann eine galvanische Trennung der Steuervorrichtung 255 vom ersten Stromventil 215 realisieren und dazu beispielsweise einen Optokoppler umfassen. Eine Betriebsspannung des ersten Treibers 260 basiert bevorzugt auf der Hilfsspannung 242. Während eines Startvorgangs des Abwärtswandlers 125 kann der erste Treiber 260 das erste Stromventil 215 nicht öffnen, bevor seine Betriebsspannung ausreichend hoch ist.
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Der zweite Treiber 265 ist bevorzugt als Bootstrap Driver ausgeführt. Dazu kann der zweite Treiber 265 eine Halbbrücke mit einem oberen und einem unteren Schalter umfassen. Der obere Schalter kann mittels Energie betrieben werden, die über eine Diode in einem Kondensator gespeichert werden kann, während der untere Schalter geschlossen ist. Durch diese Konfiguration kann es nicht erforderlich sein, eine separate Betriebsspannung für den zweiten Treiber 265 bereitzustellen.
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Weiter bevorzugt ist ein kapazitiver Teiler 270 vorgesehen, der zwei in Serie geschaltete Kondensatoren C6 und C7 umfasst, die an der Eingangsspannung 205 liegen. Eine Verbindung zwischen den Kondensatoren C6 und C7 ist mittels Dioden D3 und D6 mit Anschlüssen des ersten Kondensators 245 verbunden. Mittels des kapazitiven Teilers 270 kann der erste Kondensator C14 beim Verbinden des Abwärtswandlers 125 mit der Eingangsspannung 205 aufgeladen werden.
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Um zu verhindern, dass die Spannung am ersten Kondensator 245 während des Startvorgangs einen vorbestimmten Wert übersteigt, kann ein Startschaltkreis 275 vorgesehen sein, der die Dioden 225 und 230 kurzschließt. Dazu ist vorliegend ein Feldeffekttransistor M3 vorgesehen. Um einen Betrieb des Abwärtswandlers 125 zu ermöglichen, muss der Kurzschluss wieder gelöst werden. Dazu kann ein Signal EN_1 verwendet werden, welches auch einen Betrieb der Steuervorrichtung 255 steuern kann. Die Steuervorrichtung 255 kann PWM-Signale GATE_A, GATE_B erst dann bereitstellen, wenn der Kurzschluss über die Dioden 225, 230 gelöst ist.
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3 zeigt einen Abwärtswandler 125 in einer beispielhaften Ausführungsform. Dabei baut die Darstellung auf die von 2 auf und detailliert Schaltblöcke bzw. ergänzt zusätzliche Bauelemente.
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Der erste Treiber 260 ist beispielhaft durch einen integrierten Schaltkreis des Typs TLP 5702 gebildet. Der zweite Treiber 265 ist exemplarisch durch einen integrierten Schaltkreis des Typs LTC 4440 A-5 gebildet. Die Steuervorrichtung 255 basiert auf einer Beschaltung eines integrierten Schaltkreises des Typs LTC 3712-1.
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Die Steuervorrichtung 255 kann auf der Basis der Ausgangsspannung 210 betrieben werden. Da diese während eines Startvorgangs des Abwärtswandlers 125 nicht verfügbar ist, kann ein Startspannungsregler 280 vorgesehen sein, der beispielsweise aus der Eingangsspannung 205 betrieben werden kann. Der dargestellte Startspannungsregler 280 ist als kaskadierter, zweistufiger Linearregler ausgeführt. Eine durch den Startspannungsregler 280 bereitgestellte Startspannung Vout2A und die Ausgangsspannung 210 können mittels zweier Dioden D14, D13 an die Steuervorrichtung 255 geführt sein, sodass die Steuervorrichtung 255 aus der höheren der beiden Spannungen betrieben werden kann.
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4 zeigt einen Abwärtswandler 125 in einer Simulation. Die Simulation folgt im Wesentlichen dem in 3 dargestellten Abwärtswandler 125, modelliert aber vorbestimmte Zusammenhänge durch idealisierte Bauelemente oder Ersatzelemente. Nicht alle verwendeten Bezeichnungen entsprechen denen von 3.
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5 bis 8 zeigen Verläufe während des Startens und Betreibens eines Abwärtswandlers 125. Für die 5 und 6 beträgt die Eingangsspannung 205 beispielhaft 900V, die Ausgangsspannung 210 soll 20V betragen, die Hilfsspannung 141 soll 10V betragen und eine Ausgangsleistung soll 15W erreichen können. Unter Anderem können folgende Zusammenhänge beobachtet werden (mit Referenzen auf Bauelemente der Ausführungsform von 3):
- - Der Abwärtswandler 125 ist im Betrieb spannungsgesteuert mit PWM-Signalen GATE_A, GATE_B gleicher Tastverhältnisse. Eine Spannung am ersten Kondensator 245 ist dadurch zu allen Zeitpunkten auf die Hälfte der Eingangsspannung 205 beschränkt. Die Steuervorrichtung 255 umfasst bevorzugt einen kommerziell erhältlichen push-pull-controller.
- - Der Startspannungsgenerator 280 stellt die während des Startvorgangs des Abwärtswandlers 125 benötigte Startspannung Vout2A bereit, um die Steuervorrichtung 255 zu betreiben, bis die Ausgangsspannung 210 verfügbar ist.
- - Die Ausgangsspannung 210 und die Startspannung Vout2A sind mittels zweier Dioden D13 und D14 an einen Betriebsspannungsanschluss VCC der Steuervorrichtung 255 geführt. Die Dioden D13, D14 bilden ein logisches ODER-Glied und stellen die jeweils höhere der Spannungen 210 und Vout2A als VCC bereit.. Der erste Treiber 160 und/oder der zweite Treiber 265 können ebenfalls an dieser Spannung betrieben werden.
- - Ein Steuersignal EN_1 kann von einer externen Steuereinrichtung bereitgestellt werden, um die Bereitstellung von PWM-Signalen GATE_A, GATE_B zu verhindern. Gleichzeitig kann mittels dieses Signals eine Verbindung zwischen dem zweiten Stromventil 220 und der ersten Diode 225 an das niedrige Potential der Eingangsspannung 205 (Masse) hergestellt oder getrennt werden.
- - Während des Startvorgangs wird der Bootstrap Kondensator C11 auf die Spannung VCC und der erste Kondensator 245 auf die Hälfte der Eingangsspannung 205 aufgeladen.
- - Sobald das Steuersignal EN_1 einen niedrigen Pegel aufweist, stellt die Steuervorrichtung 255 PWM-Signale GATE_A und GATE_B bereit.
- - Da zu diesem Zeitpunkt über dem Kondensator C10 noch keine ausreichende Hilfsspannung 242 anliegt, kann der erste Treiber 260 das erste Stromventil 215 nicht öffnen.
- - Während der Bootstrap Kondensator C11 auf VCC aufgeladen wird, werden bereits Steuersignale GATE_B für das zweite Stromventil 220 bereitgestellt. Das zweite Stromventil 220 wird dadurch geöffnet und geschlossen, sodass sich an der ersten Induktivität 235 eine Spannung Vdc/2 einstellt.
- - Diese Spannung hat eine rechteckige Form und eine Frequenz, die der Schaltfrequenz des zweiten Stromventils 220 entspricht. Die Scheitelspannung entspricht Vdc/2.
- - Mittels der ersten Induktivität 235 und dem zweiten Kondensator 240 wird diese Spannung gefiltert, sodass die Hilfsspannung 242 an C10 (HV_H, HV_REF) ansteigt.
- - Der erste Kondensator 245 entlädt sich jedes Mal, während das zweite Stromventil 220 geschlossen ist, sodass seine Spannung im Takt des GATE_B Signals abnimmt.
- - Sobald die Hilfsspannung 242 am Kondensator C10 ausreichend hoch ist, um den ersten Treiber 260 zu betreiben und das Stromventil 215 zu öffnen, wird das erste Stromventil 215 auf der Basis des GATE_A Signals geschaltet.
- - Der Startvorgang kann in zwei Abschnitte unterteilt werden. Ein erster Abschnitt beginnt mit dem Bereitstellen der Eingangsspannung 205 bzw. dem Verbinden des Abwärtswandlers 125 mit einer Spannungsquelle wie dem Energiespeicher 110. Der erste Abschnitt endet, wenn das erste Stromventil 215 geschlossen und der erste Kondensator 245 geladen wird. Die Hilfsspannung 242 umfasst dann eine zerhackte Gleichspannung mit einer Scheitelspannung von Vdc/2 und der doppelten Schaltfrequenz der Stromventile 215, 220.
- - In einem sich anschließenden zweiten Abschnitt des Startvorgangs stabilisiert sich die am ersten Kondensator 245 anliegende Spannung auf Vdc/2, während die Stromventile 215 und 220 alternierend und mit gleichen Pulsweiten geöffnet werden.
- - Die Ausgangsspannung 210 und die Hilfsspannung 242 (HV_H, HV_REF) steigen gegen Ende des Startvorgangs auf eine geregelte Gleichspannung an. Mit Erreichen dieser Spannung endet der zweite Abschnitt des Startvorgangs und der Abwärtswandler 125 befindet sich im stabilen Betrieb.
- - Sobald die Ausgangsspannung 210 die Spannung Vout2A übersteigt, schalten die Dioden D13, D14 um, sodass die Steuervorrichtung 255 und die beiden Treiber 260, 265 aus der Ausgangsspannung 210 betrieben werden.
- - Tastverhältnisse der Steuersignale der Stromventile 215, 220 bis zu diesem Zeitpunkt können mittels einer spannungsgesteuerten Regelschleife und einer Soft-Start Charakteristik der Steuervorrichtung 255 gesteuert werden.
- - Ein Schutz vor Überlastung kann bereitgestellt werden, indem ein Ausgangsstrom mittels eines Widerstands bestimmt wird. Übersteigt eine an dem Widerstand abfallende Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert, so kann die Bereitstellung von PWM-Signalen durch die Steuervorrichtung 255 abgeschaltet werden.
- - Der erste Kondensator 245 sollte ausreichend groß dimensioniert werden, sodass seine Spannung während des Startvorgangs nicht so weit absinkt, dass die Miller-Spannung des ersten Stromventils 215 nicht mehr überwunden und das erste Stromventil 215 nicht geöffnet werden kann. Seine Spannung sollte während des gesamten Startvorgangs aufrecht erhalten bleiben.
- - Als erstes Stromventil 215 kann ein FET mit einer niedrigen Miller-Spannung gewählt werden, um die Größe des ersten Kondensators 245 zu verringern.
- - Während des Startvorgangs kann der Abwärtswandler 125 als gewöhnlicher Abwärtswandler (buck converter) mit dem ersten Kondensator 245 als Spannungsquelle betrieben werden.
- - Gleiche Pulsweisen der GATE_A und GATE_B Signale sind unabdingbar, um sicherzustellen, dass die Spannung am ersten Kondensator 245 Vdc/2 nicht übersteigt. Dies kann nur im spannungsgesteuerten Modus erfolgen.
- - Eine Steuerung im Spannungsmodus erfordert eine Typ-3 Kompensation, die in der unten beschriebenen Simulation verwendet wird.
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5 zeigt zeitliche Verläufe von Strömen bzw. Spannungen am Abwärtswandler 125 von 4. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen. Ein erster Verlauf 505 betrifft einen Laststrom. Ein zweiter Verlauf 510 betrifft die Eingangsspannung 205, ein dritter Verlauf 515 eine am ersten Kondensator 245 anliegende Spannung. Ein vierter Verlauf 420 zeigt die Ausgangsspannung 210 und ein fünfter Verlauf 525 die Hilfsspannung 242. Es ist zu erkennen, dass die Schaltung ca. 50 ms benötigt, um eine stabile Ausgangsspannung 210 bereitzustellen.
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6 zeigt zeitliche Verläufe von Strömen bzw. Spannungen am Abwärtswandler 125 von 4. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen. Ein erster Verlauf 605 betrifft die Spannung, die an der Verbindung zwischen dem zweiten Stromventil 220 und der ersten Diode 225 anliegt. Ein zweiter Verlauf 610 betrifft das GATE_A Signal zur Steuerung des ersten Stromventils 215 und ein dritter Verlauf 615 das GATE_B Signal zur Steuerung des zweiten Stromventils 220. Ein vierter Verlauf 620 betrifft die zwischen Drain und Source des ersten Stromventils 215 anliegende Steuerspannung und ein fünfter Verlauf 625 die zwischen Drain und Source des zweiten Stromventils 215 anliegende Steuerspannung. Ein sechster Verlauf 630 betrifft die Hilfsspannung 242 und ein siebter Verlauf 635 die Ausgangsspannung 210.
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Für die 7 und 8 beträgt die Eingangsspannung 205 beispielhaft 55 V.
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7 zeigt zeitliche Verläufe von Strömen bzw. Spannungen am Abwärtswandler 125 von 4 während einer Startphase. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen. Ein erster Verlauf 705 betrifft den Laststrom (vgl. erster Verlauf 505 in 5). Ein zweiter Verlauf 710 betrifft die am ersten Kondensator 245 anliegende Spannung. Ein dritter Verlauf 715 betrifft die Eingangsspannung 205. Ein vierter Verlauf 720 betrifft die Hilfsspannung 242 und ein fünfter Verlauf 725 die Ausgangsspannung 210. Bezüglich der Verläufe 720 und 725 lassen sich ein erster Abschnitt 730 und ein zweiter Abschnitt 735 des Startvorgangs unterscheiden.
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8 zeigt zeitliche Verläufe von Strömen bzw. Spannungen am Abwärtswandler 125 von 4. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen. Ein erster Verlauf 805 betrifft das GATE_A Signal, ein zweiter Verlauf 810 ein Schaltsignal des ersten Stromventils 215. Ein dritter Verlauf 815 betrifft das GATE_B Signal, ein vierter Verlauf 820 ein Schaltsignal des zweiten Stromventils 215. Ein fünfter Verlauf 825 betrifft einen Laststrom (vgl. erster Verlauf 505 in 5). Ein sechster Verlauf 830 betrifft die Eingangsspannung 205 und ein siebter Verlauf 835 eine Spannung am ersten Kondensator 245. Ein achter Verlauf 840 betrifft die Hilfsspannung 242 und ein neunter Verlauf 845 die Ausgangsspannung 210.
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Bezugszeichen
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- 100
- System
- 105
- Kraftfahrzeug
- 110
- Energiespeicher
- 115
- Inverter
- 120
- elektrischer Antriebsmotor
- 125
- Abwärtswandler
- 130
- Schnittstelle
- 205, VIN
- Eingangsspannung
- 210, VOUT
- Ausgangsspannung
- 215, M1
- erstes Stromventil
- 220, M2
- zweites Stromventil
- 225, D1
- erste Diode
- 230, D2
- zweite Diode
- 235, L1
- Induktivität
- 240, L2
- weitere Induktivität
- 242
- Hilfsspannung
- 245, C14
- erster Kondensator, flying capacitor
- 250, C5
- zweiter Kondensator
- 255
- Steuervorrichtung
- 260
- erster Treiber
- 265
- zweiter Treiber
- 270
- kapazitiver Teiler
- 275
- Startschaltkreis
- 280
- Startspannungsgenerator
- 505
- erster Verlauf: Laststrom
- 510
- zweiter Verlauf: Eingangsspannung
- 515
- dritter Verlauf: Spannung am ersten Kondensator
- 520
- vierter Verlauf: Ausgangsspannung
- 525
- fünfter Verlauf: Hilfsspannung
- 605
- erster Verlauf: Spannung am Knotenpunkt zwischen zweitem Stromventil und erster Diode
- 610
- zweiter Verlauf: GATE_A Signal
- 615
- dritter Verlauf: GATE_B Signal
- 620
- vierter Verlauf: Steuerspannung des ersten Stromventils
- 625
- fünfter Verlauf: Steuerspannung des zweiten Stromventils
- 630
- sechster Verlauf: Hilfsspannung
- 635
- siebter Verlauf: Ausgangsspannung
- 705
- erster Verlauf: Laststrom
- 710
- Spannung am ersten Kondensator
- 715
- Eingangsspannung
- 720
- fünfter Verlauf: Hilfsspannung
- 725
- sechster Verlauf: Ausgangsspannung
- 730
- erster Abschnitt des Startvorgangs
- 735
- zweiter Abschnitt des Startvorgangs
- 805
- erster Verlauf: GATE_A
- 810
- zweiter Verlauf: Schaltsignal des ersten Stromventils
- 815
- dritter Verlauf: GATE_B
- 820
- vierter Verlauf: Schaltsignal des zweiten Stromventils
- 825
- fünfter Verlauf: Laststrom
- 830
- sechster Verlauf: Eingangsspannung
- 835
- siebter Verlauf: Spannung am ersten Kondensator
- 840
- achter Verlauf: Hilfsspannung
- 845
- neunter Verlauf: Ausgangsspannung
