DE10256121A1 - Umschaltbarer Gleichstromwandler für ein Netz mit zwei Spannungen und ein Netz mit zwei Spannungen, das mit einem derartigen Wandler ausgestattet ist - Google Patents

Umschaltbarer Gleichstromwandler für ein Netz mit zwei Spannungen und ein Netz mit zwei Spannungen, das mit einem derartigen Wandler ausgestattet ist

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Abstract

Umschaltbarer Gleichstromwandler (DC/DC) für ein Netz mit zwei Spannungen, einer hohen Gleichspannung, etwa 42 Volt, und einer niedrigeren Gleichspannung, etwa 14 Volt, wobei das Netz Mittel zum Schutz gegen Überspannungen umfaßt und Schutzmittel enthält, um sowohl den Wandler (1) als auch den Netzteil mit niedriger Spannung, an den er angeschlossen werden kann, gegen Überspannungen zu schützen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen umschaltbaren Gleichstromwandler (DC/DC) für ein Netz mit zwei Spannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Zweispannungsnetz, das einen solchen Wandler umfaßt.
  • Derartige Wandler sind bekannt und werden beispielsweise in Fahrzeugen verwendet, die mit einem Zweispannungs-Bordstromnetz ausgerüstet sind, wobei die 14-Volt-Spannung durch den Wandler erzeugt wird.
  • Bei Zweispannungsnetzen fällt das Überspannungsproblem noch größer als bei Einspannungsnetzen aus, da die Überspannung aus dem Innern des Netzes stammen kann. Wenn nämlich ein Kurzschluß zwischen einem Leitungsdraht mit 42 Volt und einem Leitungsdraht mit 14 Volt auftritt, stellt sich am 14-Volt-Netz ein während des Betriebs inakzeptables Potential ein. Gegenwärtig halten die meisten 14-Volt- Gehäuse 24 Volt im Dauerzustand und 35 Volt im Übergangszustand im Falle einer Überspannung stand, die bei einer Abschaltung der gesamten Last sowie beim Abklemmen der Batterie an den Klemmen des Wechselstromgenerators erzeugt wird. Wenn die Gehäuse die 42-Volt-Spannung feststellen, besteht die Möglichkeit, daß sie entweder ihren Betrieb einstellen oder daß sie zerstört werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für das Überspannungsproblem bei Zweispannungsnetzen vorzuschlagen.
  • Um dieses Problem zu lösen, ist der erfindungsgemäße Wandler DC/DC dadurch gekennzeichnet, daß er mit Bauelementen ausgestattet ist, die sowohl den Schutz des Wandlers als auch des Netzes, an das er angeschlossen ist, ermöglichen.
  • Nach einem Merkmal der Erfindung umfaßt der Wandler hochspannungsseitig eine Schutzschaltervorrichtung, die im Eingangsbus in Reihe geschaltet und in der Lage ist, eine Umkehrung der Spannung an ihren Klemmen hochspannungsseitig zu ermöglichen und zu halten.
  • Nach einem anderen Merkmal der Erfindung umfaßt die Schaltervorrichtung wenigstens einen MOSFET-Transistor.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt der Wandler niederspannungsseitig wenigstens eine Zener-Diode, die zwischen den Klemmen des Wandlers gegenparallel geschaltet ist.
  • Das Verständnis der Erfindung sowie weiterer Aufgaben, Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung wird durch die nachfolgende erklärende Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen erleichtert, die ausschließlich als Beispiel zur Veranschaulichung einer Ausführungsart der Erfindung angeführt werden. Darin zeigen im einzelnen:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Wandlers und
  • die Fig. 2A und 2B in Drauf- bzw. Seitenansichten den Anbringungsort einer Schutzdiode am Kühlkörper eines erfindungsgemäßen Wandlers.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren soll im folgenden die Erfindung in ihrer Anwendung bei einem mit DC/DC bezeichneten umschaltbaren Gleichstromwandler für ein 42-Volt-/14-Volt-Zweispannungsnetz beschrieben werden.
  • Der erfindungsgemäße umschaltbare Wandler DC/DC kann beispielsweise entsprechend den folgenden drei Konfigurationen geschaltet sein. Erstens ist der Wandler DC/DC an zwei Batterien angeschlossen, einerseits an eine 36-Volt-Hochspannungsbatterie für einen 42-Volt-Betrieb und andererseits an eine 14-Volt- Niederspannungsbatterie. Zweitens ist der Wandler ausschließlich an eine 36-Volt-Hochspannungsbatterie angeschlossen, und schließlich ist der Wandler ausschließlich an eine 14-Volt-Niederspannungsbatterie angeschlossen.
  • In einer anderen Ausführungsart kann der Wandler DC/DC hochspannungsseitig an einen 36-Volt-Superkondensator und niederspannungsseitig an eine 14-Volt-Batterie angeschlossen sein. Diese Ausführungsart ist besonders vorteilhaft für rotierende elektrische Maschinen, die in einem Anlasser-Generator-Modus betrieben werden, der Energierückgewinnungs- oder Energiezufuhrphasen erfordert.
  • Wie dies in Fig. 1 zu erkennen ist, umfaßt ein solcher, insgesamt durch die Bezugsnummer 1 bezeichneter Wandler im wesentlichen, wie an sich bekannt, auf der 42-Volt-Seite zwei Schalter, die aus MOSFET- Transistoren T1, T2 des n-Kanal-Typs bestehen, die zwischen der Klemme Bh des 42-Volt-Potentials und der Masse O in Reihe geschaltet sind und an denen ein Kondensator C1 parallel geschaltet ist Die MOSFET-Transistoren werden durch Anlegen einer Spannung an ihre Steuerelektrode a so gesteuert, daß sie abwechselnd leitend sind und dadurch eine zerhackte Spannung an der Induktivität L erzeugen. Diese Induktivität L ist zwischen einem Anschlußpunkt P der beiden Transistoren und der 14-Volt-Niederspannungsklemme Bf des Wandlers geschaltet. Zwischen dieser Klemme B und der Masse O ist ein Kondensator C2 geschaltet. Diese Struktur und ihre Funktionsweise sind bekannt, so daß sie an dieser Stelle nicht mehr im einzelnen zu beschreiben sind.
  • Erfindungsgemäß ist ein MOSFET-Transistor T3 im Eingangsbus auf der 42-Volt-Seite zwischen der Klemme Bh und der Reihenschaltung der beiden Transistoren T1, T2 geschaltet. Der MOSFET-Transistor T3 wird durch ein an seine Steuerelektrode a angelegtes Steuerpotential auf Öffnen oder Schließen gesteuert, so daß er als Schalter wirkt.
  • Auf der Seite der niedrigeren 14-Volt-Spannung, das heißt zwischen der Klemme Bf und der Masse, ist eine gegenparallel geschaltete Zener-Amplitudenbegrenzerdiode D1 angeordnet.
  • Was die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wandlers betrifft, so ermöglicht der n-Kanal-MOSFET-Transistor T3 durch Anlegen eines Sperrsignals an seine Steuerelektrode a die Sperrung des Stroms, wenn die Polung der Batterie umgekehrt wird, oder im Falle eines am 42-Volt-Hochspannungsnetz auftretenden Kurzschlusses. Die Hinzufügung des Transistors T3 ermöglicht die Ausführung der Schutzfunktion ohne Verlust des Vorteils der Umschaltbarkeit des Wandlers. Der MOSFET-Transistor bietet den zusätzlichen Vorteil, daß er einen niedrigen Ersatzwiderstand aufweist und daher die Leistungsverluste des Wandlers im System zur Erzeugung von elektrischer Energie minimiert. Um die Kosten der besagten MOSFET- Transistoren zu optimieren, werden im übrigen, insoweit diese Schalter nur statisch im System im Falle eines Handhabungsfehlers eingesetzt werden, Bauelemente verwendet, deren Durchbruchspannung knapp über der Batteriespannung, das heißt 36 Volt, liegt. Es besteht die Möglichkeit, auf 35 Volt spezifizierte Bauelemente zu benutzen, wodurch sich ihre Kosten und ihr Innenwiderstand im leitenden Zustand entsprechend verringern lassen.
  • In dem dargestellten Beispiel umfaßt die Schutzschaltervorrichtung nur einen einzigen MOSFET-Transistor T3. Es können jedoch auch mehrere Transistoren verwendet werden, die dann parallel geschaltet werden. In bestimmten Fällen können die MOSFET-Transistoren durch Relais ersetzt werden, bei denen es sich um kostengünstigere Bauelemente mit insbesondere temperaturbezogenen Einsatzgrenzen handelt.
  • Auf der 14-Volt-Seite des Wandlers ermöglicht die Zener-Diode D1 eine Verbindung der Schutzfunktionen des Wandlers und des 14-Volt- Netzes. Es könnten auch mehrere Zener-Dioden verwendet werden. Was die Funktion der Zener-Diode(n) D1 betrifft, so arbeitet die Diode, wenn aus einem beliebigen Grund ein Kurzschluß zwischen den 14- Volt- und 42-Volt-Netzteilen auftritt, als Avalanchediode, wobei sie es ermöglicht, das 14-Volt-Netzteil zu schützen und die am 42-Volt- Netzteil befindliche Kopfsicherung zum Schmelzen zu bringen. Dadurch wird es folglich möglich, sowohl die Spannung am 14-Volt-Netzteil auf 35 Volt maximal zu begrenzen und die Sicherungen auf der 42-Volt- Seite schneller zum Schmelzen zu bringen, um die Abschaltung herbeizuführen. Die Grenzspannung am Ausgang des Wandlers ermöglicht außerdem die Verwendung von Ausgangswandlern, deren Spannungsfestigkeit auf 25 Volt im Dauerzustand und 35 Volt im Übergangszustand begrenzt ist.
  • Im Falle einer Umkehrung des Anschlusses der 42-Volt-Hochspannungsbatterie gibt vorteilhafterweise ein am 42-Volt-Bordstromnetz befindliches Gehäuse zur Abschaltung der Hochspannungsbatterie den Anschluß nicht frei. In allen Fällen ist der Transistor T3 gesperrt, so daß der Wandler DC/DC und das 42-Volt-Bordnetz geschützt sind.
  • Vorteilhafterweise ist eine Sicherung FBf zwischen der Kathode der Diode D1 und dem Niederspannungseingang Bf angebracht. Diese Sicherung FBf schützt den Wandler 1 und das 14-Volt-Netz gegen eine Umkehrschaltung der 14-Volt-Niederspannungsbatterie.
  • Was die Zener-Diode(n) D1 betrifft, so handelt es sich bei der Gleichrichterdiode für den Wechselstromgenerator um eine Bauelement der Wahl zur Ausführung ihrer Funktion. Dieses Bauelement ist letztlich ausgelegt, um die vom Wechselstromgenerator kommenden und als LOAD DUMP bezeichneten Lastabfälle zu halten. Diese Diode ermöglicht eine Ableitung der Energie durch Avalancheeffekt, was für diese Funktion von entscheidender Bedeutung ist.
  • Die Fig. 2A und 2B zeigen ein vorteilhaftes Beispiel für die Anbringung der Diode am Wandler, damit sie diese Energie durch Avalancheeffekt ableiten kann. Die Figuren zeigen den beispielsweise aus Aluminium ausgeführten Kühlkörper 2 des Wandlers mit seinen Kühlrippen 3.
  • Die Amplitudenbegrenzerdiode D1 ist bei 5 in den Kühlkörper, in dessen Fuß 4, eingesteckt. Der Sockel der Diode ist mit der Masse, das heißt mit dem Kühlkörper, verbunden. Der Anschluß der Diode ist durch Elektroschweißen oder Löten an der Steckleiste für gedruckte Schaltungen oder an der gedruckten Schaltung des Wandlers befestigt. Diese Konfiguration ermöglicht die Integration der Diode mit minimalen Änderungen am Kühlkörper. In dieser Position wird die Diode gekühlt und kann den Beanspruchungen, die sie aushalten soll, einwandfrei standhalten.
  • Was wiederum den Schutz des Wandlers auf der 14-Volt-Niederspannungsseite betrifft, so besteht die Möglichkeit, wie auf der 42-Volt- Seite, ebenfalls MOSFET-Transistoren zu verwenden. Auf der 14-Volt- Seite ist der Strom jedoch dreimal größer, wodurch dann die Verwendung von dreimal mehr MOSFET-Transistoren mit ebenfalls dreimal so großen Auswirkungen auf die Leistung notwendig würde. Dadurch ergäben sich inakzeptable Mehrkosten für eine Funktion, die einem Betriebsmodus entspricht, der nur sehr punktuell auftritt und aus einer unsachgemäßen Benutzung des Systems resultiert.

Claims (9)

1. Umschaltbarer Gleichstromwandler (DC/DC) für ein Netz mit zwei Spannungen, einer hohen Gleichspannung, etwa 42 Volt, und einer niedrigeren Gleichspannung, etwa 14 Volt, wobei das Netz Mittel zum Schutz gegen Überspannungen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß er Schutzmittel umfaßt, um sowohl den Wandler (1) als auch den Netzteil mit niedriger Spannung, an den er angeschlossen werden kann, gegen Überspannungen zu schützen.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er hochspannungsseitig eine Schaltervorrichtung (T3) umfaßt, die im Eingangsbus in Reihe geschaltet und in der Lage ist, eine Umkehrung der Spannung an ihren Klemmen hochspannungsseitig zu ermöglichen.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltervorrichtung (T3) eine Steuerelektrode umfaßt, an die ein Sperrpotential bei einer Umkehrung der Spannung an ihren Klemmen (B4) hochspannungsseitig angelegt wird.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltervorrichtung (T3) wenigstens einen MOSFET-Transistor umfaßt.
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltervorrichtung (T3) eine Mehrzahl parallel geschalteter MOSFET-Transistoren umfaßt.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er niederspannungsseitig wenigstens eine Zener-Diode (Dl) umfaßt, die zwischen den Klemmen (Bf) und der Masse (0) des Wandlers gegenparallel geschaltet ist.
7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Diode (D1) am Kühlkörper (2) des Wandlers (1) angebracht ist, wobei der Sockel der Diode am Kühlkörper befestigt ist.
8. Wandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sicherung (FBf) zwischen dem Niederspannungseingang (Bf) des Wandlers und der Kathode der Zener-Diode (D1) geschaltet ist, um den Wandler und das Niederspannungsnetz im Falle einer Batterieumpolung zu schützen.
9. Zweispannungsnetz für die Versorgung mit elektrischer Energie, insbesondere Zweispannungsnetz für Kraftfahrzeuge, umfassend einen Gleichspannungswandler und Mittel zum Schutz gegen Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.
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