EP3915186A1 - Dc-dc converter with bridge circuit for voltage-free switching, and associated method - Google Patents

Dc-dc converter with bridge circuit for voltage-free switching, and associated method

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Publication number
EP3915186A1
EP3915186A1 EP20701433.3A EP20701433A EP3915186A1 EP 3915186 A1 EP3915186 A1 EP 3915186A1 EP 20701433 A EP20701433 A EP 20701433A EP 3915186 A1 EP3915186 A1 EP 3915186A1
Authority
EP
European Patent Office
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coil
zvs
current
bridge
transformer
Prior art date
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Pending
Application number
EP20701433.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Nicolae Daniel BOLOHAN
Egi NAZERAJ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brusa Hypower Ag
Original Assignee
Brusa Elektronik AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Brusa Elektronik AG filed Critical Brusa Elektronik AG
Publication of EP3915186A1 publication Critical patent/EP3915186A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • DC-DC CONVERTER WITH BRIDGE CIRCUIT FOR POWERless SWITCHING AND RELATED METHOD
  • the invention relates to the technical field of bridge circuits.
  • the present invention relates to a bridge circuit, a DC-DC converter with the bridge circuit, a method for operating a bridge circuit and a programming element.
  • ZVS Zero Voltage Switching
  • Bridge circuit a method for operating a bridge circuit and a program element specified.
  • a bridge circuit has a first and a second high-side switch, a first and a second low-side switch, a transformer with a primary coil and a secondary coil, a coil and a current injection device.
  • the first high-side switch and the first low-side switch are connected to a first bridge connection in a series circuit in order to form a first bridge branch.
  • the second high-side switch and the second low-side switch are connected to a second bridge connection in a series connection in order to form a second bridge branch.
  • the first and second bridge branches are each connected to a first and a second input connection in a parallel circuit, the secondary coil having a first and a second output connection.
  • the primary coil and the coil or inductor are connected in series to the first
  • Current impressing device is set up to impress a predetermined current into the coil at a predetermined point in time.
  • a DC / DC converter direct current / direct current converter
  • a method for operating a bridge circuit is specified, the method comprising operating the switches of the bridge circuit in such a way that a predetermined circuit is operated
  • a program element comprising a program code, which is set up, when it is executed by a processor, to carry out the method for operating a bridge circuit.
  • a floppy disc, hard disk, USB (Universal Serial Bus) storage device, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory) or EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) may be used as a computer-readable storage medium.
  • An ASIC application-specific integrated circuit
  • an FPGA field-programmable gate array
  • SSD solid-state drive
  • a web server or a cloud can also be used as a storage medium.
  • Computer-readable storage medium may also be viewed as a communications network, such as the Internet, which may allow program code to be downloaded. It can be a radio-based network technology and / or one
  • wired network technology can be used.
  • the use of a current injection device can ensure that existing energy is withdrawn from a switch of the bridge circuit in order to switch the switch in a state that is as currentless as possible.
  • the switch in a state that is as currentless as possible.
  • a coupling between the further coil and the coil is low.
  • the coupling between the further coil and the coil is less than the coupling between the primary coil and the secondary coil of the transformer.
  • a coupling of the further coil and the coil has a lower magnetic coupling factor than the coupling between the primary coil and the secondary coil of the transformer.
  • This low coupling factor of the ZVS transformer may allow a current to be injected into the coil, but not load the circuit with a high voltage.
  • the low coupling factor of the ZVS transformer can provide a large leakage inductance of the ZVS transformer, which allows magnetic energy to be stored, but which has only a minor influence on the output performance of an inverter. If, contrary to the low coupling factor, the ZVS transformer, which has the coil and the current shaping device, had a high or good coupling factor, the remaining inductance would not be sufficient to summarize or withdraw the energy which is required for ZVS conditions.
  • the high leakage inductance or the leakage inductance of the ZVS transformer is used to generate or impress a current that is required to achieve ZVS (Zero Voltage Switching).
  • the magnetic coupling factor between the further coil and the coil may have a value of approximately 0.9 with a maximum possible value of 1.
  • Coupling factors of typical power transformers may be in the range of 0.995.
  • the main transformer may also have a magnetic coupling factor of approximately 0.995 and thus be significantly larger than the magnetic coupling factor of the ZVS
  • the bridge circuit further has a high-side capacitor and a low-side capacitor.
  • the high-side capacitor and the low-side capacitor are connected in series at a third bridge connection to form a third bridge branch, the third bridge branch being connected to the first and second input connections and the further coil being the third bridge connection connects to at least one of the first bridge connector and the second bridge connector.
  • the two capacitors, the high-side capacitor and the low-side capacitor keep the ZVS transformer at a medium voltage potential.
  • the magnetic core of the ZVS transformer is balanced and the first high-side switch and the first low-side switch can be controlled with a symmetrical switching pattern.
  • Bridge circuit on a synchronous rectifier.
  • the synchronous rectifier is connected to the first and second output terminals.
  • the synchronous rectifier can be actively controlled.
  • the control can be designed such that the synchronous rectifier is short-circuited for a predeterminable duration during a free-running phase of the bridge circuit or the phase-shifted full bridge.
  • the current in the ZVS additional transformer can be increased, in particular an additional current can be impressed in a coil of the ZVS additional transformer T zvs .
  • This additional current can be used to switch the ZVS and / or ZCS to the respective one To enable switching phase belonging to the high-side switch and / or low-side switch by this switch making a transition from one switching state to the other, essentially without a voltage being present across this switch.
  • Bridge circuit a control device which is connected to each of the first and second high switches and low switches.
  • the control device is set up to operate the switches in such a way that the predetermined current is impressed into the coil by the current impressing device at the predetermined point in time.
  • Secondary switches may also be used for impressing, for example switches of a secondary rectifier and / or the synchronous rectifier. This switching of the switches may take place during a freewheeling phase.
  • the control device may, for example, be set up in such a way that it operates switches on the secondary side such that the predetermined current is impressed into the coil.
  • the switch or switches on the secondary side may be switches of a rectifier on the secondary side and / or a synchronous rectifier.
  • the secondary switch and / or the plurality of secondary switches may be implemented using MOSFET components.
  • the level of the impressed current may be able to be determined indirectly through the time period for which the one, the two and / or the plurality of secondary switches are switched simultaneously and thus the one, the two and / or the plurality of secondary coils are short-circuited. This short-circuiting of the secondary coil and / or the plurality of secondary coils may take place during one freewheeling phase of one of the high-side switches and / or the low-side switches.
  • control device is further configured to operate the and / or the high-side switch and / or low-side switch in such a way that the predetermined current is impressed into the coil when the predetermined one Time the current through the coil is below a predetermined threshold.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a DC-DC converter with a bridge circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows a block diagram of a DC-DC converter with a bridge circuit and two main transformers according to an exemplary embodiment! of the present invention.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a DC-DC converter with a bridge circuit and a main transformer with center tap according to an example
  • FIG. 4a shows diagrams of various signal profiles of a PSFB without using the additional transformer according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4b shows diagrams of different signal profiles of a PSFB using the additional transformer according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 5a shows a section from diagram 4a according to an example
  • 5b shows a section from diagram 4b according to an example
  • FIGS. 1 to 5b The representations in the figures are schematic and not to scale. In the following description of FIGS. 1 to 5b, the same reference numbers are used for identical or corresponding elements.
  • capacitor and “capacitance” as well as “coil” or “choke” and “inductance” may be used interchangeably and, unless stated otherwise, should not be interpreted restrictively.
  • high-side may refer to a connection to a live potential.
  • low-side may refer to a connection with a reference potential.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a DC-DC converter 100 with a bridge circuit 101 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • PSFB phase-shifted full bridge
  • Bridge circuit 101 can be achieved with phase-shifted switching behavior. These good switching conditions may be achieved if an essentially voltage-free switching of the respectively active switches A, B, C, D can be established.
  • the voltage-free switching, ZVS (Zero Voltage Switching) or zero voltage switching makes it possible to avoid high switching losses, which can arise in particular when switching high voltages due to parasitic elements in the switches A, B, C, D, since energy is stored in these parasitic elements may be against which the switches A, B, C, D must be worked against.
  • ZCS Zero Current Switching
  • a bridge circuit 101 can be used, for example, in a DC-DC converter 100 to convert an input voltage V in to an output voltage V out .
  • V in and V out are direct voltages.
  • Bridge circuit 101 converted to an alternating current (AC) and converted back to the output DC voltage by means of rectification.
  • AC alternating current
  • V n high voltages
  • the voltages Vin are provided, for example, by the DC intermediate circuit of the electric vehicle.
  • the voltage Vin can also come from the on-board component of a charging device.
  • the DC-DC converter 100 can be used instead of an alternator of a vehicle for providing the on-board voltage 12V.
  • the 12V on-board voltage is not generated directly by mechanical work, but rather by the DC-DC converter 100 converting the high voltage (HV) of an HV battery (DC voltage, DC) into the 12V on-board voltage of an EV (electrical vechicle) or PHEV (plug - converts into hybrid electric vehiclescie).
  • the HV is in a load circuit or intermediate circuit
  • the energy extracted from the HV circuit is used to charge a 12V on-board supply battery on which the 12V
  • the OBC unit (not shown in FIG. 1) that Vin supplies is used to charge the DC link's HV battery.
  • the OBC unit itself obtains its energy, for example, from an AC power supply (also not shown in FIG. 1), the so-called main, for example via an AC or three-phase connection. Therefore, the voltages Vin of the HV direct voltages (DC) can be in the range of 400V - 800V or in a range less than 800V.
  • Bridge circuit 101 is configured in such a way that it can deal with voltages of corresponding size and fluctuation range,
  • the voltage V in is supplied to the bridge circuit 101 via a first input terminal 102 and a second input terminal 103rd
  • the first input connection 102 may be referred to as a high-side connection 102 and the second input connection 103 may be referred to as a low-side connection 103.
  • These input connections 102, 103 form a parallel connection of the first 107 and the second 108 bridge arm.
  • the first bridge branch 107 is formed from a series connection of the first high-side switch A and the first low-side switch B.
  • the second bridge branch 108 is formed from the series connection of the second high switch C and the second low-side switch D.
  • the first high-side switch A has the control connection 104a
  • the first low-side switch B has the control connection 104b
  • the second high-side switch C has the control connection 104c
  • the second low-side switch D has the control connection 104d.
  • the control connections 104a, 104b, 104c, 104d are connected to a control device, not shown in FIG. 1, which controls the switches ABC, D in a phase-shifted manner.
  • the control is carried out by means of the control device such that essentially the first high-side switch A and the second low-side switch D are switched simultaneously. And so that the second high-side switch C and the second low-side switch B are switched simultaneously.
  • a pause or dead time is provided between the switching of the switches belonging to one another, during which no switch is activated and during which all switches are open.
  • a switching ratio d of 50% is essentially provided during the switching process, so that essentially the switch combinations A, D and B, C are active for the same length of time.
  • the switch pairs A, D and and B, C which are switched essentially simultaneously, are arranged diagonally to the coil T and / or the coil T3 B , so that the switching of the switch pairs A, D and / or B, C for reversed current flow through the coil T3 B ensures.
  • the control pattern for the phase-shifted control of the switches ABC, D essentially corresponds to a control pattern or control scheme used for a phase shift switching full bridge (PSFB).
  • FIG. 4a shows a diagram 400a of an extended signal curve of a PSFB with subsequent A / B without using the additional transformer according to one
  • Circuit diagram 400a shows a selection of signal profiles for operating a phase-shifted full bridge converter circuit without a ZVS transformer T zvs .
  • the current I T1A through the primary coil decreases, since in this phase the leading branch C, D is switched.
  • the current I T1A continues to decrease since here, by simultaneously connecting switches B, D, a circuit with switch B, switch D and primary coil T 1 A is formed. The current decreases due to the current flow circulating in this freewheeling circuit.
  • the circuit formed in the freewheeling phase II behaves like an RL circuit, which is formed from the line resistances and the primary coil T 1A .
  • the line resistances cause losses caused by the current which flows to break down the stored magnetic energy. Due to the losses that occur during the freewheeling phase II, the magnetic energy stored in the inductance T1 A during the switching or transition phase 404 a of the lagging branch 107 (lagging leg transition) A, B is lower than in FIG.
  • Transition phase 406a of leading leg transition C, D Consequently, there is insufficient magnetic energy available to fully discharge the parasitic capacitances of switches A, B of the lagging branch, for example the parasitic capacitances of a MOSFET switch A, B
  • 4b shows diagrams of different signal profiles, in particular voltage profiles and current profiles depending on a switching behavior of a bridge circuit 101 and / or a synchronous rectifier SR1, SR2 when using the
  • Additional transformer T zvs according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the current I T1A continues to rise after the switchover phase 406b because the T3 B winding of the T zvs transformer is short-circuited, while at the same time half the input voltage is present at the T3 A winding of T zvs .
  • the increase in the primary current I T1A continues until the switchover instant 404b of the lagging branch (lagging leg) MB, in which the low-side switch B 104b is switched off and the high-side switch A 104a is switched on.
  • the increase in the primary current I T1A allows the available magnetic energy to be increased during the lagging leg MB transition 404b.
  • Transition phase 404b of the switching of the trailing branch 107 A / B take place as a soft transition and a soft ZVS on switching of the switch A 104a is carried out.
  • the circuit diagram 400b shows, as drain-source voltage Vds A, the profile of the voltage across the high-side switch A, that is, the profile of the voltage between the connection 102 and the bridge point 105 in the first bridge branch 107 in the event that the additional transformer T corresponds accordingly Fig. 1 is used.
  • Circuit diagram 400a shows as drain-source voltage Vds A the corresponding voltage curve in the event that no additional transformer is used and thus only the primary coil T1A is solely responsible for switching the high switch A.
  • 5a shows a section from diagram 4a according to an example
  • Embodiment of the present invention shows the switching phase 404a of the switch A of the trailing branch 107, in particular that
  • Control voltage of switch A for example the gate voltage, if switch A is implemented as a MOSFET.
  • Voltage curve A indicates that switch A cannot be discharged before the switching process is carried out, as can also be seen from point 407a of the curve of switching signal Vds A , so that only hard switching takes place.
  • 5b shows a section from diagram 4b according to an example
  • Embodiment of the present invention. 5 shows the ZVS switching process of switch A 104a. Assuming that switch A is implemented as a MOSFET, after the switching process in switching phase 404b at point 408b of the course of the gate voltage of switch A there is no Miller Plateau available. The voltage across the switch A 104a, for example the drain-source voltage Vds A , has already dropped to 0 V when switching, as is illustrated at point 407b. So is a
  • signal A corresponds to gate voltage Vg at switch A 104a
  • signal B corresponds to gate voltage Vg at switch B 104b
  • signal C corresponds to gate voltage Vg at Switch C 104c
  • the signal D of the gate voltage Vg at the switch D 1Q4d
  • the switches A 104a, B 104b, C 104c, D 104d are designed as normally blocking MOSFETS. This means that the application of a voltage to the respective gate or a high pulse in diagrams 400a, 400b corresponds to a closed switch through which current can flow.
  • the use of self-conducting MOSFETs is also possible with inverse signs.
  • the signal SR1 corresponds to the gate voltage at the switch SR1.
  • the signal SR2 corresponds to the gate voltage at the switch SR2.
  • the signal I 1A corresponds to the time course of the primary current through the coil T1 A , in particular through the primary coil T1 A.
  • the signal Vds A corresponds to the time course of the drain-source voltage in
  • FIGS. 4a, 5a, 4b, 5b show the same control patterns of switches A, B, C, D, SR1, SR2, although a different control pattern would possibly be used in a PSFB without T zvs according to FIG. 4a, since switches SR1, SR2 would not be short-circuited during freewheeling phase II in order to achieve ZVS switching.
  • a bridge branch 107, 108 can be referred to as a leg 107, 108.
  • the second bridge branch 108 or leg CD 108 which has the switches C and D, is actuated as a leading branch 108.
  • the first bridge branch 107 or leg AB 107 which has the switches A and B, is driven as a lagging leg 107.
  • leg CD 108 is phase-shifted compared to leg AB in order to control and / or regulate the output voltage Vout through the phase shift.
  • Diagram 400a shows the control pattern for the switches A, B, C, D in the event that no ZVS transformer T zvs , ie no coil T3 A and no coil T3 B is used.
  • the time profile of the diagram 400a is essentially divided into four phases I, II, III and IV.
  • the diagram 400b shows the control pattern for the switches A, B, C, D in the event that the ZVS transformer T zvs is used, that is to say that the coil T3 A and the coil T3 B are used.
  • control patterns for switches A, B, C, D are essentially the same for both diagram 400a and diagram 400b. Likewise, the division of phases I, II, III and IV.
  • the control patterns of the synchronous rectifiers SR1, SR2 in diagrams 400a and 400b also correspond.
  • phase I switches B 104b and C 104c are switched on or activated ("B & C on").
  • This phase I is referred to as the energizing phase.
  • energy and / or power from the supply source V in for example the HV battery, which is connected to the nodes 102, 103, is transferred to the load (not shown in FIG. 1) at the connections 1 10a, 110b, V transferred out .
  • the current flow therefore takes place in phase I essentially via node 102, switch C, primary coil T1 A and, if coil T3 B is present, via T3 B , via switch B in node 103.
  • phase I is considered for the case that no transformer T zvs is provided, for the case that neither the coil T3 A nor the coil T3 B is present.
  • the associated signal curves are shown in Figs. 4a, 5a shown.
  • the current IT IA in the main transformer T1 A increases with a slope according to the formula:
  • i denotes the current I T1A through the primary coil T1 A
  • Vo 'de notes the voltage at the primary coil T1 A , which is generated by the voltage V out at the connections 110a, 110b at the load (not shown) via the transformer T1 to the primary side of the transformer T1 A , is reflected.
  • L 1 'de notes the inductance of the coil T1 A. The dash at Vo 'and LT indicates that these are values that have been reflected in the primary coil T1 A.
  • i designates the primary current I T1A , n zvs the number of turns of the ZVS transformer T zvs and 2 n zvs the double number of turns, it being assumed that the coils T3 A and T3 B have the same number of turns n.
  • the energy supply phase I “B&C on” only the change in the current I T1A through the primary coil over time is affected by the provision of the ZVS transformer T zvs and there are therefore essentially no changes compared to the control method of a PSFB circuit in which the ZVS transformer T zvs is not provided.
  • the greater the number of turns n zvs of the ZVS transformer T zvs the less noticeable the ZVS transformer T zvs .
  • transition phase 406a, 406b between phase I and phase II.
  • the switch C 104c is switched off, via the in phase I the current I T1A has been supplied and the switch D 104d is switched on (turn-off C / turn-on D).
  • This transition phase 406a, 406b is called the transition of the leading bridge branch 108 (leading leg transition). 2.a) In the case of Figs.
  • the parasitic capacitance of switches C and D is substantially completely discharged or charged during transition phase 406a.
  • the energy used for discharging and / or charging is taken up or given off by the leakage inductance (not shown in FIG. 1) of the primary winding T1 A in the form of magnetic energy.
  • the magnetic energy of the leakage inductance of the primary winding T1 A is determined as follows:
  • DE L denotes the change in energy in the primary leakage inductance L lk of transformer T1 and I the current I T1A through the primary coil T1 A.
  • this formula generally refers to the achievement of a ZVS condition using switches A and B and is not limited to phase II only. If there is sufficient current in the main transformer T1A, C and D are switched and ZVS can also be reached for these two switches.
  • ZVS switching A and B
  • the change in the inductive energy stored in the primary leakage inductance of T1 should be greater than the change in the capacitive energy DE c stored in the parasitic capacitances C mos of the switches A and B.
  • the leakage inductance on the primary side should be dimensioned such that this condition is met.
  • Formula (4) expresses that the energy stored in the leakage inductance of the coil T1 A must be greater than the energy stored in the parasitic capacitances C mos of the switches C and D and the energy stored in the parasitic capacitance C tr of the transformer T1 is stored.
  • the switching operation “turn-off C / turn-on D” of the leading branch 108 during the transition phase 406a is usually a smooth transition, since the current I TA1 is at its maximum value and the energy of the leakage inductance is sufficiently large to fully charge and discharge the capacitors C mos and C tr .
  • transition phase 406a which follows the end of the energy supply phase I, the two switches C, D of the leading branch 108 (leading leg) 108 are switched over essentially simultaneously. There is only a small dead time between switching off C and switching on D.
  • the closed switch C of the leading branch 108 is opened during the transition phase 406a and the open switch D of the leading branch 108 is closed “turn-off C / turn-on D”. Since switches A, B of trailing branch 107 are not yet actuated, switch A remains open and switch B is closed.
  • switches A, C are open and / or are opened during the transition phase 406a and since the current flowing further through T1 A is sufficiently large to discharge parasitic charges from the bridge point 106 and thus from the switches C, D, both can Switch C and switch D are switched in the transition phase 406a essentially under ZVS conditions.
  • the diagrams 400b result, as shown in Figs. 4b, 5b.
  • these diagrams essentially do not differ from the transition process 406a from FIG. 2a), in which no ZVS transformer is provided.
  • the control procedure is also essentially the same.
  • the primary coil T1A drives the current I T1A that has flowed during phase I via the primary coil T1 A and the coil because of the drop in current T3 B , as well as via switch B, node 103 and switch D.
  • the freewheeling loop thus has the primary coil T1 A , the coil T3 B , the switch B, the low-side node 103 and the switch D.
  • Phase II following transition phase 406a, 406b is referred to as free-running phase II.
  • the low-side switches B 104b and D 104d are switched on (B & D on), i.e. closed and the high-side switches A, C opened.
  • l p is the peak current that flows during the transition phase 406a “transition of the leading leg branch” from 2. following the energy supply phase I.
  • the resistance value r ds, on is the on-resistance of the Switch B or D, for example the MOSFET B or D.
  • the end of the freewheeling phase II determines the further transition phase 404a, which is characterized in that the switches A, B of the trailing branch 107 are switched in this further transition phase 404a.
  • the high-side switch A is switched on or closed and the low-side switch B is switched off or opened. If the leakage inductance is too small and / or insufficient current I T1A flows through the primary winding T1 A of the main transformer T1, the lagging switching process can occur Branch 107 in the transition phase 404a no ZVS switching can be achieved. Because if one only increased the leakage inductance of T1, this would affect the output performance. Therefore, increasing the leakage inductance is essentially avoided. The current cannot be increased easily. However, the use of the ZVS transformer and the simultaneous activation of switches SR1 and SR2 during the free-running phase managed to increase the current
  • the current I T1A through the primary winding T1 A of the main transformer T1 can be increased if the transformer is used by means of the ZVS that during the free-running phase II before the transition phase 404b, the synchronous rectifiers SR1, SR2 are activated or closed simultaneously. Before the switches A, B of the lagging branch 107 are switched, the synchronous rectifiers SR1, SR2 are simultaneously activated or closed, as a result of which the output 110a, 110b and in particular the secondary coil T1B are short-circuited. This simultaneous activation of SR1, SR2 generates an additional current pulse in the primary coil T1 A , which increases the current I T1A and thus also results in an increase in the current through the ZVS transformer.
  • the ZVS transformer can be used to simultaneously activate the synchronous rectifiers SR1, SR2 during the freewheeling phase II, II B during the transition phase 404b ZVS to create conditions for switching switches A, B during transition phase 404b.
  • phase II by activating the low-side switches B and D, a closed circuit is formed from the series connection of the ZVS secondary coil T3 B , the primary coil T 1 A and the two switches B and D. While this primary-side circuit is formed by simultaneously connecting the first low-side switch B and the second low-side switch D to the negative potentials with the bridge connections 105 and 106, the two switches SR1, SR2 of the secondary-side rectifier become shortly before the activation of the switches A, B of the lagging branch 107 activated during the final phase II A , II B. According to FIGS. 4a and 4b, only the first synchronous rectifier SR1 is activated in the final phase II A , II B , since the second synchronous rectifier SR2 is already activated.
  • the second synchronous rectifier SR2 is switched off before the further transition phase 404a, 404b, that is to say before the switches A, B of the lagging branch 107 are actuated.
  • the two switches SR1, SR2 in the end phase II A , II B the two connections of the secondary coil T1 B are simultaneously connected to the same potential, for example to the ground potential and in this way, before the transition phase 404a, 404b of the trailing branch 107 a circuit is formed on the secondary side from the secondary coil T1 B and the two switches SR1, SR2.
  • This (in terms of magnitude) current increase which is additionally caused by the leakage inductance L Ik and the secondary-side short-circuiting, can be seen in FIG. 4b at point 409b in the region of the end of the free phase II B , while SR1 and SR2 are on.
  • This current rise is before the transition phase 404b, while in the same area II of FIG. 4a, without a T zvs , a drop in the current i T1A can be seen.
  • switch B 104b is switched off and switch A 104a is switched on (turn-off B / turn-on A).
  • This phase 404a, 404b “turn-off B / turn-on A” is referred to as the transition of lagging leg 107 (lagging leg transition) A / B.
  • the current increases continuously, but in the opposite direction, so that the current at points 405a, 405b of 0A differs.
  • the amount of current increase depends on the output power of converter 100. This current provides the ZVS conditions when switching the switches C, D of the leading branch 108.
  • phase II A and / or IV A the conditions for ZVS switching of A and B are not reached. Only if, as can be seen in phases II B and / or IVB, a ZVS transformer is present and the switches SR1, SR2 are switched on at the same or the same time, ZVS conditions for switching A and B can be achieved. Alternatively or additionally, the leakage inductance of T1 could also be increased, which, however, can lead to losses in the output performance and therefore, when it is carried out, is carried out only to a small extent.
  • the current i can 1A after a sudden surname in the transition phase 406a, 406b, the current flow i 1A during the freewheeling phase II after the other until the end portion II A, II B is reached.
  • the courses of the current i 1A of FIGS. 4a and 4b correspond regardless of whether the ZVS transformer T zvs is present or not
  • the phase 404a of the transition of the lagging branch 107 is a critical phase, since it is related to the freewheeling phase II connects. Because, as can be seen in FIG. 4a as well as in FIG. 5a at reference number 407a, lies in Area of transition 404a of trailing branch 107 still has voltage across switch A while switch A is actuated. The actuation of the switch is shown at reference number 408a. In the example that the switch A is realized by a MOSFET, the switch A is activated at its gate in the area 408a, the entire voltage VDSA still being present at its drain-source connection in this time area.
  • 5a shows the detail 404a in the region of the transition of the lagging leg transition 107 (lagging leg transition) in the event that no transformer T zvs is provided.
  • Transformer T zvs is provided, as shown in Figs. 4b, 5b, by activating the switches SR1, SR2 during the final phase II B, an increased current I T1A flows during the final phase II B. Because of the increased current flow in the final phase II B , a smooth transition when switching A and B can be generated. The current i T1A does not stop at the point 405b, but continues to flow, in particular it continues to rise during the final phase Ile of the freewheeling phase II up to the point 409b. This increase in
  • Rectifiers SR1, SR2 reinforced on the primary side.
  • the ZVS transformer T zvs i.e. the combination of the coils T3 A or T3 B , has the function during the freewheeling phase II or IV and in particular in an end region II B or IV B, ie during the time interval during which the switches SR1, SR2 are activated at the same time and short-circuit the secondary coil T1 B to increase the primary current I 1A . Since the low-side switches B and D during the freewheeling phase II
  • the voltage across T3 B is kept at 0V during the freewheeling phase II.
  • the voltage reflected in the primary coil from the secondary side is therefore also zero.
  • the voltage across the coil T3 A is half that
  • Input voltage 1 ⁇ 2 V in The voltage across T3 B is kept at 0V during freewheeling phase II. While the voltage of the T3 A winding is not equal to zero, the current increases linearly through the ZVS transformer T zvs . This current is proportional to the time that SR1 and SR2 are activated and inversely proportional to the leakage inductance of T zvs .
  • the switch B can be switched under ZVS conditions during the transition phase 404b immediately after the freewheeling phase II, in particular the low-side switch B can be switched under ZVS Conditions are turned off.
  • the current additionally impressed by the coil T3 A into the coil T3 B is conducted into the connection node 105 between the switches A and B and thereby helps all the charge in parasitic elements from the high-side switch A and / or to remove all voltage across the high-side switch A and to provide ZVS conditions for switching the switch A.
  • the high-side switch A of the lagging branch 107 can be switched by a short dead time after the low-side switch B of the lagging branch 107 under ZVS conditions, as shown in FIG. 5b.
  • the two switches A, B of the lagging branch 107 may apply that the two switches A, B of the lagging branch 107 are switched essentially simultaneously during the transition phase 406b.
  • the high-side switch A of the lagging branch 107 is switched in time after the low-side switch B of the lagging branch 107.
  • the high-side switch A of the lagging branch 107 may be switched during phase III after the low-side switch B of the lagging branch 107, which is switched during the freewheeling phase II.
  • the low-side switch B of the lagging branch 107 is switched before the second synchronous rectifier SR2 and the high-side switch A of the lagging branch 107 is switched after the second synchronous rectifier SR2.
  • the switch A of the trailing branch 107 which is in the freewheeling loop, is again switched first. Since the voltage in this freewheeling loop is kept at 0V, switch A of the following branch can be switched under ZVS conditions. If this switch is switched, the current additionally generated by switching the synchronous rectifiers SR1, SR2 can be used to also switch the second switch B under ZVS conditions.
  • the switching behavior of the switches A 104a, B 104b, C 104c, D 104d is shown in Figs. 4a, 4b, 5a, 5b the same, regardless of whether the ZVS transformer Tzvs is present, as shown in Figs. 4b, 5b is required or does not exist, as shown in Figs. 4a, 5a is required.
  • This switching behavior corresponds to the switching behavior of a phase shifted full bridge (PSFB), so that the ZVS transformer T zvs can be retrofitted to every PSFB without changing the switching behavior.
  • PSFB phase shifted full bridge
  • the ZVS transformer Tzvs provides the current increase 409a in the final phase II B of the freewheeling phase II or the current increase with the opposite sign in the
  • V in Vds A + Fds B
  • 5b shows the detail in the area of the switching interval 404b or the transition phase 404b.
  • the switching time 407b of the switches A and B of the lagging leg branch in the event that a transformer T zvs is provided, the voltage Vds A across the switch A has dropped to essentially 0 V, so that ZVS Switching is possible.
  • the switches A, B are connected in the first bridge connection 105 and the switches C, D are connected in series in the second bridge connection 106.
  • the first bridge connection 105 and the second bridge connection 106 are also connected via a series connection of the coil T3 B and the primary coil T1 A of the main transformer T1.
  • the coil T3 B may 1 A of the main transformer to be construed as an additional coil T3 B TO the primary coil T, since it can be used to increase the total inductance of the series connection of T1 A and T3 B.
  • a high total inductance between the nodes 105 and 106 can improve the ZVS behavior of the bridge circuit 101.
  • the additional coil T3 B can with a current injection device T3 A or
  • the current injection device T3 A can be coupled.
  • the current injection device T3 A is also a coil T3 A.
  • the coil B T3 may be coupled to low magnetic coupling and thus form the additional transformer T zvs or ZVS transformer T zvs with the auxiliary coil B T3.
  • the ZVS switching of switches A and B can be achieved using a small transformer T zvs with low magnetic coupling.
  • the Stromeingarge stimulating T3 A forms the primary coil T3 A of the auxiliary transformer T and the auxiliary coil zvs T3 A, the secondary coil T3 A forms the additional transformer T ⁇ zvs
  • the DC-DC converter By connecting the additional transformer T zvs in series with the main transformer T1, good output capability for the phase shifted full bridge can be achieved. If the input voltage V in falls below a predeterminable value, the DC-DC converter cannot generate a voltage which is able to supply a load connected to the output 110a, 110b, for example the output of the DC-DC converter manages it not to charge a 12V battery if that
  • Input voltage V in is too low. If a current injection device T3 A or a primary winding T3 A is provided, which is coupled to a secondary coil T3 B , which is connected in series with the primary coil T1A of the main transformer, this performance of the output 110a, 110b can be increased.
  • a current injection device T3 A or a primary winding T3 A is provided, which is coupled to a secondary coil T3 B , which is connected in series with the primary coil T1A of the main transformer, this performance of the output 110a, 110b can be increased.
  • Output performance can therefore be characterized in that even with a low input voltage V in , a load can still be supplied with a power at the output of the DC-DC converter, but this is then also due to the low power
  • Input voltage V may be low.
  • Voltage range V in depending on the state of charge of the high-voltage battery (HV battery) connected to the high-side node 102 and the low-side node 103 can be large. All switches A, B, C, connected to the primary coil T1 A of the main transformer T1
  • D are called primary switches. These can be realized with the help of MOSFETs A, B, C, D. In order to enable a ZVS for all primary switches A, B, C, D, the series connection of the auxiliary coil T3 B with the primary coil T1 A is
  • Main transformer T1 provided.
  • the additional voltage at the additional coil T3 B enables the good output capability at the output 110 to be achieved.
  • T3 B The voltage drop across T3 B affects the performance of output 110 and the addition of a primary coil T3 A which is magnetically coupled to T3 B increases the performance of the output by increasing the voltage applied to the primary side of main transformer T1 becomes.
  • T zvs has a two-fold effect on increasing the performance of the output.
  • the voltage applied to the primary coil T1 A of the main transformer T1 increases by a value given by the formula. Due to the increased input voltage of the
  • n tr is the number of turns of the main transformer T1.
  • a ZVS transformer T zvs can reduce switching losses.
  • Transformer T zvs it takes a predetermined time until a primary voltage on the primary coil T1 A also appears on the secondary coil T1 B after this
  • Free-running state must transition into a state in which the output current is reflected at the primary coil T 1 A. It is desirable to increase the stored magnetic energy in order to enable a long free run in which the
  • the magnetic energy is broken down. If this magnetic energy were increased by providing a high inductance of T 1A , this would result in high switching losses (duty loss) lead. Using the ZVS transformer, the magnetic energy can be increased by providing a current without increasing the inductance of T 1A .
  • T 1A Stray inductance of T 1A and thus the switching losses (duty loss) can be reduced.
  • the storage of high magnetic energy is necessary in order to establish ZVS conditions for the transition of the switches A, B of the downstream branch 107, in particular if the switches A, B are implemented as MOSFETs.
  • the ZVS transformer T zvs is dimensioned in such a way that the magnetic energy that enables the ZVS transition of the trailing branch 107 is stored. Storing a higher magnetic energy essentially does not improve the switching behavior.
  • the ZVS transformer Since the ZVS transformer also has a leakage inductance, the ZVS transformer stores the magnetic energy in its leakage inductance. This magnetic energy is proportional to the peak current which flows through the ZVS transformer T zvs . This peak current in turn is proportional to that
  • Time interval of the freewheeling phase during which the switches SR1 and SR2 are switched on simultaneously is determined in the design of the circuit so that it can take up enough energy to bring about ZVS conditions, and is difficult to change thereafter.
  • the current required to create ZVS conditions is determined by the length of time controlled during which the switches SR1 and SR2 are switched on simultaneously during the freewheeling phase.
  • Freewheeling phases II and IV is required can be regarded as a duty loss, which can be quantified as follows:
  • DI is the current difference between the current through T1 A after the
  • DD is a time value that corresponds to a region along a time axis and f is the frequency of the PWM.
  • DD Is the amount of time it takes for the current to change. This time duration DD should be as short as possible in order to achieve good output voltage capability.
  • the time interval DD increases with increasing load at output 110, since the current difference DI increases. This increase in switching losses DD can only take place in a limited range, since from a certain value they are so severe that output 110 is no longer able to provide the required output voltage Vout, for example for charging a 12V battery.
  • the ZVS region ie the range of input voltages v in , in which ZVS is possible can be increased by the
  • the ZVS region i.e. the area of
  • Input voltages V in at which the DC-DC converter circuit 100 can still be operated efficiently, are increased by the current I T1A , which during the Free-running phase II flowing through T1 A is increased, while at the same time the leakage inductance L ik of the transformer T1 is kept low.
  • Dl is also increased, which increases switch-on losses, more magnetic energy can also be stored at the same time. If the current is increased, more magnetic energy can be stored, but power losses and / or line losses (RMS (Root Mean Square) losses) also increase. Soft switching or ZVS switching, however, reduces the line losses
  • the primary side of the DC-DC converter is configured as a phase-shifted full bridge (PSFB) with an additional small transformer T zvs to switch the zero-voltage switching (ZVS) of the primary-side switches A and B of the lagging branch 107 to support.
  • PSFB phase-shifted full bridge
  • ZVS zero-voltage switching
  • the stored magnetic energy can be increased by impressing a current, in particular the current for neutralizing parasitic charges on the switches A, B, C, D and in particular on the switches A, B of the lagging branch 107. This neutralization can take place very quickly, so that the DC-DC converter 100 can work with a high switching frequency f.
  • a soft switching or a ZVS switching can essentially always be implemented in a PSFB, that is to say regardless of whether the ZVS transformer T zvs is present or not.
  • the DC input voltage V in corresponds to the voltage of the HV battery.
  • the voltage V in can range from 240V to 470V or 400V to 800V for
  • Input voltage V in can depend on the state of charge of the HV battery.
  • Duty cycle ratio of the PWM used depends on the input voltage Vin present. However, other types of
  • T zvs if different voltage ranges are to be supplied, for example 240V to 470V or 400V to 800V.
  • the same voltages are present at the primary switches A, B, C, D as at points 105, 106.
  • the DC-DC converter is a control circuit is provided (not shown in Fig. 1), the duty, the duty ratio ( ratio) of the control signal of the switches A, B, C, D changed to
  • Vout 12V.
  • the pulse duty factor and / or the frequency of the switches A, B, C, D must be increased in order to ensure a stable and / or constant output voltage Vout.
  • the pulse duty factor is determined from the quotient of the duration of the energy supply phase I and the sum of the duration of the energy supply phase I and the duration of the
  • Frequency for the control signals for A, B, C, D, SR1, SR2 remains constant and is not varied.
  • the energy transmission and / or power transmission via the main transformer T1 depends on the primary voltage, only a small amount of power and / or energy could be transmitted via the main transformer T1 due to the reduced primary voltage and the power that can be provided with the voltage Vout would be reduced.
  • connection circuit between 105 and 106 there is a high in the connection circuit between 105 and 106
  • Inductance is desirable in order to provide high magnetic energy at a high input voltage v in for discharging the switches A, B of the lagging branch 107 and thereby to enable ZVS switching.
  • the inductance provided by the inductance of the primary coil T1 A was increased further and further by series connection of an additional inductance T3 B , the performance of the output voltage Vout or the output power would be reduced further and further, since the discharging of the switches A, B of the lagging branch 107 especially at high voltages v in either could not be done quickly enough or not completely. This means that the DC-DC converter could only be operated in very low voltage ranges. While the primary side of the main transformer T1 is essentially on the
  • Main transformer T1 a DC voltage of 14.5V or a voltage from the range of about 12 V to 15V, which is provided as output voltage V out, for example, a radio or other consumer of the vehicle electrical system.
  • Output power by increasing the voltage applied to the primary coil T1 A of the main transformer T1. Since the primary coil T1 A of the main transformer T 1 is connected in series with the secondary coil T3 B of the ZVS transformer, the performance of the output voltage (output voltage capability) increases. In order to compensate for this influence, the primary coil T3 A is provided, which is connected between the switching node 105 and the fixed potential 11. A voltage which is applied to the primary coil T3 A generates a voltage at the secondary coil T3 B. This voltage on the secondary coil T3 B increases the voltage on the primary coil T1 A and ensures good output voltage performance.
  • a single-stage DC-DC converter is a DC-DC converter that converts a first voltage level into a second voltage level only once without generating further intermediate voltage levels
  • One side or a connection of the primary coil T3 A of the additional transformer T zvs is connected to the first bridge connection 105 and to one side of the additional coil T3 B or the secondary coil T3 B of the additional transformer T zvs .
  • the other side or the other connection of the primary coil T3 A of the additional transformer T zvs is connected to a third bridge branch 109, which is formed as a series connection of two capacitors C1 and C2.
  • This other side of the primary coil T3 A of the additional transformer T zvs is connected between the first capacitor C1 and the second capacitor C2.
  • the third bridge branch 109 is connected to the first input connection 102 and connected to the second input connection 103 and is connected in parallel to the first 107 and second 108 bridge branch.
  • the third bridge arm 109 ensures that a connection of the coil T3 A is kept at a fixed or constant potential.
  • a change in the voltage of the primary coil T3 A of the ZVS transformer, which impresses a current into the secondary coil T3 B thus depends on a change in the potential of the bridge points 105 and 106. This also affects the by switching the synchronous
  • a first synchronous rectifier (Synchronous Rectifier, SR) SR1 and a second synchronous rectifier (Synchronous Rectifier, SR) SR2 is connected in parallel to the secondary coil T1 B of the main transformer T1. These are connected via a first output coil L1 and a second output coil L2 and an output capacitor C0 to the output 110 of the DC-DC converter 100, via which the output voltage V out is provided.
  • the synchronous rectifier SR1, SR2 is operated in such a way that the positive or negative half-wave which is induced in the secondary coil T1 B is passed on to the smoothing capacitor Co with the same polarity, so that an output DC voltage V out is generated.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a DC-DC converter 200 with a bridge circuit 101 and two main transformers T1, T2 according to an example
  • the current on the secondary side of the main transformer 1 is divided into four coils L1, L2, L3, L4 and four synchronous rectifiers SR1, SR2, SR 1 ', SR2', which simplifies the efficiency of the circuit and the treatment of the current leaves.
  • the main transformer T1 from FIG. 1 is divided into the two main transformers T1, T2.
  • the primary coil T1 A of the first main transformer is coupled to the secondary coils T1 B and T1 C of the first main transformer.
  • Main transformer is with the secondary coils T2B and T2c of the first
  • the output circuits 112a, 112b essentially correspond to the output circuit 112 from FIG. 1. However, in each of them
  • Output circuits 112a, 112b a secondary side of the two transformers T1, T2 utilized.
  • the synchronous rectifiers SR1 and SR1 ' are operated in the same way and the synchronous rectifiers SR2, SR2' are operated in the same way.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a DC-DC converter with a bridge circuit and a main transformer with center tap according to an exemplary embodiment
  • Embodiment of the present invention In this circuit variant, only one output coil L1 is provided.
  • the converter circuits shown in FIGS. 1-3 can be used both as a current doubler and as a center tap configuration on the secondary side.
  • the center tap 301 is arranged on the secondary side of the main transformer T1 ”and connected to the two sub-secondary coils T1 B “ and T1 C “and the coil L1.
  • the two sub-secondary coils T1 B “and T1 C " are also with the
  • Rectifiers SR1 "and SR2" connected. There is a ground connection between the rectifiers SR1 "and SR2", which is also connected to one of the output connections.
  • the capacitor C0 is connected in parallel to the output.
  • lagging leg A / B is included for a case in which there is no load at the output 110, that is to say for the no-load case or idling.
  • the synchronous rectifiers SR1 and SR2 are switched on simultaneously during the freewheeling phase II B of the low-side switches B, D in order to provide a short pulse across the secondary coil T1 B through the
  • the additional transformer T zvs is connected in series with the main transformer T1 and helps to impress a current into the coil T3 B of the additional transformer.
  • ZVS switching of high switch A 104a can be achieved. Because if there is no load at the output, the output current is 0A and the output load R load is undetermined.
  • the output voltage V out is regulated to a constant 14.5 V independently of the load, for example by changing the frequency and / or the duty cycle of the PWM switches A, B, C, D.
  • the energy supply phase III is followed by another free-running phase IV, namely the free-running phase of the high-side switches A 104a and C 104c.
  • a free-wheeling circuit is formed from switch A 104a, C 104c, additional coil T3 B and primary coil T1 A.
  • phase-shifted full-bridge topology with an additional inductance T3 B , which is connected in series with the transformer T 1
  • ZVS switching or soft switching can be achieved if the additional inductance T3 B is part of a transformer T zvs .
  • the additional transformer T zvs has a low coupling factor between the primary coil T3 A and the secondary coil T3 B - the low coupling is achieved, for example, by a magnetic core with a slot. Energy that can be used for ZVS can be temporarily stored in the additional transformer T zvs . Due to the low coupling of the ZVS
  • Transformer T zvs maintains a leakage inductance in T zvs , because the part of the magnetic flux that does not couple into the secondary coil becomes noticeable as leakage inductance.
  • This additional leakage inductance can be regarded as a further inductance, which is in series with T3 B , even if the leakage inductance is not a tangible component.
  • the size of the leakage inductance can also be influenced via the coupling factor.
  • the leakage inductance can also store magnetic energy, which can then be converted back into an electrical current flow in order to support ZVS by discharging the bridge point 105. If a configuration with only one additional coil T3 B without primary coil T3 A or another coil T3 A is used, i.e.
  • Transformer T zvs magnetic energy can be used.
  • the energy controlled by the current determined by the length of time
  • the ZVS transformer T zvs thus, by activating the synchronous rectifiers SR1, SR2 over a predeterminable period of time II B, contributes to increasing the primary current I T1A to such an extent as it does in the freewheeling phase II for the ZVS switching of the switches of the lagging branch 107 is required.
  • ZVS switching can be achieved in the primary switches A, B, C, D, regardless of the load at output 110
  • Primary current ITIA is increased instead of increasing the inductance of the secondary coil T3 B ZU, which would lead to a reduction in output power. Since the magnetic energy in the secondary coil is T3 B according to formula (3), the increase is
  • Each additional series connected inductor which as a real component or as
  • the output capability of the output 110 of the DC-DC converter 100 is reduced, for example in relation to a constant output voltage v out to be provided as a function of a wide range of input voltages V in .
  • This reduction in output performance can have a negative effect if the output voltage V out of converter 100 is to be regulated to a constant output voltage
  • the input voltage varies within a wide range, for example in the range from 240 V to 470V, depending on the state of charge of an HV battery.
  • the inductance connected in series may be necessary to enable smooth switching under ZVS conditions.
  • a series inductance would degrade the output performance of converter 100 because, for example, it is no longer possible to generate a constant output voltage of 14.5V when the input voltage Vin is at a lower range limit, e.g. at 240V in a range of 240V to 470 V, and at the same time ZVS conditions should be met. Because it would actually be desirable to get by without the T3 B series inductor. But then no ZVS would be possible and the efficiency of the converter would be low.

Abstract

The invention relates to a bridge circuit (101) having: a first (A) and a second (C) high-side switch; a first (B) and a second (D) low-side switch; a transformer (T1) having a primary coil (T1A) and a secondary coil (T1B); a coil (T3B); a current impressing device (T3A); wherein: the first high-side switch (A) and the first low-side switch (B) are connected in series at a first bridge connection (105) in order to form a first bridge branch (107); the second high-side switch (C) and the second low-side switch (D) are connected in series at a second bridge connection (106) in order to form a second bridge branch (108); the first (107) and second (108) bridge branches are connected in parallel at a first (102) and a second (103) input connection; the secondary coil (T1B) has a first (110a) and a second (110b) output connection; the primary coil (T1A) and the coil (T3B) are connected in series in order to connect the first bridge connection to the second bridge connection; and the current impressing device (T3A) is configured to impress a predefined current into the coil (T3B) at a predefined point in time.

Description

DC-DC-WANDLER MIT BRÜCKENSCHALTKREIS ZUM SPANNUNGSLOSEN SCHALTEN SOWIE ZUGEHÖRIGES VERFAHREN DC-DC CONVERTER WITH BRIDGE CIRCUIT FOR POWERless SWITCHING AND RELATED METHOD
Gebiet der Erfindung Field of the Invention
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet von Brückenschaltkreisen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Brückenschaltkreis, einen DC-DC-Wandler mit dem Brückenschaltkreis, ein Verfahren zum Betreiben eines Brückenschaltkreises und ein Programmeiement. The invention relates to the technical field of bridge circuits. In particular, the present invention relates to a bridge circuit, a DC-DC converter with the bridge circuit, a method for operating a bridge circuit and a programming element.
Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
Zum effektiven Betreiben von Brückenschaltkreisen wird angestrebt, dass diese möglichst schalten, wenn keine Spannung anliegt. Diese Art zu schalten wird als ZVS (Zero Voltage Switching) Schalten bezeichnet. Um die Schaltungen einfach zu halten, besteht die Herausforderung beim ZVS Schaltzeitpunkte optimal einzustellen und keine aufwendigen Zusatzschaltungen, wie beispielsweise Messschaltungen zu verwenden, die ein Feedback an die Steuerung für die Schalter geben. In order to operate bridge circuits effectively, the aim is to switch them as far as possible when there is no voltage. This type of switching is called ZVS (Zero Voltage Switching) switching. In order to keep the circuits simple, the challenge with the ZVS is to optimally set switching times and not to use complex additional circuits, such as measuring circuits, which give feedback to the control system for the switches.
Insbesondere bei dem Betrieb einer Brückenschaltung in einem Hochspannungs- Gleichstromnetzes, wie es beispielsweise bei dem Hochspannungskreis eines In particular when operating a bridge circuit in a high-voltage DC network, as is the case, for example, in the high-voltage circuit
Elektroautos zum Einsatz kommt, können aufgrund der eingesetzten hohen Spannungen hohe Verluste auftreten, wenn die Schalter nicht im richtigen Moment geschaltet werden. If electric cars are used, high losses can occur due to the high voltages used if the switches are not switched at the right moment.
Es mag als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine effektives ZVS Schalten zu ermöglichen. Zusammenfassung der Erfindung It may be considered an object of the present invention to enable effective ZVS switching. Summary of the invention
Dementsprechend wird ein Brückenschaltkreis, ein DC/DC-Wandler mit dem Accordingly, a bridge circuit, a DC / DC converter with the
Brückenschaltkreis, ein Verfahren zum Betreiben eines Brückenschaltkreises und ein Programmelement angegeben. Bridge circuit, a method for operating a bridge circuit and a program element specified.
Der Gegenstand der Erfindung wird von den Merkmalen der unabhängigen The object of the invention is characterized by the features of the independent
Patentansprüche angegeben. Ausführungsbeispiele und weitere Aspekte der Erfindung werden von den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung angegeben. Claims specified. Exemplary embodiments and further aspects of the invention are specified by the dependent claims and the following description.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brückenschaltkreis angegeben. Der Brückenschaltkreis weist einen ersten und einen zweiten High-Side-Schalter, einen ersten und einen zweiten Low-Side-Schalter, einen Transformator mit einer Primärspule und einer Sekundärspule, eine Spule und eine Stromeinprägeeinrichtung auf. In diesem Brückenschaltkreis sind der erste High-Side-Schalter und der der erste Low-Side-Schalter an einem ersten Brückenanschluss in einer Serienschaltung verbunden, um einen ersten Brückenzweig zu bilden. Außerdem sind der zweite High-Side-Schalter und der zweite Low-Side-Schalter an einem zweiten Brückenanschluss in einer Serienschaltung verbunden, um einen zweiten Brückenzweig zu bilden. According to one aspect of the invention, a bridge circuit is provided. The bridge circuit has a first and a second high-side switch, a first and a second low-side switch, a transformer with a primary coil and a secondary coil, a coil and a current injection device. In this bridge circuit, the first high-side switch and the first low-side switch are connected to a first bridge connection in a series circuit in order to form a first bridge branch. In addition, the second high-side switch and the second low-side switch are connected to a second bridge connection in a series connection in order to form a second bridge branch.
Der erste und zweite Brückenzweig ist jeweils an einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss in einer Parallelschaltung verbunden, wobei die Sekundärspule einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss aufweist. Die Primärspule und die Spule oder die Induktivität sind in einer Serienschaltung verbunden, um den ersten The first and second bridge branches are each connected to a first and a second input connection in a parallel circuit, the secondary coil having a first and a second output connection. The primary coil and the coil or inductor are connected in series to the first
Brückenanschluss mit dem zweiten Brückenanschluss zu verbinden. Die To connect the bridge connection with the second bridge connection. The
Stromeinprägeeinrichtung ist eingerichtet, in die Spule einen vorbestimmten Strom zu einem vorbestimmten Zeitpunkt einzuprägen. Current impressing device is set up to impress a predetermined current into the coil at a predetermined point in time.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein DC/DC-Wandler (Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) mit dem erfindungsgemäßen Brückenschaltkreis beschrieben. Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brückenschaltkreises angegeben, wobei das Verfahren das Betreiben der Schalter des Brückenschaltkreises derart aufweist, dass zu einem vorbestimmten According to a further aspect of the present invention, a DC / DC converter (direct current / direct current converter) with the bridge circuit according to the invention is described. According to yet another aspect of the present invention, a method for operating a bridge circuit is specified, the method comprising operating the switches of the bridge circuit in such a way that a predetermined circuit is operated
Zeitpunkt ein vorbestimmter Strom von der Stromeinprägeeinrichtung in die Spule eingeprägt wird. Point in time a predetermined current is impressed into the coil by the current impressing device.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Programmelement beschrieben, aufweisend einen Programmcode, der eingerichtet ist, wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren zum Betreiben eines Brückenschaltkreises auszuführen. According to another aspect of the present invention, a program element is described, comprising a program code, which is set up, when it is executed by a processor, to carry out the method for operating a bridge circuit.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein According to yet another aspect of the present invention, a
computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem ein Programmcode computer-readable storage medium provided on which a program code
gespeichert ist, der, wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren zum Betreiben eines Brückenschaltkreises ausführt. is stored which, when executed by a processor, carries out the method for operating a bridge circuit.
Als ein computerlesbares Speichermedium mag eine Floppy Disc, eine Festplatte, ein USB (Universal Serial Bus) Speichergerät, ein RAM (Random Access Memory), ein ROM (Read Only Memory) oder ein EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) genutzt werden. Als Speichermedium kann auch ein ASIC (application-specific integrated Circuit) oder ein FPGA (field-programmabie gate array) genutzt werden sowie eine SSD (Solid-State-Drive) Technologie oder ein Flash-basiertes Speichermedium. Ebenso kann als Speichermedium ein Web-Server oder eine Cloud genutzt werden. Als ein A floppy disc, hard disk, USB (Universal Serial Bus) storage device, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory) or EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) may be used as a computer-readable storage medium. An ASIC (application-specific integrated circuit) or an FPGA (field-programmable gate array) can also be used as storage medium, as well as SSD (solid-state drive) technology or a flash-based storage medium. A web server or a cloud can also be used as a storage medium. As a
computerlesbares Speichermedium mag auch ein Kommunikationsnetz angesehen werden, wie zum Beispiel das Internet, welches das Herunterladen eines Programmcodes zulassen mag. Es kann eine funkbasierte Netzwerktechnologie und/oder eine Computer-readable storage medium may also be viewed as a communications network, such as the Internet, which may allow program code to be downloaded. It can be a radio-based network technology and / or one
kabelgebundene Netzwerktechnologie genutzt werden. wired network technology can be used.
Der Einsatz einer Stromeinprägeeinrichtung kann dafür sorgen, dass einem Schalter der Brückenschaltung, vorhandene Energie entzogen wird, um den Schalter in einem möglichst stromlosen Zustand zu schalten. Insbesondere kann die The use of a current injection device can ensure that existing energy is withdrawn from a switch of the bridge circuit in order to switch the switch in a state that is as currentless as possible. In particular, the
Stromeinprägeeinrichtung dafür sorgen, dass beim Entzug der Energie der Schalter beim Schalten unterstützt wird. Dieser eingeprägte Strom kann auch das schnelle entladen eines spannungsführenden Knoten ermöglichen und so das ZVS Schalten begünstigen. So wird beispielsweise die Ausgangskapazität oder parasitäre Kapazität des ersten High- Side-Schalters entladen und die Ausgangskapazität oder parasitäre Kapazität des ersten Low-Side-Schalters wird geladen und der erste Brückenanschluss bewegt sich von einem oberen Potenzial zu einem unteren Potenzial oder Massepotenzial, wodurch dann für den ersten Low-Side-Schalter ein ZVS Schalten erreicht werden kann. Current injection device ensure that when the energy is withdrawn, the switch when Switching is supported. This impressed current can also enable a live node to be discharged quickly and thus favor ZVS switching. For example, the output capacitance or parasitic capacitance of the first high-side switch is discharged and the output capacitance or parasitic capacitance of the first low-side switch is charged and the first bridge connection moves from an upper potential to a lower potential or ground potential, which then causes ZVS switching can be achieved for the first low-side switch.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die According to another aspect of the present invention
Stromeinprägeeinrichtung eine weitere Spule, welche in Kombination mit der Spule einen zweiten Transformator oder einen Zusatztransformator bilden. Current injection device a further coil, which in combination with the coil form a second transformer or an additional transformer.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kopplung zwischen der weiteren Spule und der Spule gering. In anderen Worten ist die Kopplung zwischen der weiteren Spule und der Spule geringer als die Kopplung zwischen der Primärspule und die Sekundärspule des Transformators. Beispielsweise weist eine Kopplung der weiteren Spule und der Spule einen geringeren magnetischen Koppelfaktor auf, als die Kopplung zwischen Primärspule und die Sekundärspule des Transformators. According to a further aspect of the present invention, a coupling between the further coil and the coil is low. In other words, the coupling between the further coil and the coil is less than the coupling between the primary coil and the secondary coil of the transformer. For example, a coupling of the further coil and the coil has a lower magnetic coupling factor than the coupling between the primary coil and the secondary coil of the transformer.
Dieser geringe Koppelfaktor des ZVS Transformators mag es erlauben einen Strom in die Spule einzuprägen aber den Kreis nicht mit einer hohen Spannung zu belasten. In anderen Worten kann es der geringe Koppelfaktor des ZVS Transformators ermöglichen eine große Streuinduktivität des ZVS Transformators bereitzustellen, die es erlaubt eine magnetische Energie zu speichern, die jedoch auf die Ausgangs-Leistungsfähigkeit eines Wechselrichters im Wesentlichen nur einen geringen Einfluss hat. Wenn der ZVS Transformator, der die Spule und die Stromeniprägeeinrichtung aufweist, im Gegensatz zu dem geringen Koppelfaktor einen hohen oder guten Koppelfaktor aufweisen würde, würde die verbleibende Induktivität nicht ausreichen, die Energie zusammenzufassen oder zu entziehen, welche für ZVS Bedingungen benötigt wird. Die hohe Leckinduktivität oder die Streu Induktivität des ZVS Transformators wird genutzt, um einen Strom zu generieren oder einzuprägen, der benötigt wird, um ZVS (Zero Voltage Switching) zu erreichen. So mag der magnetische Koppeifaktor zwischen der weiteren Spule und der Spule einen Wert von etwa 0,9 bei einem maximal möglichen Wert von 1 aufweisen. Koppelfaktoren von typischen Leistungstransformatoren mögen in dem Bereich 0,995 liegen. Auch der Haupttransformator mag einen magnetischen Koppelfaktor von etwa 0,995 aufweisen und damit wesentlich größer sein, als der magnetische Koppelfaktor des ZVS This low coupling factor of the ZVS transformer may allow a current to be injected into the coil, but not load the circuit with a high voltage. In other words, the low coupling factor of the ZVS transformer can provide a large leakage inductance of the ZVS transformer, which allows magnetic energy to be stored, but which has only a minor influence on the output performance of an inverter. If, contrary to the low coupling factor, the ZVS transformer, which has the coil and the current shaping device, had a high or good coupling factor, the remaining inductance would not be sufficient to summarize or withdraw the energy which is required for ZVS conditions. The high leakage inductance or the leakage inductance of the ZVS transformer is used to generate or impress a current that is required to achieve ZVS (Zero Voltage Switching). The magnetic coupling factor between the further coil and the coil may have a value of approximately 0.9 with a maximum possible value of 1. Coupling factors of typical power transformers may be in the range of 0.995. The main transformer may also have a magnetic coupling factor of approximately 0.995 and thus be significantly larger than the magnetic coupling factor of the ZVS
Zusatztransformators, der bei etwa 0,9 liegt. Additional transformer, which is about 0.9.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Brückenschaltung weiter einen High-Side-Kondensator und einen Low-Side-Kondensator auf. Der High- Side-Kondensator und der Low-Side-Kondensator sind in einer Serienschaltung an einem dritten Brückenanschluss verbunden, um einen dritten Brückenzweig zu bilden, wobei der dritte Brückenzweig mit dem ersten und zweiten Eingangsanschluss verbunden ist und wobei die weitere Spule den dritten Brückenanschluss mit zumindest einem von dem ersten Brückenanschluss und dem zweiten Brückenanschluss verbindet. Die beiden Kondensatoren, der High-Side-Kondensator und der Low-Side-Kondensator, halten den ZVS Transformator auf einem mittleren Spannungspotenzial. So ist der magnetische Kern des ZVS Transformator ausgeglichen und der erste High-Side-Schalter und der der erste Low-Side-Schalter können mit einem symmetrischen Schaltmuster angesteuert werden. According to another aspect of the present invention, the bridge circuit further has a high-side capacitor and a low-side capacitor. The high-side capacitor and the low-side capacitor are connected in series at a third bridge connection to form a third bridge branch, the third bridge branch being connected to the first and second input connections and the further coil being the third bridge connection connects to at least one of the first bridge connector and the second bridge connector. The two capacitors, the high-side capacitor and the low-side capacitor, keep the ZVS transformer at a medium voltage potential. The magnetic core of the ZVS transformer is balanced and the first high-side switch and the first low-side switch can be controlled with a symmetrical switching pattern.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der According to yet another aspect of the present invention, the
Brückenschaltkreis einen synchronen Gleichrichter auf. Der synchrone Gleichrichter ist mit dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss verbunden. Bridge circuit on a synchronous rectifier. The synchronous rectifier is connected to the first and second output terminals.
Im Gegensatz zu Dioden, kann der synchrone Gleichrichter aktiv angesteuert werden. Die Ansteuerung kann dabei so ausgebildet sein, dass der synchrone Gleichrichter für eine vorbestimmbare Dauer während einer Freilaufphase des Brückenschaltkreises oder der Phase-Shifted Fullbridge kurzgeschlossen wird. Durch das Kurzschließen des synchronen Gleichrichters während der Freilaufphase des Brückenschaltkreises, kann der Strom in dem ZVS Zusatztransformator erhöht werden, insbesondere kann ein Zusatzstrom in einer Spule des ZVS Zusatztransformators Tzvs eingeprägt werden. Dieser Zusatzstrom kann genutzt werden, um ein ZVS-Schalten und oder ZCS-Schalten des zu der jeweiligen Schaltphase gehörenden High-Side-Schalters und/oder Low-Side-Schalters zu ermöglichen, indem dieser Schalter einen Übergang von einem Schaltzustand in den anderen durchführt, im Wesentlichen ohne, dass eine Spannung über diesem Schalter anliegt. In contrast to diodes, the synchronous rectifier can be actively controlled. The control can be designed such that the synchronous rectifier is short-circuited for a predeterminable duration during a free-running phase of the bridge circuit or the phase-shifted full bridge. By short-circuiting the synchronous rectifier during the free- running phase of the bridge circuit, the current in the ZVS additional transformer can be increased, in particular an additional current can be impressed in a coil of the ZVS additional transformer T zvs . This additional current can be used to switch the ZVS and / or ZCS to the respective one To enable switching phase belonging to the high-side switch and / or low-side switch by this switch making a transition from one switching state to the other, essentially without a voltage being present across this switch.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der According to yet another aspect of the present invention, the
Brückenschaltkreis eine Steuereinrichtung auf, welche mit jedem der der ersten und zweiten High-Schalter und Low-Schalter verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Schalter so zu betreiben, dass zu dem vorbestimmten Zeitpunkt der vorbestimmte Strom von der Stromeinprägeeinrichtung in die Spule eingeprägt wird. Für das Einprägen mögen auch sekundärseitige Schalter genutzt werden, beispielsweise Schalter eines sekundärseitigen Gleichrichters und/oder des synchronen Gleichrichters. Dieses Schalten der Schalter mag während einer Freilaufphase erfolgen. Bridge circuit a control device which is connected to each of the first and second high switches and low switches. The control device is set up to operate the switches in such a way that the predetermined current is impressed into the coil by the current impressing device at the predetermined point in time. Secondary switches may also be used for impressing, for example switches of a secondary rectifier and / or the synchronous rectifier. This switching of the switches may take place during a freewheeling phase.
Die Steuereinrichtung mag beispielsweise so eingerichtet sein, dass sie sekundärseitige Schalter so betreibt, dass der vorbestimmte Strom in die Spule eingeprägt wird. Der oder die sekundärseitigen Schalter mögen Schalter eines sekundärseitigen Gleichrichters und/oder eines synchronen Gleichrichters sein. Der sekundäre Schalter und/oder die Vielzahl von sekundären Schalter mögen mittels MOSFET Bauelementen realisiert sein. Die Höhe des eingeprägten Stromes mag indirekt durch die Zeitdauer bestimmbar sein, für welche der eine, die beiden und/oder die Vielzahl von sekundären Schalter gleichzeitig geschaltet sind und somit die eine, die zwei und/oder die Vielzahl von Sekundärspulen kurzgeschlossen werden. Dieses Kurzschließen der Sekundärespule und/oder der Vielzahl von Sekundärspulen mag während einer Freilaufphase einer der High-Side- Schalter und/oder der Low-Side-Schalter erfolgen. The control device may, for example, be set up in such a way that it operates switches on the secondary side such that the predetermined current is impressed into the coil. The switch or switches on the secondary side may be switches of a rectifier on the secondary side and / or a synchronous rectifier. The secondary switch and / or the plurality of secondary switches may be implemented using MOSFET components. The level of the impressed current may be able to be determined indirectly through the time period for which the one, the two and / or the plurality of secondary switches are switched simultaneously and thus the one, the two and / or the plurality of secondary coils are short-circuited. This short-circuiting of the secondary coil and / or the plurality of secondary coils may take place during one freewheeling phase of one of the high-side switches and / or the low-side switches.
Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinrichtung weiter eingerichtet, den und/oder die High-Side-Schalter und/oder Low-Side-Schalter so zu betreiben, dass der vorbestimmte Strom in die Spule eingeprägt wird, wenn zu dem vorbestimmten Zeitpunkt der Strom durch die Spule unterhalb eines vorgebbaren Schwellwertes liegt. Kurze Beschreibung der Figuren According to yet another aspect of the present invention, the control device is further configured to operate the and / or the high-side switch and / or low-side switch in such a way that the predetermined current is impressed into the coil when the predetermined one Time the current through the coil is below a predetermined threshold. Brief description of the figures
Im Folgenden werden weitere exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die Figuren beschrieben. Further exemplary embodiments of the present invention are described below with reference to the figures.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines DC-DC-Wandlers mit einem Brückenschaltkreis gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 shows a block diagram of a DC-DC converter with a bridge circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines DC-DC -Wandlers mit einem Brückenschaltkreis und zweier Haupttransformatoren gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispie! der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 shows a block diagram of a DC-DC converter with a bridge circuit and two main transformers according to an exemplary embodiment! of the present invention.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines DC-DC -Wandlers mit einem Brückenschaltkreis und einem Haupttransformatoren mit Mittenabgriff gemäß einem exemplarischen 3 shows a block diagram of a DC-DC converter with a bridge circuit and a main transformer with center tap according to an example
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Embodiment of the present invention.
Fig. 4a zeigt Diagramme verschiedener Signalverläufe einer PSFB ohne Verwendung des Zusatztransformators gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 4a shows diagrams of various signal profiles of a PSFB without using the additional transformer according to an exemplary embodiment of the present invention.
Fig. 4b zeigt Diagramme verschiedener Signalverläufe einer PSFB mit Verwendung des Zusatztransformators gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 4b shows diagrams of different signal profiles of a PSFB using the additional transformer according to an exemplary embodiment of the present invention.
Fig. 5a zeigt einen Ausschnitt aus Diagramm 4a gemäß einem exemplarischen 5a shows a section from diagram 4a according to an example
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Embodiment of the present invention.
Fig. 5b zeigt einen Ausschnitt aus Diagramm 4b gemäß einem exemplarischen 5b shows a section from diagram 4b according to an example
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen Embodiment of the present invention. Detailed description of exemplary embodiments
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Beschreibung der Fig. 1 bis Fig. 5b werden die gleichen Bezugsziffern für gleiche oder sich entsprechende Elemente verwendet. The representations in the figures are schematic and not to scale. In the following description of FIGS. 1 to 5b, the same reference numbers are used for identical or corresponding elements.
In diesem Text mögen die Begriffe„Kondensator" und„Kapazität“ sowie„Spule“ oder „Drossel“ und„Induktivität“ gleichbedeutend verwendet werden und sollen, sofern nichts weiter angegeben ist, nicht einschränkend interpretiert werden. In this text, the terms "capacitor" and "capacitance" as well as "coil" or "choke" and "inductance" may be used interchangeably and, unless stated otherwise, should not be interpreted restrictively.
Der Begriff„High-Side“ mag einen Anschluss an einem spannungsführenden Potenzial bezeichnen. Der Begriff„Low-Side“ mag einen Anschluss mit einem Bezugspotenzial bezeichnen. The term "high-side" may refer to a connection to a live potential. The term "low-side" may refer to a connection with a reference potential.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines DC-DC-Wandlers 100 mit einem Brückenschaltkreis 101 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mit dieser Schaltanordnung können gute Schaltbedingungen für die Schalteinrichtungen oder Schalter A, B, C, D einer Phase-Shifted Fullbridge (PSFB) 101 oder eines 1 shows a block diagram of a DC-DC converter 100 with a bridge circuit 101 according to an exemplary embodiment of the present invention. With this switching arrangement, good switching conditions for the switching devices or switches A, B, C, D of a phase-shifted full bridge (PSFB) 101 or one can
Brückenschaltkreises 101 mit phasenverschobenem Schaltverhalten erreicht werden. Diese guten Schaltbedingungen mögen erreicht werden, wenn sich ein im Wesentlichen spannungsloses Schalten der jeweils aktiven Schalter A, B, C, D hersteilen lässt. Das spannungsloses Schalten, ZVS (Zero Voltage Switching) oder Nullspannungsschalten ermöglicht es hohe Schaltverluste zu vermeiden, die insbesondere bei dem Schalten von hohen Spannungen durch parasitäre Elemente in den Schaltern A, B, C, D entstehen können, da in diesen parasitären Elementen Energie gespeichert sein mag, gegen welche beim Schalten der Schalter A, B, C, D angearbeitet werden muss. Alternativ oder in Ergänzung zu dem ZVS Schalten kann auch ein stromloses Schalten erreicht werden (ZCS, Zero Current Switching). Bridge circuit 101 can be achieved with phase-shifted switching behavior. These good switching conditions may be achieved if an essentially voltage-free switching of the respectively active switches A, B, C, D can be established. The voltage-free switching, ZVS (Zero Voltage Switching) or zero voltage switching makes it possible to avoid high switching losses, which can arise in particular when switching high voltages due to parasitic elements in the switches A, B, C, D, since energy is stored in these parasitic elements may be against which the switches A, B, C, D must be worked against. As an alternative or in addition to the ZVS switching, currentless switching can also be achieved (ZCS, Zero Current Switching).
Eine Brückenschaltung 101 kann beispielsweise in einem DC-DC-Wandler 100 genutzt werden, um eine Eingangsspannung Vin in eine Ausgangsspannung Vout zu wandeln. Bei Vin und bei Vout handelt es sich um Gleichspannungen (DC, Direct Current). Auf dem Weg vom Eingang zum Ausgang wird die Eingangsgleichspannung Vin von der A bridge circuit 101 can be used, for example, in a DC-DC converter 100 to convert an input voltage V in to an output voltage V out . V in and V out are direct voltages. On the way from the input to the output, the input DC voltage Vin from the
Brückenschaltung 101 in eine Wechselspannung (AC, Alternating Current) gewandelt und wieder mittels Gleichrichtung in die Ausgangsgleichspannung gewandelt. Insbesondere in Anwendungen, die in einer OBC-Unit (On Board Charging Unit) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs genutzt werden, kann es nötig sein, sehr hohe Spannungen Vn (HV) in übliche Bordspannungen Voutvon etwa 12V zu wandeln, die beispielsweise genutzt werden können, um ein Radio zu betreiben. Die Spannungen Vin werden beispielsweise von dem Gleichstrom-Zwischenkreis des Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Alternativ kann die Spannung Vin auch von der On-Board-Komponente einer Ladeeinrichtung stammen. Bridge circuit 101 converted to an alternating current (AC) and converted back to the output DC voltage by means of rectification. Particularly in applications that are used in an OBC unit (on-board charging unit) of an electric or hybrid vehicle, it may be necessary to convert very high voltages V n (HV) into conventional on-board voltages V out of approximately 12 V, for example can be used to operate a radio. The voltages Vin are provided, for example, by the DC intermediate circuit of the electric vehicle. Alternatively, the voltage Vin can also come from the on-board component of a charging device.
Der DC-DC-Wandlers 100 kann anstelle einer Lichtmaschine (Alternator) eines Fahrzeugs für die Bereitstellung der Bordspannung 12V genutzt werden. Die 12V Bordspannung wird in einem Beispiel nicht direkt durch mechanische Arbeit erzeugt, sondern indem der DC- DC-Wandler 100 die Hochspannung (HV) einer HV Batterie (Gleichspannung, DC) in die 12V Bordspannung eines EV (electrical vechicle) or PHEV (plug-in hybrid electric vechicie) wandelt. Die HV ist in einem Lastkreis oder Zwischenkreis eines The DC-DC converter 100 can be used instead of an alternator of a vehicle for providing the on-board voltage 12V. In an example, the 12V on-board voltage is not generated directly by mechanical work, but rather by the DC-DC converter 100 converting the high voltage (HV) of an HV battery (DC voltage, DC) into the 12V on-board voltage of an EV (electrical vechicle) or PHEV (plug - converts into hybrid electric vechicie). The HV is in a load circuit or intermediate circuit
Energieversorgungssystems eines Fahrzeugs vorhanden. Die dem HV-Kreis entzogene Energie wird genutzt, eine 12V Bordversorgungsbatterie zu laden, an der die 12V Energy supply system of a vehicle available. The energy extracted from the HV circuit is used to charge a 12V on-board supply battery on which the 12V
Verbraucher angeschlossen sind. Würde die 12V Batterie nicht aus dem HV-Kreis über den DC-DC-Wandler ständig nachgeladen, würden die angeschlossenen Verbraucher die 12V Batterie entladen, ähnlich, wie wenn bei Nutzung einer mechanischen Consumers are connected. If the 12V battery were not constantly recharged from the HV circuit via the DC-DC converter, the connected consumers would discharge the 12V battery, similar to when using a mechanical one
Energieversorgung die Lichtmaschine ausfallen würde. Power supply the alternator would fail.
Die OBC-Unit (in Fig. 1 nicht eingezeichnet), die Vin liefert, wird genutzt, um die HV- Batterie des Zwischenkreises zu laden. Die Spannung der HV Batterie kann bei Vin = 400V oder 800V liegen. Die OBC-Unit bezieht ihre Energie selbst beispielsweise aus einer AC-Stromversorgung (ebenfalls nicht in Fig. 1 eingezeichnet), der sog. Mains, beispielsweise über einen Wechselstrom- oder Drehstromanschluss. Daher können die Spannungen Vin der HV-Gleichspannungen (DC) im Bereich von 400V - 800V oder in einem Bereich kleiner als 800V liegen. Die Brückenschaltung 101 oder der The OBC unit (not shown in FIG. 1) that Vin supplies is used to charge the DC link's HV battery. The voltage of the HV battery can be Vin = 400V or 800V. The OBC unit itself obtains its energy, for example, from an AC power supply (also not shown in FIG. 1), the so-called main, for example via an AC or three-phase connection. Therefore, the voltages Vin of the HV direct voltages (DC) can be in the range of 400V - 800V or in a range less than 800V. The bridge circuit 101 or the
Brückenschaltkreis 101 ist so konfiguriert, dass sie mit Spannungen entsprechender Größe und Schwankungsbreite umgehen kann, Die Spannung Vin wird dem Brückenschaltkreis 101 über einen ersten Eingangsanschluss 102 und über einen zweiten Eingangsanschluss 103 zugeführt. Der erste Eingangsanschluss 102 mag als High-Side-Anschluss 102 und der zweite Eingangsanschluss 103 mag als Low-Side-Anschluss 103 bezeichnet werden. Diese Eingangsanschlüsse 102, 103 bilden eine Parallelschaltung des ersten 107 und des zweiten 108 Brückenzweiges. Der erste Brückenzweig 107 wird aus einer Serienschaltung des ersten High-Side-Schalters A und des ersten Low-Side-Schalters B gebildet. Der zweite Brückenzweig 108 wird aus der Serienschaltung des zweiten High-Schalters C und des zweiten Low-Side-Schalters D gebildet. Der erste High-Side-Schalter A weist den Steueranschluss 104a, der erste Low-Side-Schalter B weist den Steueranschluss 104b, der zweite High-Side-Schalter C weist den Steueranschiuss 104c und der zweite Low-Side- Schalter D weist den Steueranschluss 104d auf. Die Steueranschlüsse 104a, 104b, 104c, 104d sind mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden, die für die phasen-versetzte Ansteuerung der Schalter A B C, D sorgt. Dabei wird die Ansteuerung mittels der Steuereinrichtung so vorgenommen, dass im Wesentlichen der erste High-Side- Schalter A und der zweite Low-Side-Schalter D gleichzeitig geschaltet werden. Und so, dass der zweite High-Side-Schalter C und der zweite Low-Side-Schalter B gleichzeitig geschaltet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass zwischen dem Schalten der zueinander gehörenden Schalter eine Pause oder Totzeit vorgesehen ist, während der kein Schalter angesteuert ist und während der alle Schalter offen sind. Bei dem Schaltvorgang ist im Wesentlichen ein Tastverhältnis d von 50% vorgesehen, so dass im Wesentlichen die Schalter-kombinationen A, D und B, C gleich lange aktiv sind. Bridge circuit 101 is configured in such a way that it can deal with voltages of corresponding size and fluctuation range, The voltage V in is supplied to the bridge circuit 101 via a first input terminal 102 and a second input terminal 103rd The first input connection 102 may be referred to as a high-side connection 102 and the second input connection 103 may be referred to as a low-side connection 103. These input connections 102, 103 form a parallel connection of the first 107 and the second 108 bridge arm. The first bridge branch 107 is formed from a series connection of the first high-side switch A and the first low-side switch B. The second bridge branch 108 is formed from the series connection of the second high switch C and the second low-side switch D. The first high-side switch A has the control connection 104a, the first low-side switch B has the control connection 104b, the second high-side switch C has the control connection 104c and the second low-side switch D has the control connection 104d. The control connections 104a, 104b, 104c, 104d are connected to a control device, not shown in FIG. 1, which controls the switches ABC, D in a phase-shifted manner. The control is carried out by means of the control device such that essentially the first high-side switch A and the second low-side switch D are switched simultaneously. And so that the second high-side switch C and the second low-side switch B are switched simultaneously. It can also be provided that a pause or dead time is provided between the switching of the switches belonging to one another, during which no switch is activated and during which all switches are open. A switching ratio d of 50% is essentially provided during the switching process, so that essentially the switch combinations A, D and B, C are active for the same length of time.
Die Schalterpaare A, D und und B, C, die im Wesentlichen gleichzeitig geschaltet werden, sind diagonal zu der Spule T und/oder der Spule T3B angeordnet, so dass das paarweise Schalten der Schalterpaare A, D und/oder B, C für einen jeweils umgekehrten Stromfluss durch die Spule T3B sorgt. Das Ansteuermuster für die phasen-versetzte Ansteuerung der Schalter A B C, D entspricht im Wesentlichen einem üblichen für eine Phase-Shift- Switching Full Bridge (PSFB) genutzten Ansteuermuster oder Ansteuerschema. The switch pairs A, D and and B, C, which are switched essentially simultaneously, are arranged diagonally to the coil T and / or the coil T3 B , so that the switching of the switch pairs A, D and / or B, C for reversed current flow through the coil T3 B ensures. The control pattern for the phase-shifted control of the switches ABC, D essentially corresponds to a control pattern or control scheme used for a phase shift switching full bridge (PSFB).
Fig. 4a Diagramme verschiedener Signalverläufe, insbesondere Spannungsverläufe und Stromveriäufe in Abhängigkeit von einem Schaltverhalten eines Brückenschaltkreises 101 und/oder eines synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 ohne Verwendung des 4a diagrams of various signal profiles, in particular voltage profiles and current profiles depending on a switching behavior of a bridge circuit 101 and / or a synchronous rectifier SR1, SR2 without using the
Zusatztransformators gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel Erfindung. Fig. 4a zeigt ein Diagramm 400a eines erweiterten Signalverlaufs einer PSFB mit nachellendem A/B ohne Verwendung des Zusatztransformators gemäß einem Additional transformers according to an exemplary embodiment of the invention. FIG. 4a shows a diagram 400a of an extended signal curve of a PSFB with subsequent A / B without using the additional transformer according to one
exemplarischen der vorliegenden Erfindung. Schaltdiagramm 400a zeigt eine Auswahl an Signalverläufen für einen Betrieb einer Phase Shifted Full Bridge Wandlerschaltung ohne ZVS Transformator Tzvs. In der Schaltphase 406a oder Übergangsphase 406a nimmt, wie an Stelle 405a gezeigt der Strom IT1A durch die Primärspule ab, da in dieser Phase ein Schalten des vorauseilenden Zweiges C, D stattfindet. Während der Freilaufphase II, welche sich an die Phase 406a anschließt, nimmt der Strom lT1A weiter ab, da hier, durch das gleichzeitige Verbinden von Schaltern B, D ein Schaltkreis mit Schalter B, Schalter D und Primärspule T 1A gebildet wird. Der Strom nimmt durch den in diesem Freilaufkreis zirkulierenden Stromfluss ab. Der in der Freilaufphase II gebildete Schaltkreis verhält sich wie ein RL-Schaltkreis, welcher aus den Leitungswiderständen und der Primärspule T1A gebildet wird. Durch die Leitungswiderstände entstehen Verluste verursacht durch den Strom, welcher zum Abbau der gespeicherten magnetischen Energie fließt. Durch die auftretenden Verluste während der Freilaufphase II ist die in der Induktivität T1A gespeicherte magnetische Energie während der Schalt- oder Übergangsphase 404a des nacheilenden Zweiges 107 (lagging leg transition) A, B geringer als in der exemplary of the present invention. Circuit diagram 400a shows a selection of signal profiles for operating a phase-shifted full bridge converter circuit without a ZVS transformer T zvs . In the switching phase 406a or transition phase 406a, as shown at point 405a, the current I T1A through the primary coil decreases, since in this phase the leading branch C, D is switched. During the freewheeling phase II, which follows the phase 406a, the current I T1A continues to decrease since here, by simultaneously connecting switches B, D, a circuit with switch B, switch D and primary coil T 1 A is formed. The current decreases due to the current flow circulating in this freewheeling circuit. The circuit formed in the freewheeling phase II behaves like an RL circuit, which is formed from the line resistances and the primary coil T 1A . The line resistances cause losses caused by the current which flows to break down the stored magnetic energy. Due to the losses that occur during the freewheeling phase II, the magnetic energy stored in the inductance T1 A during the switching or transition phase 404 a of the lagging branch 107 (lagging leg transition) A, B is lower than in FIG
Übergangsphase 406a des vorauseilenden Zweiges 108 (leading leg transition) C, D. Folglich steht nicht ausreichend magnetische Energie zur Verfügung, um die parasitären Kapazitäten der Schalter A, B des nacheilenden Zweiges vollständig zu entladen, beispielsweise die parasitären Kapazitäten eines MOSFET Schalters A, B Transition phase 406a of leading leg transition C, D. Consequently, there is insufficient magnetic energy available to fully discharge the parasitic capacitances of switches A, B of the lagging branch, for example the parasitic capacitances of a MOSFET switch A, B
Fig. 4b zeigt Diagramme verschiedener Signalverläufe, insbesondere Spannungsveräufe und Stromverläufe in Abhängigkeit von einem Schaltverhalten eines Brückenschaltkreises 101 und/oder eines synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 bei der Verwendung des 4b shows diagrams of different signal profiles, in particular voltage profiles and current profiles depending on a switching behavior of a bridge circuit 101 and / or a synchronous rectifier SR1, SR2 when using the
Zusatztransformators Tzvs gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Insbesondere während der Endphase IIB der Freilaufphase II, in der die Low-Side-Schalter B 104b und D 104d und synchrone Gleichrichter SR1 und SR2 gleichzeitig geschaltet sind und den Low-Side-Freilaufkreis 104b, 104d, T3B und T1 A bilden, steigt der Strom IT1A nach der Umschaltphase 406b weiter an, weil die T3B- Wicklung des Tzvs-Transformators kurzgeschlossen ist, während gleichzeitig an der T3A- Wicklung von Tzvs die halbe Eingangsspannung im Wesentlichen anliegt. Der Anstieg des Primärstromes IT1A hält bis zu dem Umschaltzeitpunkt 404b des nacheilenden Zweiges (lagging leg) MB an, in dem der Low-Side-Schalter B 104b ausgeschaltet und der High- Side-Schalter A 104a eingeschaltet wird. In anderen Worten erlaubt es der Anstieg des Primärstromes lT1A die verfügbare magnetische Energie während dem Übergang 404b des nacheilenden Zweiges (lagging leg) MB zu erhöhen. Somit kann in der Additional transformer T zvs according to an exemplary embodiment of the present invention. In particular during the final phase II B of the freewheeling phase II, in which the low-side switches B 104b and D 104d and synchronous rectifiers SR1 and SR2 are switched simultaneously and form the low-side freewheeling circuit 104b, 104d, T3 B and T1 A , The current I T1A continues to rise after the switchover phase 406b because the T3 B winding of the T zvs transformer is short-circuited, while at the same time half the input voltage is present at the T3 A winding of T zvs . The increase in the primary current I T1A continues until the switchover instant 404b of the lagging branch (lagging leg) MB, in which the low-side switch B 104b is switched off and the high-side switch A 104a is switched on. In other words, the increase in the primary current I T1A allows the available magnetic energy to be increased during the lagging leg MB transition 404b. Thus, in the
Übergangsphase 404b des Umschaltens des nacheilenden Zweiges 107 A/B als ein weicher Übergang erfolgen und ein weiches ZVS An-Schalten des Schalters A 104a durchgeführt werden. Transition phase 404b of the switching of the trailing branch 107 A / B take place as a soft transition and a soft ZVS on switching of the switch A 104a is carried out.
Das Schaltdiagramm 400b zeigt als Drain-Source-Spannung VdsA den Verlauf der Spannung über dem High-Side-Schalter A also den Verlauf der Spannung zwischen Anschluss 102 und Brückenpunkt 105 in dem ersten Brückenzweig 107 für den Fall, dass der Zusatztransformator Tzvs entsprechend Fig. 1 eingesetzt wird. Schaltdiagramm 400a zeigt als Drain-Source-Spannung VdsA den entsprechenden Spannungsverlauf für den Fall, dass kein Zusatztransformator genutzt wird und somit nur die Primärspule T1A alleine für das Schalten des High-Schalters A verantwortlich ist The circuit diagram 400b shows, as drain-source voltage Vds A, the profile of the voltage across the high-side switch A, that is, the profile of the voltage between the connection 102 and the bridge point 105 in the first bridge branch 107 in the event that the additional transformer T corresponds accordingly Fig. 1 is used. Circuit diagram 400a shows as drain-source voltage Vds A the corresponding voltage curve in the event that no additional transformer is used and thus only the primary coil T1A is solely responsible for switching the high switch A.
Fig. 5a zeigt einen Ausschnitt aus Diagramm 4a gemäß einem exemplarischen 5a shows a section from diagram 4a according to an example
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Darin ist die Schaltphase 404a des Schalters A des nacheilenden Zweiges 107 dargestellt, insbesondere die Embodiment of the present invention. This shows the switching phase 404a of the switch A of the trailing branch 107, in particular that
Ansteuerspannung des Schalters A, beispielsweise die Gate-Spannung, falls der Schalter A als MOSFET realisiert ist. Das Vorhandensein eines Miller Plateau 408a in dem Control voltage of switch A, for example the gate voltage, if switch A is implemented as a MOSFET. The presence of a Miller Plateau 408a in the
Spannungsverlauf A zeigt an, dass der Schalter A nicht entladen werden kann bevor der Schaltvorgang durchgeführt wird, wie auch der Stelle 407a des Verlaufs des Schaltsignals VdsA zu entnehmen ist, so dass nur ein hartes Schalten stattfindet. Voltage curve A indicates that switch A cannot be discharged before the switching process is carried out, as can also be seen from point 407a of the curve of switching signal Vds A , so that only hard switching takes place.
Fig. 5b zeigt einen Ausschnitt aus Diagramm 4b gemäß einem exemplarischen 5b shows a section from diagram 4b according to an example
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 stellt den ZVS Schaltvorgang des Schalters A 104a dar. Bei der Annahme, dass der Schalter A als MOSFET realisiert ist, ist nach dem Schaltvorgang in der Schaltphase 404b an der Stelle 408b des Verlaufs der Gate-Spannung des Schalters A kein Miller-Plateau vorhanden. Die Spannung über dem Schalter A 104a, beispielsweise die Drain-Source-Spannung VdsA, ist beim Schalten bereits auf 0 V abgefalien, wie an der Stelle 407b verdeutlicht ist. Somit ist ein Embodiment of the present invention. 5 shows the ZVS switching process of switch A 104a. Assuming that switch A is implemented as a MOSFET, after the switching process in switching phase 404b at point 408b of the course of the gate voltage of switch A there is no Miller Plateau available. The voltage across the switch A 104a, for example the drain-source voltage Vds A , has already dropped to 0 V when switching, as is illustrated at point 407b. So is a
vollständiges ZVS Schalten und ein weicher Übergang möglich. Der Spannungsverlauf der Ansteuerspannung der Eingangsschalter A, B bei Ansteuerung mittels PWM (Puls-Weiten-Modulation) ist in Fig. 4b bei Verwendung des complete ZVS switching and a smooth transition possible. The voltage curve of the control voltage of the input switches A, B when controlled by PWM (pulse width modulation) is shown in Fig. 4b when using the
Zusatztransformators Tzvs dargestellt. Additional transformer T shown zvs .
In den Figuren 4a, 4b, 5a, 5b, entspricht das Signal A der Gate-Spannung Vg an dem Schalter A 104a, das Signal B der Gate-Spannung Vg an dem Schalter B 104b, das Signal C der Gate-Spannung Vg an dem Schalter C 104c und das Signals D der Gate-Spannung Vg an dem Schalter D 1Q4d, Gemäß Fig. 1 sind die Schalter A 104a, B 104b, C 104c, D 104d als normal sperrende MOSFETS ausgebildet. Das bedeutet, dass das Anlegen einer Spannung an das jeweilige Gate oder ein High-Impuls in Diagramm 400a, 400b einem geschlossenen Schalter entspricht, über den Strom fließen kann. Mit inversen Vorzeichen ist auch der Einsatz von selbstieitenden MOSFETS möglich. In FIGS. 4a, 4b, 5a, 5b, signal A corresponds to gate voltage Vg at switch A 104a, signal B corresponds to gate voltage Vg at switch B 104b, signal C corresponds to gate voltage Vg at Switch C 104c and the signal D of the gate voltage Vg at the switch D 1Q4d. According to FIG. 1, the switches A 104a, B 104b, C 104c, D 104d are designed as normally blocking MOSFETS. This means that the application of a voltage to the respective gate or a high pulse in diagrams 400a, 400b corresponds to a closed switch through which current can flow. The use of self-conducting MOSFETs is also possible with inverse signs.
Das Signal SR1 entspricht der Gate-Spannung an dem Schalter SR1. Das Signal SR2 entspricht der Gate-Spannung an dem Schalter SR2. The signal SR1 corresponds to the gate voltage at the switch SR1. The signal SR2 corresponds to the gate voltage at the switch SR2.
Das Signal I 1A entspricht dem zeitlichen Verlauf des Primärstroms durch die Spule T1A, insbesondere durch die Primärspule T1 A. The signal I 1A corresponds to the time course of the primary current through the coil T1 A , in particular through the primary coil T1 A.
Das Signal VdsA entspricht dem zeitlichen Verlauf der Drain-Source-Spannung im The signal Vds A corresponds to the time course of the drain-source voltage in
Schalter A. Switch A.
Zur Vereinfachung und zur Verdeutlichung des Einflusses von Tzvs, insbesondere der durch diesen verursachten Stromerhöhung von IT1A sind in den Gegenüberstellungen der Figs. 4a, 5a, 4b, 5b die gleichen Ansteuermuster der Schalter A, B, C, D, SR1, SR2 dargestellt, obwohl in einer PSFB ohne Tzvs nach Fig. 4a ggf. ein anderes Ansteuermuster verwendet würde, da beispielsweise die Schalter SR1 , SR2 nicht während der Freilaufphase II gleichzeitig kurzgeschlossen würden, um ZVS Schalten zu erreichen. Ein Brückenzweig 107, 108 kann als leg (Bein) 107, 108 bezeichnet werden. In dem im Folgenden betrachteten PSFB Schaltverfahren wird der zweite Brückenzweig 108 oder leg CD 108, welcher die Schalter C und D aufweist als vorauseilender Zweig (leading leg) 108 angesteuert. To simplify and clarify the influence of T zvs , in particular the current increase in IT1A caused by this, the comparisons of FIGS. 4a, 5a, 4b, 5b show the same control patterns of switches A, B, C, D, SR1, SR2, although a different control pattern would possibly be used in a PSFB without T zvs according to FIG. 4a, since switches SR1, SR2 would not be short-circuited during freewheeling phase II in order to achieve ZVS switching. A bridge branch 107, 108 can be referred to as a leg 107, 108. In the PSFB switching method considered below, the second bridge branch 108 or leg CD 108, which has the switches C and D, is actuated as a leading branch 108.
Der erste Brückenzweig 107 oder leg AB 107, welcher die Schalter A und B aufweist wird als nacheilender Zweig (lagging leg) 107 angesteuert. Die umgekehrte Ansteuerung ist auch möglich. Beim PSFB Schaltverfahren ist leg CD 108 gegenüber leg AB phasenversetzt (phase shifted), um durch den Phasenversatz die Ausgangsspannung Vout zu steuern und/oder zu regeln. The first bridge branch 107 or leg AB 107, which has the switches A and B, is driven as a lagging leg 107. The reverse control is also possible. In the PSFB switching method, leg CD 108 is phase-shifted compared to leg AB in order to control and / or regulate the output voltage Vout through the phase shift.
Bei einem PSFB Schaltverfahren oder Ansteuerverfahren gibt es im Wesentlichen vier Hauptphasen oder vier Hauptereignisse. Im Folgenden wird auf die Unterschiede gegenüber einem Standard PSFB eingegangen, die durch den Einsatz des ZVS Transformators Tzvs entstehen. There are essentially four main phases or four main events in a PSFB switching process or control process. In the following, the differences from a standard PSFB that are caused by the use of the ZVS transformer T zvs are discussed .
Diagramm 400a zeigt das Ansteuermuster für die Schalter A, B, C, D für den Fall, dass kein ZVS Transformator Tzvs, also keine Spule T3A und keine Spule T3B genutzt wird. Dabei ist der zeitverlauf des Diagramms 400a im Wesentlichen in vier Phasen I, II, III und IV eingeteilt. Diagram 400a shows the control pattern for the switches A, B, C, D in the event that no ZVS transformer T zvs , ie no coil T3 A and no coil T3 B is used. The time profile of the diagram 400a is essentially divided into four phases I, II, III and IV.
Hingegen zeigt das Diagramm 400b das Ansteuermuster für die Schalter A, B, C, D für den Fall, dass der ZVS Transformator Tzvs, genutzt wird, also, dass die Spule T3A und die Spule T3B genutzt wird. In contrast, the diagram 400b shows the control pattern for the switches A, B, C, D in the event that the ZVS transformer T zvs is used, that is to say that the coil T3 A and the coil T3 B are used.
Die Ansteuermuster für die Schalter A, B, C, D stimmen im Wesentlichen sowohl für Diagramm 400a als auch für Diagramm 400b überein. Ebenso die Einteilung der Phasen I, II, III und IV. Auch entsprechen sich die Ansteuermuster der synchron Gleichrichter SR1 , SR2 in den Diagrammen 400a und 400b. The control patterns for switches A, B, C, D are essentially the same for both diagram 400a and diagram 400b. Likewise, the division of phases I, II, III and IV. The control patterns of the synchronous rectifiers SR1, SR2 in diagrams 400a and 400b also correspond.
Im Folgenden werden die einzelnen Phasen I, II, III, IV beschrieben. 1. In der Phase I, sind die Schalter B 104b und C 104c angeschaltet oder aktiviert („B & C on“). Diese Phase I wird als Energiezufuhrphase (energizing phase) bezeichnet. Während dieser Phase wird Energie und/oder Leistung aus der Versorgungsquelle Vin, beispielsweise die HV Batterie, welche an den Knoten 102, 103 angeschlossen ist, an die Last (nicht in Fig. 1 gezeigt) an den Anschlüssen 1 10a, 110b, Vout übertragen. Der Stromfluss erfolgt somit in der Phase I im Wesentlichen über Knoten 102, Schalter C, Primärspule T1A und, falls die Spule T3B vorhanden ist, über T3B, über Schalter B in den Knoten 103. The individual phases I, II, III, IV are described below. 1. In phase I, switches B 104b and C 104c are switched on or activated ("B & C on"). This phase I is referred to as the energizing phase. During this phase, energy and / or power from the supply source V in , for example the HV battery, which is connected to the nodes 102, 103, is transferred to the load (not shown in FIG. 1) at the connections 1 10a, 110b, V transferred out . The current flow therefore takes place in phase I essentially via node 102, switch C, primary coil T1 A and, if coil T3 B is present, via T3 B , via switch B in node 103.
1.a) im Folgenden wird die Phase I für den Fall betrachtet, dass kein Transformator Tzvs vorgesehen, für den Fall also, dass weder die Spule T3A, noch die Spule T3B vorhanden ist. Die zugehörigen Signalverläufe sind in den Figs. 4a, 5a abgebildet. Für den Fall, dass kein Transformator Tzvs vorgesehen ist, steigt nach dem Umschalten des Schalters B wegen des Umschaltens des nacheilenden Zweiges 107, welches die Phase I einläutet, der Strom ITIA in dem Haupttransformator T1A mit einer Steigung gemäß der Formel: 1.a) In the following, phase I is considered for the case that no transformer T zvs is provided, for the case that neither the coil T3 A nor the coil T3 B is present. The associated signal curves are shown in Figs. 4a, 5a shown. In the event that no transformer T zvs is provided, after the switch B has been switched over due to the switchover of the lagging branch 107, which heralds phase I, the current IT IA in the main transformer T1 A increases with a slope according to the formula:
Hierin bezeichnet i den Strom IT1A durch die Primärspule T1A, Vo' bezeichnet die Spannung an der Primärspule T1A, die durch die Spannung Vout an den Anschlüssen 110a, 110b an der nicht dargestellten Last über den Transformator T1 auf die Primärseite des Transformators T1A, reflektiert wird. Vo' entspricht n * Vout, wobei n die Windungszahl des Transformators T1 ist. L1' bezeichnet die Induktivität der Spule T1A. Der Strich bei Vo’ und LT zeigt hierbei an, dass es sich um Werte handelt, die in die Primärspule T1A reflektiert worden sind. Herein, i denotes the current I T1A through the primary coil T1 A , Vo 'denotes the voltage at the primary coil T1 A , which is generated by the voltage V out at the connections 110a, 110b at the load (not shown) via the transformer T1 to the primary side of the transformer T1 A , is reflected. Vo 'corresponds to n * Vout, where n is the number of turns of the transformer T1. L 1 'denotes the inductance of the coil T1 A. The dash at Vo 'and LT indicates that these are values that have been reflected in the primary coil T1 A.
Der Strom lT1A fließt während der Phase I von Knoten 102, über Schalter C, über die Primärspule T1A, über Schalter B in den Knoten 103. Nur während der weiter unten beschriebenen weiteren Energiezufuhrphase III "A&D on” wird die reflektierte Ausgangsinduktivität L1 ' als sehr viel größer als die Streuinduktivität (leakage inductance) des Transformators T1 angenommen. Die Streuinduktivität, die sich bei der Übertragung von T1A nach T1 B des Transformators T1 ergibt, ist in Fig. 1 nicht eingezeichnet, da es sich dabei um eine fiktive Größe handelt, die keinem physikalischem Baustein entspricht. Sie kann jedoch über die Bauart des T ransformators eingestellt werden. Current I T1A flows during phase I from node 102, via switch C, via primary coil T1 A , via switch B into node 103. Only during the further energy supply phase III "A&D on" described further below is the reflected output inductance L 1 'assumed to be very much greater than the leakage inductance of the transformer T1. The leakage inductance, which changes during the transfer from T1 A to T1 B 1 because it is a fictional quantity that does not correspond to a physical component, but it can be set using the transformer type.
1.b) Wird zusätzlich, wie in Figs. 4b, 5b gezeigt, der ZVS Transformator Tzvs in Reihe zu T1 vorgesehen, erhöht der ZVS T ransformator Tzvs mit seinen Spulen T3A und T3B während der Phase I die Spannung über der Primärspule T1A des Haupttransformators T1. Somit ändert sich die Steigung des Stromes gegenüber Formel (1) während der der Energiezufuhrphase I, wenn der ZVS Transformator Tzvs vorgesehen ist, zu: 1.b) Is additionally, as in Figs. 4b, 5b, the ZVS transformer T zvs provided in series to T1, the ZVS ransformer T T zvs increases with its coils T3 A and T3 B during Phase I, the voltage across the primary coil of the main transformer T1 A T1. Thus, the slope of the current compared to formula (1) during the energy supply phase I, when the ZVS transformer T zvs is provided, changes to:
Hierbei bezeichnet i wiederum den Primärstrom IT1A, nzvs die Windungszahl des ZVS Transformators Tzvs und 2 nzvs die doppelte Windungszahl, wobei davon ausgegangen wird, dass die Spulen T3A und T3B die gleiche Windungszahl n aufweisen. In der Energiezufuhrphase I“B&C on” ist lediglich die Änderung des Stromes IT1A durch die Primärspule über der Zeit von dem Vorsehen des ZVS Transformators Tzvs betroffen und es ergeben sich somit im Wesentlichen keine Änderungen gegenüber dem Ansteuerverfahren einer PSFB Schaltung, bei welcher der ZVS Transformator Tzvs nicht vorgesehen ist. Je größer die Windungszahl nzvs des ZVS Transformators Tzvs ist, umso weniger macht sich der ZVS Transformators Tzvs bemerkbar. Here again i designates the primary current I T1A , n zvs the number of turns of the ZVS transformer T zvs and 2 n zvs the double number of turns, it being assumed that the coils T3 A and T3 B have the same number of turns n. In the energy supply phase I “B&C on”, only the change in the current I T1A through the primary coil over time is affected by the provision of the ZVS transformer T zvs and there are therefore essentially no changes compared to the control method of a PSFB circuit in which the ZVS transformer T zvs is not provided. The greater the number of turns n zvs of the ZVS transformer T zvs , the less noticeable the ZVS transformer T zvs .
2. Durch das im Wesentlichen gleichzeitige Umschalten der Schalter C, D des vorauseilenden Zweiges 108 entsteht die Übergangsphase 406a, 406b zwischen der Phase I und der Phase II. Während der Übergangsphase 406a, 406b wird der Schalter C 104c ausgeschaltet, über den in der Phase I der Strom IT1AZugeführt worden ist, und der Schalter D 104d wird eingeschaltet (Turn-off C/T urn-on D). Diese Übergangsphase 406a, 406b wird als Übergang des vorauseilenden Brückenzweigs 108 (leading leg transition) bezeichnet. 2.a) Im Fall der Figs. 4a, 5a, dass kein Transformator Tzvs vorgesehen ist, wird, um einen weichen Übergang (ZVS) zu erreichen und hartes Schalten zu vermeiden, während der Übergangsphase 406a die parasitäre Kapazität der Schalter C und D, im Wesentlichen vollständig entladen bzw. geladen. Die für das Entladen und/oder Laden genutzte Energie wird von der Streuinduktivität (nicht gezeigt in Fig. 1) der Primärwicklung T1A in der Form von magnetischer Energie aufgenommen bzw. abgegeben. Die magnetische Energie der Streuinduktivität (leakage inductance) der Primärwicklung T1 A bestimmt sich zu: 2. The essentially simultaneous switching of the switches C, D of the leading branch 108 creates the transition phase 406a, 406b between phase I and phase II. During the transition phase 406a, 406b, the switch C 104c is switched off, via the in phase I the current I T1A has been supplied and the switch D 104d is switched on (turn-off C / turn-on D). This transition phase 406a, 406b is called the transition of the leading bridge branch 108 (leading leg transition). 2.a) In the case of Figs. 4a, 5a, that no transformer T zvs is provided, in order to achieve a smooth transition (ZVS) and to avoid hard switching, the parasitic capacitance of switches C and D is substantially completely discharged or charged during transition phase 406a. The energy used for discharging and / or charging is taken up or given off by the leakage inductance (not shown in FIG. 1) of the primary winding T1 A in the form of magnetic energy. The magnetic energy of the leakage inductance of the primary winding T1 A is determined as follows:
Hierin bezeichnet DEL die Änderung der Energie in der primärseitigen Streuinduktivität Llk von Transformator T1 und I den Strom IT1A durch die Primärspule T1A. Diese Formel bezieht sich jedoch allgemein auf das Erreichen von einer ZVS Bedingung mittels der Schalter A und B und sie ist nicht nur auf die Phase II beschränkt. Wenn ausreichend Strom in dem Haupttransformator T1A vorhanden ist, werden C und D geschaltet und ZVS kann auch für diese beiden Schalter erreicht werden. Um einen weichen Übergang beim Schalten von A und B zu erreichen (ZVS), sollte die Bedingung erfüllt sein: Herein DE L denotes the change in energy in the primary leakage inductance L lk of transformer T1 and I the current I T1A through the primary coil T1 A. However, this formula generally refers to the achievement of a ZVS condition using switches A and B and is not limited to phase II only. If there is sufficient current in the main transformer T1A, C and D are switched and ZVS can also be reached for these two switches. In order to achieve a smooth transition when switching A and B (ZVS), the condition should be fulfilled:
Die Änderung der in der primärseitigen Streu Induktivität von T1 gespeicherten induktiven Energie sollte größer sein als die Änderung der in den parasitären Kapazitäten Cmos der Schalter A und B gespeicherten kapazitiven Energie DEc. In anderen Worten, sollte die primärseitige Streuinduktivität so dimensioniert sein, dass diese Bedingung erfüllt ist. Formel (4) drückt aus, dass die in der Streuinduktivität der Spule T1A gespeicherte Energie größer sein muss als die Energie, welche in den parasitären Kapazitäten Cmos der Schalter C und D gespeichert ist, und die Energie, welche in der parasitären Kapazität Ctr des Transformators T1 gespeichert ist. Üblicherweise handelt es sich bei dem Schaltvorgang „Turn-off C/Turn-on D” des vorauseilenden Zweiges 108 während der Übergangsphase 406a um einen weichen Übergang, da sich der Strom ITA1 bei seinem Maximalwert befindet und die Energie der Streuinduktivität ausreichend groß ist, um die Kapazitäten Cmos und Ctr vollständig zu laden bzw. zu entladen. The change in the inductive energy stored in the primary leakage inductance of T1 should be greater than the change in the capacitive energy DE c stored in the parasitic capacitances C mos of the switches A and B. In other words, the leakage inductance on the primary side should be dimensioned such that this condition is met. Formula (4) expresses that the energy stored in the leakage inductance of the coil T1 A must be greater than the energy stored in the parasitic capacitances C mos of the switches C and D and the energy stored in the parasitic capacitance C tr of the transformer T1 is stored. The switching operation “turn-off C / turn-on D” of the leading branch 108 during the transition phase 406a is usually a smooth transition, since the current I TA1 is at its maximum value and the energy of the leakage inductance is sufficiently large to fully charge and discharge the capacitors C mos and C tr .
Während der Übergangsphase 406a, welche sich an das Ende der Energiezufuhrphase I anschließt, werden also die beiden Schalter C, D des vorauseilenden Zweiges 108 (leading leg) 108 im Wesentlichen gleichzeitig umgeschaltet. Lediglich eine kleine Totzeit ist zwischen dem Ausschalten von C und dem Anschalten von D vorhanden. Der geschlossene Schalter C des vorauseilenden Zweiges 108 wird während der Übergangsphase 406a geöffnet und der geöffnete Schalter D des vorauseilenden Zweiges 108 wird geschlossen „Turn-off C/Turn-on D“. Da die Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 noch nicht betätigt werden, bleibt Schalter A geöffnet und Schalter B geschlossen. During the transition phase 406a, which follows the end of the energy supply phase I, the two switches C, D of the leading branch 108 (leading leg) 108 are switched over essentially simultaneously. There is only a small dead time between switching off C and switching on D. The closed switch C of the leading branch 108 is opened during the transition phase 406a and the open switch D of the leading branch 108 is closed “turn-off C / turn-on D”. Since switches A, B of trailing branch 107 are not yet actuated, switch A remains open and switch B is closed.
Durch dieses unsymmetrische und zeitlich unterschiedliche Schalten der Schalter C, D des vorauseilenden Zweiges 108 und der Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107, entsteht während der Übergangsphase 406a der Zustand der Phase II, in dem die High-Schalter A, C geöffnet und die Low-Schalter B, D gleichzeitig geschlossen sind. Durch dieses Schaltverhalten bildet sich im unteren Bereich in der Nähe des Low-Side-Knotens 103 eine Schleife oder Freilaufschleife. Die Primärspule T1A treibt den während der Phase I geflossenen Strom über die Primärspule T1A und über Schalter B, über Knoten 103 und über Schalter D weiter. Da die Schalter A, C während der Übergangsphase 406a geöffnet sind und/oder geöffnet werden und da der weiter durch T1A fließende Strom ausreichend groß ist, um parasitäre Ladungen aus dem Brückenpunkt 106 und somit aus den Schaltern C, D zu entladen, können sowohl Schalter C, als auch Schalter D in der Übergangsphase 406a im Wesentlichen unter ZVS Bedingungen geschaltet werden. This asymmetrical and temporally different switching of the switches C, D of the leading branch 108 and the switches A, B of the trailing branch 107 results in the state of phase II during the transition phase 406a, in which the high switches A, C open and the Low switches B, D are closed at the same time. As a result of this switching behavior, a loop or free-wheeling loop is formed in the lower region in the vicinity of the low-side node 103. The primary coil T1 A drives the current flowing during phase I through the primary coil T1 A and via switch B, via node 103 and via switch D. Since the switches A, C are open and / or are opened during the transition phase 406a and since the current flowing further through T1 A is sufficiently large to discharge parasitic charges from the bridge point 106 and thus from the switches C, D, both can Switch C and switch D are switched in the transition phase 406a essentially under ZVS conditions.
2.b) Wenn der ZVS Transformator vorgesehen ist, ergeben sich die Diagramme 400b, wie in Figs. 4b, 5b dargestellt. Diese Diagramme unterscheiden sich während der Übergangsphase 406b im Wesentlichen nicht gegenüber dem Übergangsprozess 406a aus 2a), bei dem kein ZVS Transformator vorgesehen ist. Auch das Ansteuerverfahren ist im Wesentlichen gleich. Allerdings treibt im Falle der zusätzlich zu der Primärspule T1A in Reihe geschalteten Spule T3B die Primärspule T1A wegen des Abfallens des Stromes den während der Phase I geflossenen Strom IT1A über die Primärspule T1A und über die Spule T3B, sowie über den Schalter B, den Knoten 103 und den Schalter D weiter. Die Freilaufschleif weist somit die Primärspule T1A , die Spule T3B, den Schalter B, den Low- Side-Knoten 103 und den Schalter D auf. 2.b) If the ZVS transformer is provided, the diagrams 400b result, as shown in Figs. 4b, 5b. During the transition phase 406b, these diagrams essentially do not differ from the transition process 406a from FIG. 2a), in which no ZVS transformer is provided. The control procedure is also essentially the same. However, in the case of the coil T3 B connected in series with the primary coil T1 A, the primary coil T1A drives the current I T1A that has flowed during phase I via the primary coil T1 A and the coil because of the drop in current T3 B , as well as via switch B, node 103 and switch D. The freewheeling loop thus has the primary coil T1 A , the coil T3 B , the switch B, the low-side node 103 and the switch D.
3. Die sich an die Übergangsphase 406a, 406b anschließende Phase II wird als Freilaufphase II bezeichnet. Während dieser Freilaufphase 11 sind die Low-Side-Schalter B 104b und D 104d angeschaltet (B & D on), d.h. geschlossen und die High-Side-Schalter A, C geöffnet. 3. Phase II following transition phase 406a, 406b is referred to as free-running phase II. During this freewheeling phase 11, the low-side switches B 104b and D 104d are switched on (B & D on), i.e. closed and the high-side switches A, C opened.
3.a) Im Fall der Figs. 4a, 5a, dass kein Transformator Tzvs vorhanden ist, sind während dieser Phase II„B & D on“ die beiden Low-Side-Schalter B und D eingeschaltet oder geschlossen und die beiden Anschlüsse 105, 106 der Primärspule T1A des Hauptransformators T1 mit dem Eingangsanschiuss 103 verbunden. Somit liegen beide Eingangsanschlüsse 105, 106 des T ransformators T 1 auf gleichem Potenzial und über dem T ransformator T 1 liegt keine Spannung an. Allerdings treibt die Primärspule T1A den Strom ITIA weiter. Dieser Strom lT1A durch die Primärwindung T1A nimmt jedoch exponentiell gemäß eines RL Schaltkreises- einem Schaltkreis mit Spule und Widerstand - ab: 3.a) In the case of Figs. 4a, 5a that there is no transformer T zvs , the two low-side switches B and D are switched on or closed during this phase II “B & D on” and the two connections 105, 106 of the primary coil T1 A of the main transformer T1 connected to the input connection 103. Thus, both input connections 105, 106 of the transformer T 1 are at the same potential and there is no voltage across the transformer T 1. However, the primary coil T1 A continues to drive the ITIA current. However, this current I T1A through the primary winding T1 A decreases exponentially according to an RL circuit - a circuit with coil and resistor -:
Hierbei ist lp der Spitzenstrom (peak current), der während der Übergangsphase 406a „Übergang des vorauseilenden Brückenzweigs (leading leg transition)" aus 2. im Anschluss an die Energiezufuhrphase I fließt. Der Widerstandswert rds,on ist der On-Widerstand des Schalters B bzw. D, beispielsweise des MOSFETs B bzw. D. Here, l p is the peak current that flows during the transition phase 406a “transition of the leading leg branch” from 2. following the energy supply phase I. The resistance value r ds, on is the on-resistance of the Switch B or D, for example the MOSFET B or D.
Das Ende der Freilaufphase II bestimmt die weitere Übergangsphase 404a, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in dieser weiteren Übergangsphase 404a die Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 geschaltet werden. Der High-Side-Schalter A wird angeschaltet oder geschlossen und der Low-Side-Schalter B wird ausgeschaltet oder geöffnet. Wenn die Streuinduktivität zu klein ist und/oder nicht ausreichend Strom IT1A durch die Primärwindung T1A des Haupttransformators T1 fließt kann für diesen Schaltvorgang des nacheilenden Zweiges 107 in der Übergangsphase 404a kein ZVS Schalten erreicht werden. Denn würde man lediglich die Streuinduktivität von T1 erhöhen, würde dies die Ausgangsleistungsfähigkeit beeinflussen. Daher wird das Erhöhen der Streuinduktivität im Wesentlichen vermieden. Auch kann der Strom nicht ohne weiteres erhöht werden. Jedoch schaffte es der Einsatz des ZVS Transformators und die gleichzeitige Ansteuerung der Schalter SR1 und SR2 während der Freilaufphase, den Strom zu erhöhen The end of the freewheeling phase II determines the further transition phase 404a, which is characterized in that the switches A, B of the trailing branch 107 are switched in this further transition phase 404a. The high-side switch A is switched on or closed and the low-side switch B is switched off or opened. If the leakage inductance is too small and / or insufficient current I T1A flows through the primary winding T1 A of the main transformer T1, the lagging switching process can occur Branch 107 in the transition phase 404a no ZVS switching can be achieved. Because if one only increased the leakage inductance of T1, this would affect the output performance. Therefore, increasing the leakage inductance is essentially avoided. The current cannot be increased easily. However, the use of the ZVS transformer and the simultaneous activation of switches SR1 and SR2 during the free-running phase managed to increase the current
3.b) Wenn, wie in Figs. 4b, 5b vorgesehen, gemäß Fig. 1 der ZVS (Zero Voltage Switching) Transformator T3A, T3B zusätzlich als Serienschaltung zu dem Transformator T1 zwischen den Brücken punkten 105, 106 vorgesehen ist, ergeben sich Unterschiede beim Ansteuern zu einem Fall, bei dem der ZVS Transformator Tzvs nicht vorhanden ist. Denn selbst wenn die Streuinduktivität zu klein ist und/oder nicht ausreichend Strom lT1A durch die Primärwindung T1A des Haupttransformators T1 fließen würde, kann der Strom lT1A durch die Primärwindung T1A des Haupttransformators T1 erhöht werden, wenn mittels des ZVS Transformators ausgenutzt wird, dass während der Freilaufphase II vor der Übergangsphase 404b die synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 gleichzeitig aktiviert oder geschlossen werden. Vor dem Schalten der Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 werden die synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 gleichzeitig aktiviert oder geschlossen, wodurch der Ausgang 1 10a, 110b und insbesondere die Sekundärspule T1 B kurzgeschlossen wird. Dieses gleichzeitige Aktivieren von SR1 , SR2 erzeugt einen zusätzlichen Stromimpuls in der Primärspule T1A, der den Strom lT1A erhöht und sich somit auch in einer Erhöhung des Stromes durch den ZVS Transformator auswirkt. 3.b) If, as in Figs. 4b, 5b provided, according to FIG. 1 of the ZVS (Zero Voltage Switching) transformer T 3A , T 3B additionally provided as a series connection to the transformer T1 between the bridge points 105, 106, there are differences in the actuation to a case in which the ZVS transformer T zvs is not available. Because even if the leakage inductance is too small and / or insufficient current I T1A would flow through the primary winding T1 A of the main transformer T1, the current I T1A through the primary winding T1 A of the main transformer T1 can be increased if the transformer is used by means of the ZVS that during the free-running phase II before the transition phase 404b, the synchronous rectifiers SR1, SR2 are activated or closed simultaneously. Before the switches A, B of the lagging branch 107 are switched, the synchronous rectifiers SR1, SR2 are simultaneously activated or closed, as a result of which the output 110a, 110b and in particular the secondary coil T1B are short-circuited. This simultaneous activation of SR1, SR2 generates an additional current pulse in the primary coil T1 A , which increases the current I T1A and thus also results in an increase in the current through the ZVS transformer.
An dem Schaltverhalten der synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 gegenüber Fig. 4a muss daher keine Änderung durchgeführt werden. Das Betätigen der Schalter SR1 , SR2 gemäß Fig, 4a könnte für die Ansteuerung einer PSFB ohne ZVS Transformator weggelassen werden und ist in Fig. 4a nur für einen besseren Vergleich eingezeichnet. Es zeigt auch, dass sich der Strom ohne ZVS Transformator trotz Schalten von SR1 , SR2 nicht erhöht. There is therefore no need to change the switching behavior of the synchronous rectifiers SR1, SR2 compared to FIG. 4a. The actuation of the switches SR1, SR2 according to FIG. 4a could be omitted for controlling a PSFB without a ZVS transformer and is only shown in FIG. 4a for a better comparison. It also shows that the current without ZVS transformer does not increase despite switching SR1, SR2.
Ist jedoch der ZVS Transformator vorhanden, kann mittels des ZVS Transformators von dem gleichzeitigen Aktivieren der synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 während der Freilaufphase II, IIB noch während der Übergangsphase 404b Nutzen gezogen werden, um ZVS Bedingungen für das Schalten der Schalter A, B während der Übergangsphase 404b zu schaffen. However, if the ZVS transformer is present, the ZVS transformer can be used to simultaneously activate the synchronous rectifiers SR1, SR2 during the freewheeling phase II, II B during the transition phase 404b ZVS to create conditions for switching switches A, B during transition phase 404b.
In anderen Worten, wird, um das Vorhandensein des ZVS Transformators Tzvs auszunutzen, noch während der Phase II„B & D on", während der die Low-Side-Schalter B und D die Brückenpunkte 105, 106 auf der Primärseite auf das gleiche Potenzial schalten, die sekundärseitige Spule T1 B des Transformators T1 kurzgeschlossen, indem die beiden Schalter SR1 und SR2 der Ausgangsgleichrichterschaltung 1 12 oder der Sekundärseite 112 aktiviert oder eingeschaltet werden, welche beispielsweise mittels MOSFET Transistoren realisiert sind. Der Teil der Freilaufphase II, während dem die synchronen Gleichrichter SR1 und SR2 gleichzeitig eingeschaltet sind, ist am Ende der Freilaufphase II gelegen und mit lla bzw. IIB bezeichnet. Bei Vorhandensein des ZVS Transformators Tzvs nimmt während dieser Endphase IIB der Strom iT1A ab, wie in Fig. 4b gezeigt ist, während ohne ZVS Transformator Tzvs in der Endphase lla eine Zunahme des Strom lT1A erfolgt, wie in Fig. 4a zu sehen ist. In other words, in order to take advantage of the presence of the ZVS transformer T zvs , "B & D on" is still during phase II, during which the low-side switches B and D bridge points 105, 106 on the primary side are the same Switch potential, the secondary-side coil T1 B of the transformer T1 is short-circuited by activating or switching on the two switches SR1 and SR2 of the output rectifier circuit 1 12 or of the secondary side 112, which are realized, for example, by means of MOSFET transistors. The part of the freewheeling phase II during which the synchronous rectifiers SR1 and SR2 are switched on at the same time, is located at the end of the freewheeling phase II and is denoted by Ila or II B. If the ZVS transformer T zvs is present , the current i T1A decreases during this final phase II B , as shown in FIG is, while without ZVS transformer T zvs in the final phase Ila there is an increase in current I T1A , as can be seen in FIG. 4a.
In der Phase II wird durch das Aktivieren der Low-Side-Schalter B und D ein geschlossener Schaltkreis aus der Serienschaltung der ZVS Sekundärspule T3B, der Primärspule T 1A und den beiden Schaltern B und D gebildet. Während dieser primärseitige Schaltkreis gebildet wird, indem der erste Low-Side-Schalter B und der zweite Low-Side-Schalter D gleichzeitig das negative Potenzial mit den Brückenanschlüssen 105 bzw 106 verbunden wird, werden die beiden Schalter SR1 , SR2 des sekundärseitigen Gleichrichters kurz vor dem Ansteuern der Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 während der Endphase IIA, IIB aktiviert. Gemäß Fig. 4a und Fig. 4b wird in der Endphase IIA, llB lediglich der erste synchrone Gleichrichter SR1 aktiviert, da der zweite synchrone Gleichrichter SR2 bereits aktiviert ist. In phase II, by activating the low-side switches B and D, a closed circuit is formed from the series connection of the ZVS secondary coil T3 B , the primary coil T 1 A and the two switches B and D. While this primary-side circuit is formed by simultaneously connecting the first low-side switch B and the second low-side switch D to the negative potentials with the bridge connections 105 and 106, the two switches SR1, SR2 of the secondary-side rectifier become shortly before the activation of the switches A, B of the lagging branch 107 activated during the final phase II A , II B. According to FIGS. 4a and 4b, only the first synchronous rectifier SR1 is activated in the final phase II A , II B , since the second synchronous rectifier SR2 is already activated.
Der zweite synchrone Gleichrichter SR2 wird vor der weiteren Übergangsphase 404a, 404b ausgeschaltet, also bevor die Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 betätigt werden. Durch diese Ansteuerung der beiden Schalter SR1 , SR2 in der Endphase IIA, IIB werden vor der Übergangsphase 404a, 404b des nacheilenden Zweiges 107 die beiden Anschlüsse der Sekundärspule T1B gleichzeitig mit dem gleichen Potenzial verbunden, beispielsweise mit dem Massepotenzial und auf diese Weise wird auf der Sekundärseite ein Schaltkreis aus Sekundärspule T1B und den beiden Schaltern SR1, SR2 gebildet. In dem primärseitig durch die Schalter B und D und die Spulen T3B und T1A gebildeten Stromkreis wird während der Phase II ein Freilauf erzeugt, da das zusammenbrechende Magnetfeld in den Spulen T3B und T1A den Primärstrom im aufrechterhält und die Streuinduktivität LIk von Haupttransformator T1 ihren Strom von Tzvs, insbesondere von T3B, erhält und der Strom durch T1A weiter zunimmt. Die Steigung des Stromes im berechnet sich nach: The second synchronous rectifier SR2 is switched off before the further transition phase 404a, 404b, that is to say before the switches A, B of the lagging branch 107 are actuated. By actuating the two switches SR1, SR2 in the end phase II A , II B , the two connections of the secondary coil T1 B are simultaneously connected to the same potential, for example to the ground potential and in this way, before the transition phase 404a, 404b of the trailing branch 107 a circuit is formed on the secondary side from the secondary coil T1 B and the two switches SR1, SR2. In the circuit formed on the primary side by the switches B and D and the coils T3 B and T1 A , a freewheel is generated during phase II, since the collapsing magnetic field in the coils T3 B and T1 A maintains the primary current in and the leakage inductance L Ik of Main transformer T1 receives its current from T zvs , in particular from T3 B , and the current through T1 A continues to increase. The slope of the current in is calculated according to:
Dieser zusätzlich durch die Streuinduktivität LIk und das sekundärseitige Kurzschließen hervorgerufene (betragsmäßige) Stromanstieg ist in der Fig. 4b an der Stelle 409b im Bereich des Endes der Freiiaufphase IIB, während SR1 und SR2 an sind, zu erkennen. Dieser Stromanstieg liegt vor der Übergangsphase 404b, während im gleichen Bereich II der Fig. 4a, ohne Tzvs, ein Abfall des Stromes iT1A zu erkennen ist. Als Folge des zusätzlich injizierten Stromanstiegs durch das Entladen Spulen T3B und T1A erhöht sich die magnetische Energie, die in der Streuinduktivität LIk von T 1 gespeichert wird, bis schließlich sämtliche in den Schaltern A, B des nacheilenden Zweiges 107 gespeicherte Ladung in eine magnetische Energie der Streuinduktivität LIk umgesetzt ist, so dass die Schalter A, B im Wesentlichen frei von Ladungen sind und der Übergang des nacheilenden Zweigs A/B (lagging leg) 107 unter ZVS Bedingungen durchgeführt werden kann. Dabei zirkuliert der Strom durch die Streuinduktivität. Sollte die Streuinduktivität zu klein sein, muss der Strom erhöht werden, um für ausreichende Energie für ZVS Bedingungen zu sorgen. This (in terms of magnitude) current increase, which is additionally caused by the leakage inductance L Ik and the secondary-side short-circuiting, can be seen in FIG. 4b at point 409b in the region of the end of the free phase II B , while SR1 and SR2 are on. This current rise is before the transition phase 404b, while in the same area II of FIG. 4a, without a T zvs , a drop in the current i T1A can be seen. As a result of the additionally injected current rise due to the discharging of coils T3 B and T1 A , the magnetic energy which is stored in the leakage inductance L Ik of T 1 increases until finally all the charge stored in the switches A, B of the trailing branch 107 into one magnetic energy of the leakage inductance L Ik is converted, so that the switches A, B are essentially free of charges and the transition of the lagging branch A / B (lagging leg) 107 can be carried out under ZVS conditions. The current circulates through the leakage inductance. If the leakage inductance is too small, the current must be increased to ensure sufficient energy for ZVS conditions.
4. In der Übergangsphase 404a, 404b zwischen der Phase II und III wird der Schalter B 104b abgeschaltet und der Schalter A 104a angeschaltet (Turn-off B/Turn-on A). Diese Phase 404a, 404b“Turn-off B/Turn-on A” wird als Übergang des nacheilenden Zweigs 107 (Lagging leg transition) A/B bezeichnet. 4. In the transition phase 404a, 404b between phase II and III, switch B 104b is switched off and switch A 104a is switched on (turn-off B / turn-on A). This phase 404a, 404b “turn-off B / turn-on A” is referred to as the transition of lagging leg 107 (lagging leg transition) A / B.
Während den Energiezufuhrphasen I und III erhöht sich der Strom kontinuierlich, allerdings in entgegengesetzter Richtung, so dass sich der Strom an den Stellen 405a, 405b von 0A unterscheidet. Die Höhe der Stromzunahme hängt von der Ausgangsleistung des Wandlers 100 ab. Dieser Strom sorgt für die ZVS Bedingungen beim Schalten von den Schaltern C, D des vorauseilenden Zweiges 108. During the energy supply phases I and III, the current increases continuously, but in the opposite direction, so that the current at points 405a, 405b of 0A differs. The amount of current increase depends on the output power of converter 100. This current provides the ZVS conditions when switching the switches C, D of the leading branch 108.
Während den Freilaufphasen II und IV nimmt der Strom jeweils in entgegengesetzter Richtung ab. Wie in den Phasen IIA und/oder IVA zu sehen ist werden die Bedingungen für ZVS Schalten von A und B nicht erreicht. Nur wenn, wie in den Phasen IIB und/oder IVB zu sehen ist ein ZVS Transformator vorhanden ist und die Schalter SR1 , SR2 zur gleichen oder selben Zeit eingeschaltet werden, können ZVS Bedingungen für das Schalten von A und B erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich könnte auch die Streuinduktivität von T1 erhöht werden, was jedoch zu Einbußen bei der Ausgangs-Leistungsfähigkeit führen kann und deshalb, wenn es durchgeführt wird, nur in geringem Maße durchgeführt wird. During the freewheeling phases II and IV, the current decreases in the opposite direction. As can be seen in phases II A and / or IV A , the conditions for ZVS switching of A and B are not reached. Only if, as can be seen in phases II B and / or IVB, a ZVS transformer is present and the switches SR1, SR2 are switched on at the same or the same time, ZVS conditions for switching A and B can be achieved. Alternatively or additionally, the leakage inductance of T1 could also be increased, which, however, can lead to losses in the output performance and therefore, when it is carried out, is carried out only to a small extent.
Somit lässt nach einer sprunghaften Zuname des Stromes i 1A in der Übergangsphase 406a, 406b der Stromfluss i 1A während der Freilaufphase II nach, bis der Endbereich llA, IIB erreicht wird. Bis zu dem Endbereich llA, IIB entsprechen sich die Verläufe des Stromes i 1A der Figuren 4a und 4b unabhängig davon, ob der ZVS Transformators Tzvs vorhanden ist oder nicht Thus, the current i can 1A after a sudden surname in the transition phase 406a, 406b, the current flow i 1A during the freewheeling phase II after the other until the end portion II A, II B is reached. Up to the end area II A , II B , the courses of the current i 1A of FIGS. 4a and 4b correspond regardless of whether the ZVS transformer T zvs is present or not
Im Wesentlichen wird lediglich der linear während den Phasen IIB und IVB ansteigende Strom i 1A für das ZVS Schalten von A und B beim Vorhandensein des ZVS Transformators genutzt. Bei dem Stromimpuls des Stromes i 1A, unmittelbar nach dem Schalten von A und B handelt es sich um Wechselwirkungen mit den parasitären Kapazitäten der Schaltung und er kann vernachlässigt werden. Für das unterschiedliche Verhalten einer Schaltung mit ZVS Transformator und ohne ZVS Transformator ist die unterschiedliche Beeinflussung des Stromflusses IT1 A mit und ohne ZVS Transformators Tzvs im Endbereich llA, IIB der Freilaufphase II verantwortlich. Essentially, only the current i 1A, which increases linearly during phases II B and IV B, is used for the ZVS switching of A and B when the ZVS transformer is present. The current pulse of the current i 1A , immediately after the switching of A and B, is an interaction with the parasitic capacitances of the circuit and can be neglected. The different influencing of the current flow I T1 A with and without ZVS transformer T zvs in the end area II A, II B of the freewheeling phase II is responsible for the different behavior of a circuit with a ZVS transformer and without a ZVS transformer.
4.a) Wird die PSFB genutzt, ohne dass ein Transformator Tzvs vorhanden ist, wie in Fig. 4a gezeigt, ist die Phase 404a des Übergangs des nacheilenden Zweigs 107 eine kritische Phase, da sie sich an die Freilaufphase (freewheeling phase) II anschließt. Denn wie sowohl in Fig. 4a als auch in Fig. 5a an dem Bezugszeichen 407a zu sehen ist, liegt im Bereich des Übergangs 404a des nacheilenden Zweiges 107 noch Spannung über dem Schalter A an, während der Schalter A betätigt wird. Das Betätigen des Schalters ist an dem Bezugszeichen 408a gezeigt. Im Beispiel, dass der Schalter A durch ein MOSFET realisiert ist, wird der Schalter A an seinem Gate im Bereich 408a aktiviert, wobei in diesem Zeitbereich noch die gesamte Spannung VDSA an seinem Drain-Source Anschluss anliegt. 4.a) If the PSFB is used without a transformer T zvs , as shown in FIG. 4a, the phase 404a of the transition of the lagging branch 107 is a critical phase, since it is related to the freewheeling phase II connects. Because, as can be seen in FIG. 4a as well as in FIG. 5a at reference number 407a, lies in Area of transition 404a of trailing branch 107 still has voltage across switch A while switch A is actuated. The actuation of the switch is shown at reference number 408a. In the example that the switch A is realized by a MOSFET, the switch A is activated at its gate in the area 408a, the entire voltage VDSA still being present at its drain-source connection in this time area.
Als Folge des geringen Stromes IT1A während der Phase llA reicht die magnetische Energie, die in der Induktivität T1 A gespeichert ist, nicht aus, die parasitären Kapazitäten der Schalter A und B und der Primärspule T1A vollständig zu entladen, wenn eine geringe Last am Ausgang 1 10a, 110b angeschlossen ist. Nur bei einer großen Last würde ein Strom in der Leckinduktivität oder Streuinduktivität auftreten, der groß genug wäre ZVS Bedingungen in den Schaltern A, B des nacheilenden Zweiges 107 herbeizuführen. In Fig. 4a wird jedoch von einer geringen Last ausgegangen und folglich tritt ein hartes Schalten der Schalter A und B. Zwar kann der Zeitbereich in dem weich (ZVS) geschaltet werden kann erhöht werden, indem der Wert der Induktivität der Primärspule T1A erhöht wird. Dann besteht jedoch ab einem bestimmten Wert die Gefahr, dass die Ausgangsfähigkeit (output capability) des DC-DC-Wandlers 100 oder die Leistungsfähigkeit des Wandlerausgangs 110a, 110b gefährdet wird. As a result of the low current I T1A during phase II A, the magnetic energy stored in the inductor T1 A is not sufficient to completely discharge the parasitic capacitances of switches A and B and the primary coil T1A when a low load is on Output 1 10a, 110b is connected. Only with a large load would there be a current in the leakage inductance or leakage inductance which would be large enough to bring about ZVS conditions in the switches A, B of the lagging branch 107. In Fig. 4a, however, a low load is assumed and consequently hard switching of switches A and B occurs. Although the time range in which soft (ZVS) can be switched can be increased by increasing the value of the inductance of primary coil T1 A . From a certain value, however, there is then the risk that the output capability of the DC-DC converter 100 or the performance of the converter output 110a, 110b is endangered.
Fig. 5a zeigt den Ausschnitt 404a im Bereich des Übergangs des nacheilenden Brückenzweigs 107 (lagging leg transition) für den Fall, dass kein Transformator Tzvs vorgesehen ist. 5a shows the detail 404a in the region of the transition of the lagging leg transition 107 (lagging leg transition) in the event that no transformer T zvs is provided.
4.b) Wenn gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Erfindung der ZVS 4.b) If according to the embodiment of FIG. 1 of the invention of the ZVS
Transformator Tzvs vorgesehen ist, kann, wie in Figs. 4b, 5b gezeigt, durch das Aktivieren der Schalter SR1 , SR2 während der Endphase IIB ein erhöhter Strom IT1A während der Endphase IIB fließen. Wegen des erhöhten Stromflusses in der Endphase IIB kann ein weicher Übergang beim Schalten von A und B erzeugt werden. Der Strom iT1A setzt an der Stelle 405b nicht aus, sondern fließt weiter, insbesondere steigt er weiter während der Endphase Ile der Freilaufphase II bis zu dem Punkt 409b an. Dieser Anstieg des Transformer T zvs is provided, as shown in Figs. 4b, 5b, by activating the switches SR1, SR2 during the final phase II B, an increased current I T1A flows during the final phase II B. Because of the increased current flow in the final phase II B , a smooth transition when switching A and B can be generated. The current i T1A does not stop at the point 405b, but continues to flow, in particular it continues to rise during the final phase Ile of the freewheeling phase II up to the point 409b. This increase in
Stromflusses wird durch den ZVS Transformator bewirkt, der die Auswirkungen des Schaltens der sekundärseitigen Schalter SR1 , SR2 oder der sekundärseitigen Current flow is caused by the ZVS transformer, which affects the effects of the Switching the secondary-side switches SR1, SR2 or the secondary-side
Gleichrichter SR1 , SR2 auf der Primärseite verstärkt. Rectifiers SR1, SR2 reinforced on the primary side.
Hierbei hat der ZVS Transformator Tzvs , also die Kombination der Spulen T3A or T3B, die Funktion während der Freilaufphase II bzw. IV und insbesondere in einem Endbereich IIB bzw. IVB, d.h, während dem Zeitintervall, während welchem die Schalter SR1 , SR2 gleichzeitig aktiviert sind und die Sekundärspule T1 B kurzschließen, den Primärstrom I 1A zu erhöhen. Da die Low-Side-Schalter B und D während der Freilaufphase II Here, the ZVS transformer T zvs , i.e. the combination of the coils T3 A or T3 B , has the function during the freewheeling phase II or IV and in particular in an end region II B or IV B, ie during the time interval during which the switches SR1, SR2 are activated at the same time and short-circuit the secondary coil T1 B to increase the primary current I 1A . Since the low-side switches B and D during the freewheeling phase II
eingeschaltet sind, wird die Spannung über T3B während der Freilaufphase II auf 0V gehalten. Somit beträgt auch die in die Primärspule von der Sekundärseite reflektierte Spannung Null. Die Spannung über der Spule T3A beträgt jedoch die Hälfte der are switched on, the voltage across T3 B is kept at 0V during the freewheeling phase II. The voltage reflected in the primary coil from the secondary side is therefore also zero. However, the voltage across the coil T3 A is half that
Eingangsspannung ½ Vin. Die Spannung über T3B wird während der Freilaufphase II auf 0V gehalten. Während die Spannung der T3A-Wicklung ungleich Null ist, steigt der Strom linear durch den ZVS-Transformator Tzvs. Dieser Strom ist proportional zu der Zeit, zu der SR1 und SR2 aktiviert sind, und umgekehrt proportional zur Streuinduktivität von Tzvs. Input voltage ½ V in . The voltage across T3 B is kept at 0V during freewheeling phase II. While the voltage of the T3 A winding is not equal to zero, the current increases linearly through the ZVS transformer T zvs . This current is proportional to the time that SR1 and SR2 are activated and inversely proportional to the leakage inductance of T zvs .
Da während der Freilaufphase II die Spannung über den Low-Side-Schalter B auf 0V gehalten wird, kann der Schalter B während der Übergangsphase 404b unmittelbar nach der Freilaufphase II unter ZVS Bedingungen umgeschaltet werden, insbesondere kann der Low-Side-Schalter B unter ZVS Bedingungen ausgeschaltet werden. Nach dem Schalten des Schalters B wird der zusätzlich von der Spule T3A in die Spule T3B eingeprägte Strom in den Verbindungsknoten 105 zwischen den Schalter A und B geleitet und hilft dabei sämtliche Ladung in parasitären Elementen von dem High-Side- Schalter A und/oder sämtliche Spannung über dem High-Side-Schalter A abzubauen und für ZVS Bedingungen für das Schalten des Schalters A zu sorgen. Somit kann der High- Side-Schalter A des nacheilenden Zweiges 107 um eine kleine Totzeit nach dem Low- Side-Schalter B des nacheilenden Zweiges 107 unter ZVS Bedingungen geschaltet werden, wie in Fig. 5b dargestellt. Wie der Detailausschnitt der Fig. 5b zeigt, wird A betätigt, nachdem VDS = 0 gilt und somit die Spannung über A im Wesentlichen Null Volt beträgt. Since the voltage is kept at 0V via the low-side switch B during the freewheeling phase II, the switch B can be switched under ZVS conditions during the transition phase 404b immediately after the freewheeling phase II, in particular the low-side switch B can be switched under ZVS Conditions are turned off. After the switch B has been switched, the current additionally impressed by the coil T3 A into the coil T3 B is conducted into the connection node 105 between the switches A and B and thereby helps all the charge in parasitic elements from the high-side switch A and / or to remove all voltage across the high-side switch A and to provide ZVS conditions for switching the switch A. Thus, the high-side switch A of the lagging branch 107 can be switched by a short dead time after the low-side switch B of the lagging branch 107 under ZVS conditions, as shown in FIG. 5b. 5b shows that A is actuated after V DS = 0 and thus the voltage across A is essentially zero volts.
In einem Beispiel mag gelten, dass die beiden Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 während der Übergangsphase 406b im Wesentlichen gleichzeitig geschaltet werden. In einem anderen Beispiel mag gelten, dass der High-Side-Schalter A des nacheilenden Zweiges 107 zeitlich nach dem Low-Side-Schalter B des nacheilenden Zweiges 107 geschaltet wird. In noch einem anderen Beispiel mag gelten, dass der High-Side-Schalter A des nacheilenden Zweiges 107 während der Phase III nach dem Low-Side-Schalter B des nacheilenden Zweiges 107 geschaltet wird, weicher während der Freilaufphase II geschaltet wird. In noch einem anderen Beispiel mag gelten, dass der Low-Side-Schalter B des nacheilenden Zweiges 107 vor dem zweiten synchronen Gleichrichter SR2 geschaltet wird und der High-Side-Schalter A des nacheilenden Zweiges 107 nach dem zweiten synchronen Gleichrichter SR2 geschaltet wird. In one example, it may apply that the two switches A, B of the lagging branch 107 are switched essentially simultaneously during the transition phase 406b. In another example, it may apply that the high-side switch A of the lagging branch 107 is switched in time after the low-side switch B of the lagging branch 107. In yet another example, the high-side switch A of the lagging branch 107 may be switched during phase III after the low-side switch B of the lagging branch 107, which is switched during the freewheeling phase II. In yet another example, the low-side switch B of the lagging branch 107 is switched before the second synchronous rectifier SR2 and the high-side switch A of the lagging branch 107 is switched after the second synchronous rectifier SR2.
Entsprechendes gilt beim Schalten der Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 im Anschluss an die Freilaufphase IV. Der Strom ITIA fließt jedoch in während der Energiezufuhrphasen III und der Freilaufphase IV in umgekehrter Richtung verglichen mit den der Energiezufuhrphase I und der Freilaufphase II. Aus der Energiezufuhrphase III kommend ist der Schalter A eingeschaltet und der Schalter B ausgeschaltet. Die Freilaufphase IV beginnt mit dem Umschaiten der Schalter C, D des vorauseilenden Zweiges 108. Es wird eine Schleife oder Freilaufschleife im oberen Bereich der Schaltung an dem High-Anschluss 109 gebildet. Die Freilaufschleife weist den Schalter A, die Spule T3B, die Spule T1A, den High-Side-Knoten 102 und den Schalter C auf. Auch in dieser Freilaufschleife wird die Spannung auf OV gehalten. Es wird daher beim Verlassen der Freilaufphase IV in der Endphase IVB wiederum zuerst der Schalter A des nacheilenden Zweiges 107 geschaltet, welcher sich in der Freilaufschleife befindet. Da die Spannung in dieser Freilaufschleife auf 0V gehalten wird, kann der Schalter A des nacheiienden Zweiges unter ZVS Bedingungen umgeschaltet werden. Wenn dieser Schalter umgeschaltet ist, kann der zusätzlich durch das Schalten der synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 generierte Strom ausgenutzt werden, um auch den zweiten Schalter B unter ZVS Bedingungen zu schalten. The same applies when switching the switches A, B of the lagging branch 107 following the freewheeling phase IV. However, the current ITIA flows in the reverse direction during the energy supply phases III and the freewheeling phase IV compared to those of the energy supply phase I and the freewheeling phase II Coming energy supply phase III, switch A is switched on and switch B is switched off. The free-running phase IV begins with the switching of the switches C, D of the leading branch 108. A loop or free-running loop is formed in the upper region of the circuit at the high connection 109. The freewheeling loop has switch A, coil T3 B , coil T1 A, high-side node 102 and switch C. The voltage is also kept at OV in this freewheeling loop. Therefore, when leaving the freewheeling phase IV in the final phase IV B , the switch A of the trailing branch 107, which is in the freewheeling loop, is again switched first. Since the voltage in this freewheeling loop is kept at 0V, switch A of the following branch can be switched under ZVS conditions. If this switch is switched, the current additionally generated by switching the synchronous rectifiers SR1, SR2 can be used to also switch the second switch B under ZVS conditions.
Das Schaltverhalten der Schalter A 104a, B 104b, C 104c, D 104d ist in Figs. 4a, 4b, 5a, 5b gleich, unabhängig, ob der ZVS Transformator Tzvs vorhanden ist, wie in Figs. 4b, 5b vorausgesetzt ist oder nicht vorhanden ist, wie in Figs. 4a, 5a vorausgesetzt ist. Dieses Schaltverhalten entspricht dem Schaltverhalten einer Phase Shifted Full Bridge (PSFB), so dass der ZVS Transformator Tzvs bei jeder PSFB nachgerüstet werden kann, ohne das Schaltverhalten zu ändern. The switching behavior of the switches A 104a, B 104b, C 104c, D 104d is shown in Figs. 4a, 4b, 5a, 5b the same, regardless of whether the ZVS transformer Tzvs is present, as shown in Figs. 4b, 5b is required or does not exist, as shown in Figs. 4a, 5a is required. This switching behavior corresponds to the switching behavior of a phase shifted full bridge (PSFB), so that the ZVS transformer T zvs can be retrofitted to every PSFB without changing the switching behavior.
Der ZVS Transformator Tzvs sorgt für die Stromerhöhung 409a in der Endphase IIB der Freilaufphase II bzw. für die Stromerhöhung mit umgekehrtem Vorzeichen in der The ZVS transformer Tzvs provides the current increase 409a in the final phase II B of the freewheeling phase II or the current increase with the opposite sign in the
Endphase IVB der Freilaufphase IV. Final phase IVB of free-running phase IV.
Während der Freilaufphase II und auch während der Freilaufphase IV beträgt die During the freewheeling phase II and also during the freewheeling phase IV the is
Eingangsspannung Vin die Summe der Drain-Spannungen VdsA und VdsB, falls die Schalter A und B als MOSFETs relisiert sind. Input voltage V in the sum of the drain voltages Vds A and Vds B if the switches A and B are related as MOSFETs.
Vin = VdsA + FdsB V in = Vds A + Fds B
Fig. 5b zeigt den Ausschnitt im Bereich des Schalt-Intervalls 404b oder der Übergangsphase 404b. Zum Schalt-Zeitpunkt 407b der Schalter A und B des nacheilenden Brückenzweigs 107 (lagging leg transition) ist für den Fall, dass ein Transformator Tzvs vorgesehen ist, die Spannung VdsA über dem Schalter A auf im Wesentlichen 0 V abgefallen, so dass ZVS Schalten möglich ist. 5b shows the detail in the area of the switching interval 404b or the transition phase 404b. At the switching time 407b of the switches A and B of the lagging leg branch (lagging leg transition), in the event that a transformer T zvs is provided, the voltage Vds A across the switch A has dropped to essentially 0 V, so that ZVS Switching is possible.
Hingegen ist ohne Transformator Tzvs zum Schalt-Zeitpunkt 407a des Schalters B kein ZVS Schalten möglich, wie in Fig. 5a dargestellt ist. On the other hand, no ZVS switching is possible without a transformer T zvs at the switching time 407a of the switch B, as shown in FIG. 5a.
Die Schalter A, B sind in dem ersten Brückenanschluss 105 und die Schalter C, D sind in dem zweiten Brückenanschluss 106 in Reihe verbunden. Der erste Brückenanschluss 105 und der zweite Brückenanschluss 106 sind auch über eine Reihenschaltung der Spule T3B und der Primärspule T1A des Haupttransformators T1 verbunden. Die Spule T3B kann als Zusatzspule T3B ZU der Primärspule T 1A des Haupttransformators aufgefasst werden, da sie dazu genutzt werden kann, die Gesamtinduktivität der Reihenschaltung aus T1A und T3B zu erhöhen. Eine hohe Gesamtinduktivität zwischen den Knoten 105 und 106 kann das ZVS Verhalten der Brückenschaltung 101 verbessern. Die Zusatzspule T3B kann mit einer Stromeinprägeeinrichtung T3A oder einer The switches A, B are connected in the first bridge connection 105 and the switches C, D are connected in series in the second bridge connection 106. The first bridge connection 105 and the second bridge connection 106 are also connected via a series connection of the coil T3 B and the primary coil T1 A of the main transformer T1. The coil T3 B may 1 A of the main transformer to be construed as an additional coil T3 B TO the primary coil T, since it can be used to increase the total inductance of the series connection of T1 A and T3 B. A high total inductance between the nodes 105 and 106 can improve the ZVS behavior of the bridge circuit 101. The additional coil T3 B can with a current injection device T3 A or
Strominjektionseinrichtung T3A gekoppelt sein. In dem Beispiel der Fig. 1 handelt es sich bei der Stromeinprägeeinrichtung T3A ebenfalls um eine Spule T3A. Die Spule T3B kann mit der Zusatzspule T3B mit niedriger magnetischer Kopplung gekoppelt sein und so den Zusatztransformator Tzvs oder den ZVS-Transformator Tzvs bilden. Unter Verwendung eines kleinen Transformators Tzvs mit niedriger magnetischer Kopplung kann das ZVS- Schalten der Schalter A und B erreicht werden. Die Stromeinprägeeinrichtung T3A bildet die Primärspule T3A des Zusatztransformators Tzvs und die Zusatzspule T3A bildet die Sekundärspule T3A des Zusatztransformators Tzvs· Current injection device T3 A can be coupled. In the example in FIG. 1, the current injection device T3 A is also a coil T3 A. The coil B T3 may be coupled to low magnetic coupling and thus form the additional transformer T zvs or ZVS transformer T zvs with the auxiliary coil B T3. The ZVS switching of switches A and B can be achieved using a small transformer T zvs with low magnetic coupling. The Stromeinprägeeinrichtung T3 A forms the primary coil T3 A of the auxiliary transformer T and the auxiliary coil zvs T3 A, the secondary coil T3 A forms the additional transformer T · zvs
Durch die Reihenschaltung des Zusatztransformators Tzvs mit dem Haupttransformator T1 lässt sich eine gute Ausgangsleistungsfähigkeit (output capability) für die Phase Shifted Full Bridge erzielen. Sollte die Eingangsspannung Vin unter einen vorgebbaren Wert fallen kann der DC-DC-Wandler keine Spannung generieren, die in der Lage ist, eine am Ausgang 110a, 1 10b angeschlossene Last zu versorgen, beispielsweise schafft es der Ausgang des DC-DC-Wandlers nicht, eine 12V Batterie zu laden, wenn die By connecting the additional transformer T zvs in series with the main transformer T1, good output capability for the phase shifted full bridge can be achieved. If the input voltage V in falls below a predeterminable value, the DC-DC converter cannot generate a voltage which is able to supply a load connected to the output 110a, 110b, for example the output of the DC-DC converter manages it not to charge a 12V battery if that
Eingangsspannung Vin zu gering ist. Wenn eine Stromeinprägeeinrichtung T3A oder eine Primärwindung T3A vorgesehen ist, die mit einer Sekundärspule T3B gekoppelt ist, welche in Serie mit der Primärspule T1A des Haupttransformators geschaltet ist, kann diese Leistungsfähigkeit des Ausgangs 110a, 1 10b erhöht werden. Die gute Input voltage V in is too low. If a current injection device T3 A or a primary winding T3 A is provided, which is coupled to a secondary coil T3 B , which is connected in series with the primary coil T1A of the main transformer, this performance of the output 110a, 110b can be increased. The good
Ausgangsleistungsfähigkeit kann sich also dadurch auszeichnen, dass auch bei einer geringen Eingangsspannung Vin noch eine Last am Ausgang des DC-DC-Wandlers mit einer Leistung versorgt werden kann, die dann jedoch auch wegen der geringen Output performance can therefore be characterized in that even with a low input voltage V in , a load can still be supplied with a power at the output of the DC-DC converter, but this is then also due to the low power
Eingangsspannung Vin gering sein mag. Input voltage V may be low.
Durch diese gute Ausgangsleistungsfähigkeit können effiziente Batterieanwendungen ermöglicht werden, wie beispielsweise Hilfs-DC-DC-Wandler für Elektrofahrzeuge (EV, Electro Vehicles) und für Plug-in Hybrid-Electric Vehicles (PHEV) bei denen der This good output performance enables efficient battery applications, such as auxiliary DC-DC converters for electric vehicles (EV, electro vehicles) and for plug-in hybrid electric vehicles (PHEV) in which the
Spannungsbereich Vin in Abhängigkeit vom Ladezustand der an dem High-Side-Knoten 102 und dem Low-Side-Knoten 103 angeschlossenen Hochspannungsbatterie (HV- Batterie) groß sein kann. Alle mit der Primärspule T1A des Haupttransformators T1 verbundenen Schalter A, B, C,Voltage range V in depending on the state of charge of the high-voltage battery (HV battery) connected to the high-side node 102 and the low-side node 103 can be large. All switches A, B, C, connected to the primary coil T1 A of the main transformer T1
D werden als Primärschalter bezeichnet. Diese können mit Hilfe von MOSFETs A, B, C, D realisiert sein. Um für alle Primärschalter A, B, C, D ein ZVS zu ermöglichen ist die Serienschaltung der der Zusatzspule T3B mit der Primärspule T1A des D are called primary switches. These can be realized with the help of MOSFETs A, B, C, D. In order to enable a ZVS for all primary switches A, B, C, D, the series connection of the auxiliary coil T3 B with the primary coil T1 A is
Haupttransformators T1 vorgesehen. Durch die zusätzliche Spannung an der Zusatzspule T3B kann die gute Ausgangsleistungsfähigkeit (output capability) am Ausgang 110 erreicht werden. Main transformer T1 provided. The additional voltage at the additional coil T3 B enables the good output capability at the output 110 to be achieved.
Der Spannungsabfall über T3B hat Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Ausgangs 1 10 und das Zufügen von einer Primärspule T3A, welche mit T3B magnetisch gekoppelt ist erhöht die Leistungsfähigkeit des Ausgangs, indem die Spannung erhöht wird, die an die Primärseite des Haupttransformators T1 angelegt wird. Dabei wirkt sich Tzvs zweifach auf die Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Ausgangs aus, Einerseits erhöht sich die Spannung, die an der Primärspule T1A des Haupttransformators T1 anliegt um einen Wert, der durch die Formel gegeben ist. Durch die erhöhte Eingangsspannung des The voltage drop across T3 B affects the performance of output 110 and the addition of a primary coil T3 A which is magnetically coupled to T3 B increases the performance of the output by increasing the voltage applied to the primary side of main transformer T1 becomes. T zvs has a two-fold effect on increasing the performance of the output. On the one hand, the voltage applied to the primary coil T1 A of the main transformer T1 increases by a value given by the formula. Due to the increased input voltage of the
Transformators ergibt sich die Ausgangsspannung Vout = Vo zu: The output voltage Vout = Vo results in:
Dabei ist ntr die Windungszahl des Haupttransformators T1. Here n tr is the number of turns of the main transformer T1.
Ein ZVS Transformator Tzvs kann die Schaltverluste mindern. Mit und ohne ZVS A ZVS transformer T zvs can reduce switching losses. With and without ZVS
Transformator Tzvs dauert es eine vorbestimmte Zeit bis eine Primärspannung an der Primärspule T1A auch an der Sekundärspule T1B erscheint, nachdem diese Transformer T zvs it takes a predetermined time until a primary voltage on the primary coil T1 A also appears on the secondary coil T1 B after this
Primärspannung an die Primärspule T1A von Transformator T1 angelegt worden ist.Primary voltage has been applied to the primary coil T1 A by transformer T1.
Diese Verzögerung entsteht, da der Primärstrom durch T1A erst von einem This delay arises because the primary current through T1 A is only from one
Freilaufzustand in einen Zustand übergehen muss, in welchem der Ausgangsstrom an der Primärspule T 1A reflektiert wird. Zwar ist es gewünscht die gespeicherte magnetische Energie zu erhöhen, um einen langen Freilauf zu ermöglichen, in welchem die Free-running state must transition into a state in which the output current is reflected at the primary coil T 1 A. It is desirable to increase the stored magnetic energy in order to enable a long free run in which the
magnetische Energie abgebaut wird. Würde diese magnetische Energie erhöht, indem eine hohe Induktivität von T1A vorgesehen wird, würde dies zu hohen Schaltverlusten (duty loss) führen. Mittels, des ZVS Transformators kann die magnetische Energie erhöht werden, indem ein Strom vorgesehen ist, ohne die Induktivität von T1A zu erhöhen. magnetic energy is broken down. If this magnetic energy were increased by providing a high inductance of T 1A , this would result in high switching losses (duty loss) lead. Using the ZVS transformer, the magnetic energy can be increased by providing a current without increasing the inductance of T 1A .
In anderen Worten kann durch das Vorsehen von dem ZVS Transformator Tzvs eine hohe magnetische Energie im System gespeichert werden, jedoch bei einer geringen In other words, by providing the ZVS transformer T zvs, a high magnetic energy can be stored in the system, but at a low level
Streuinduktivität von T1A und somit können die Schaltverluste (duty loss) reduziert werden. Das Speichern einer hohen magnetischen Energie ist nötig, um ZVS Bedingungen für den Übergang der Schalter A, B des nacheiienden Zweiges 107 herzustellen, insbesondere, wenn die Schalter A, B als MOSFETs realisiert sind. Dabei wird der ZVS Transformator Tzvs so dimensioniert, dass gerade die magnetische Energie gespeichert wird, welche den ZVS Übergang des nacheilenden Zweiges 107 ermöglicht. Das Speichern einer höheren magnetischen Energie bringt im Wesentlichen keine Verbesserung des Schaltverhaltens. Stray inductance of T 1A and thus the switching losses (duty loss) can be reduced. The storage of high magnetic energy is necessary in order to establish ZVS conditions for the transition of the switches A, B of the downstream branch 107, in particular if the switches A, B are implemented as MOSFETs. The ZVS transformer T zvs is dimensioned in such a way that the magnetic energy that enables the ZVS transition of the trailing branch 107 is stored. Storing a higher magnetic energy essentially does not improve the switching behavior.
Da der ZVS Transformator auch eine Streuinduktivität aufweist, speichert der ZVS Transformator die magnetische Energie in seiner Streuinduktivität. Diese magnetische Energie ist proportional zu dem Spitzenstrom (peak current), welcher durch den ZVS Transformator Tzvs fließt. Dieser Spitzenstrom wiederum ist proportional zu dem Since the ZVS transformer also has a leakage inductance, the ZVS transformer stores the magnetic energy in its leakage inductance. This magnetic energy is proportional to the peak current which flows through the ZVS transformer T zvs . This peak current in turn is proportional to that
Zeitintervall der Freilaufphase, während welchem die Schalter SR1 und SR2 gleichzeitig angeschaitet sind. Die Streuinduktivität des ZVS wird beim Design der Schaltung so festgelegt, dass sie ausreichend Energie für das Herbeiführen von ZVS Bedingungen aufnehmen kann, und kann danach nur schwer geändert werden, Somit wird der Strom, der benötigt wird, um ZVS Bedingungen zu schaffen durch die Zeitdauer gesteuert, während welcher die Schalter SR1 und SR2 während der Freilaufphase gleichzeitig eingeschaltet sind. Time interval of the freewheeling phase during which the switches SR1 and SR2 are switched on simultaneously. The leakage inductance of the ZVS is determined in the design of the circuit so that it can take up enough energy to bring about ZVS conditions, and is difficult to change thereafter. Thus, the current required to create ZVS conditions is determined by the length of time controlled during which the switches SR1 and SR2 are switched on simultaneously during the freewheeling phase.
Die Zeit, die für den Übergang zwischen den beiden Freilaufzuständen in den The time required for the transition between the two freewheeling states in the
Freilaufphasen II und IV benötigt wird, kann als ein Schaltverlust (duty loss) angesehen werden, der wie folgt quantifiziert werden kann: Freewheeling phases II and IV is required can be regarded as a duty loss, which can be quantified as follows:
Hierbei ist DI der Stromunterschied zwischen dem Strom durch T1A nach der Here DI is the current difference between the current through T1 A after the
Übergangsphase 404a, 404b Turn-off B/Turn-on A” d.h. nach der Phase 404a, 404b des Übergangs des nachlaufenden Zweigs 107 (iagging leg transition) wie in 4. beschrieben und dem Strom durch die Primärspule T1A nach der Phase, wenn die vom Ausgangsstrom erzeugte Primärspannung an der Sekundärspule T1 B erscheint d.h. dem Zeitpunkt, dass der Ausgangsstrom an T1A reflektiert wird (reflected output current). Transition phase 404a, 404b turn-off B / turn-on A ”, ie after phase 404a, 404b of the transition of the trailing branch 107 (iagging leg transition) as described in FIG. 4 and the current through the primary coil T1 A after the phase, if the primary voltage generated by the output current at the secondary coil T1 B appears at the time that the output current is reflected at T1 A (reflected output current).
DD ist ein Zeitwert, der einer Region entlang einer Zeitachse entspricht und f ist die Frequenz der PWM. DD Ist die Zeitdauer, die benötigt wird, bis sich der Strom ändert. Diese Zeitdauer DD sollte möglichst kurz sein, um eine gute Ausgangsspannungsfähigkeit zu erzielen. DD is a time value that corresponds to a region along a time axis and f is the frequency of the PWM. DD Is the amount of time it takes for the current to change. This time duration DD should be as short as possible in order to achieve good output voltage capability.
Das Zeitintervali DD erhöht sich mit zunehmender Last and Ausgang 110, da sich der Stromunterschied DI erhöht. Diese Erhöhung der Schaltverluste DD kann nur in einem begrenzten Bereich stattfinden, da sie ab einem bestimmten Wert so schwerwiegend sind, dass der Ausgang 1 10 nicht mehr in der Lage ist die geforderte Ausgangsspannung Vout bereitzustellen, beispielsweise zum Laden einer 12V Batterie. The time interval DD increases with increasing load at output 110, since the current difference DI increases. This increase in switching losses DD can only take place in a limited range, since from a certain value they are so severe that output 110 is no longer able to provide the required output voltage Vout, for example for charging a 12V battery.
Zwar kann in einer Standard- PSFB ohne Tzvs die ZVS Region, also der Bereich von Eingangsspannungen vin, in welchem ZVS möglich ist, erhöht werden, indem die In a standard PSFB without T zvs, the ZVS region, ie the range of input voltages v in , in which ZVS is possible can be increased by the
Induktivität der Primärspule T1A erhöht wird, dann erhöhen sich jedoch die Inductance of the primary coil T1 A is increased, but then the increase
Einschaltverluste (duty cycle losses), da immer länger gewartet werden muss, bis die hohe gespeicherte magnetische Energie die parasitären Spannungen der Schalter A, B,Duty cycle losses, since it is necessary to wait longer and longer until the high stored magnetic energy eliminates the parasitic voltages of switches A, B,
C, D abgebaut hat, um ein Schalten unter ZVS Bedingungen zu ermöglichen. Wenn höhere Spannungen vin an den Schaltern A, B, C, D anliegen, werden nämlich auch höhere parasitäre Spannungen in den Schaltern gespeichert. Es ist jedoch gewünscht, die Brückenschaltung 101 mit einer möglichst hohen PWM Schaltfrequenz f und somit mit einem möglichst geringem DD zu betreiben. C, D has broken down to enable switching under ZVS conditions. If higher voltages v in are present at switches A, B, C, D, namely higher parasitic voltages are also stored in the switches. However, it is desirable to operate the bridge circuit 101 with the highest possible PWM switching frequency f and thus with the lowest possible DD.
Durch das Vorsehen von Tzvs kann die ZVS Region, also der Bereich von By providing T zvs , the ZVS region, i.e. the area of
Eingangsspannungen Vin, bei denen die DC-DC-Wandlerschaltung 100 noch effizient betrieben werden kann, erhöht werden, indem der Strom lT1A, der während der Freilaufphase II durch T1A fließt, erhöht wird, während gleichzeitig die Streuinduktivität Likdes Transformators T1 geringgehalten wird. Dabei wird zwar auch Dl erhöht, wodurch sich Einschaltverluste erhöhen, allerdings kann gleichzeitig auch mehr magnetische Energie gespeichert werden. Wird der Strom erhöht, kann zwar mehr magnetische Energie gespeichert werden, allerdings erhöhen sich auch Leistungsverluste und/oder Leitungsverlust (RMS (Root Mean Square) Verluste). Ein weiches Schalten oder ein ZVS Schalten erniedrigt jedoch die Leitungsverluste Input voltages V in , at which the DC-DC converter circuit 100 can still be operated efficiently, are increased by the current I T1A , which during the Free-running phase II flowing through T1 A is increased, while at the same time the leakage inductance L ik of the transformer T1 is kept low. Although Dl is also increased, which increases switch-on losses, more magnetic energy can also be stored at the same time. If the current is increased, more magnetic energy can be stored, but power losses and / or line losses (RMS (Root Mean Square) losses) also increase. Soft switching or ZVS switching, however, reduces the line losses
In der Schaltung von Fig. 1 ist die Primärseite des DC-DC-Wandlers als Phase-Shifted Full Bridge (PSFB) mit einem zusätzlichen kleinen Transformator Tzvs konfiguriert, um das Nullspannungsschalten (ZVS) der primärseitigen Schalter A und B des nacheilenden Zweiges 107 zu unterstützen. Mittels des Vorsehens des Transformator Tzvs kann durch das Einprägen eines Stromes die gespeicherte magnetische Energie erhöht werden, insbesondere kann der Strom zum Neutralisieren von parasitären Ladungen auf den Schaltern A, B, C, D und insbesondere auf den Schaltern A, B des nacheilenden Zweiges 107. Dieses Neutralisieren kann dabei sehr schnell erfolgen, so dass der DC-DC-Wandler 100 mit einer hohen Schaltfrequenz f arbeiten kann. In the circuit of FIG. 1, the primary side of the DC-DC converter is configured as a phase-shifted full bridge (PSFB) with an additional small transformer T zvs to switch the zero-voltage switching (ZVS) of the primary-side switches A and B of the lagging branch 107 to support. By means of the provision of the transformer T zvs , the stored magnetic energy can be increased by impressing a current, in particular the current for neutralizing parasitic charges on the switches A, B, C, D and in particular on the switches A, B of the lagging branch 107. This neutralization can take place very quickly, so that the DC-DC converter 100 can work with a high switching frequency f.
Für die primärseitigen Schalter C und D des vorauseilenden Zweiges 108 (leading leg) kann bei einer PSFB im Wesentlichen immer, also unabhängig davon, ob der ZVS Transformator Tzvs vorhanden ist oder nicht, ein weiches Schalten oder ein ZVS Schalten realisiert werden. For the primary-side switches C and D of the leading branch 108 (leading leg), a soft switching or a ZVS switching can essentially always be implemented in a PSFB, that is to say regardless of whether the ZVS transformer T zvs is present or not.
Die Eingangsgleichspannung Vin entspricht der Spannung der HV Batterie. Die Spannung Vin, kann in einem Bereich von 240V bis 470V liegen oder bei 400V bis 800V für The DC input voltage V in corresponds to the voltage of the HV battery. The voltage V in can range from 240V to 470V or 400V to 800V for
Anwendungen mit stärkeren HV Batterien, wie sie beispielsweise bei elektrischen Bussen oder Hochleistungs-Elektroautos zum Einsatz kommen. Die Schwankung der Applications with stronger HV batteries, such as those used in electric buses or high-performance electric cars. The fluctuation of the
Eingangsspannung Vin kann vom Ladezustand der HV Batterie abhängen. Das Input voltage V in can depend on the state of charge of the HV battery. The
Tastverhältnis (duty cycle ratio) der eingesetzten PWM ist abhängig von der anliegenden Eingangsspannung Vin. Jedoch kann es nötig sein, andere Typen von Duty cycle ratio of the PWM used depends on the input voltage Vin present. However, other types of
Schalteinrichtungen A, B, C, D und andere Transformatoren T1 , Tzvs vorzusehen, wenn unterschiedliche Spannungsbereiche versorgt werden sollen, beispielsweise 240V bis 470V liegen oder bei 400V bis 800V. An den Primärschaltern A, B, C, D liegen die gleichen Spannungen wie an den Punkten 105, 106 an. Da wegen der Änderung des Ladungszustands der HV Batterie Vin in einem weiten Bereich schwanken kann, beispielsweise im Bereich von 240V bis 470V, ist im DC- DC-Wandler ein Regelkreis vorgesehen (nicht gezeigt in Fig. 1), der das Tastverhältnis (duty ratio) des Ansteuersignals der Schalter A, B, C, D verändert, um die To provide switching devices A, B, C, D and other transformers T1, T zvs if different voltage ranges are to be supplied, for example 240V to 470V or 400V to 800V. The same voltages are present at the primary switches A, B, C, D as at points 105, 106. As may fluctuate due to the change of the state of charge of the HV battery V in in a wide range, for example, in the range of 240V to 470V, the DC-DC converter is a control circuit is provided (not shown in Fig. 1), the duty, the duty ratio ( ratio) of the control signal of the switches A, B, C, D changed to
Ausgangsspannung Vout auf einem konstanten Wert zu halten, beispielsweise Vout =Keep output voltage Vout at a constant value, for example Vout =
14,5V oder Vout = 12V. Fällt jedoch beispielsweise die Eingangsspannung von 470V auf 240V ab muss das Tastverhältnis und/oder die Frequenz der Schalter A, B, C, D erhöht werden, um eine stabile und/oder konstante Ausgangsspannung Vout sicherzustellen.14.5V or Vout = 12V. However, if, for example, the input voltage drops from 470V to 240V, the pulse duty factor and / or the frequency of the switches A, B, C, D must be increased in order to ensure a stable and / or constant output voltage Vout.
Das Tastverhältnis bestimmt sich aus dem Quotienten der Dauer der Energiezufuhrphase l und der Summe aus der Dauer der Energiezufuhrphase I und der Dauer der The pulse duty factor is determined from the quotient of the duration of the energy supply phase I and the sum of the duration of the energy supply phase I and the duration of the
Freilaufphase II Die Free running phase II
Frequenz für die Ansteuersignale für A, B, C, D, SR1 , SR2 bleibt konstant und wird nicht variiert. Frequency for the control signals for A, B, C, D, SR1, SR2 remains constant and is not varied.
Da die Energieübertragung und/oder Leistungsübertragung über den Haupttransformators T1 von der Primärspannung abhängt, könnte wegen der reduzierten Primärspannung nur eine geringe Leistung und/oder Energie über den Haupttransformator T 1 übertragen werden und die Leistung, die mit der Spannung Vout bereitgestellt werden kann, wäre reduziert. Since the energy transmission and / or power transmission via the main transformer T1 depends on the primary voltage, only a small amount of power and / or energy could be transmitted via the main transformer T1 due to the reduced primary voltage and the power that can be provided with the voltage Vout would be reduced.
In anderen Worten ist in dem Verbindungskreis zwischen 105 und 106 eine hohe In other words, there is a high in the connection circuit between 105 and 106
Induktivität erwünscht, um bei einer hohen Eingangsspannung vin eine hohe magnetische Energie zum Entladen der Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 bereitzustellen und um dadurch ZVS Schalten zu ermöglichen. Würde die durch die Induktivität der Primärspule T1A bereitgestellte Induktivität jedoch durch eine Serien Schaltung einer zusätzlichen Induktivität T3B immer weiter erhöht, würde die die Leistungsfähigkeit der Ausgangsspannung Vout oder die Ausgangsleistung immer weiter reduziert, da das Entladen der Schalter A, B des nacheilenden Zweiges 107 insbesondere bei hohen Spannungen vin entweder nicht schnell genug oder nicht vollständig erfolgen könnte. Somit könnte der DC-DC-Wandler nur in sehr geringen Spannungsbereichen betrieben werden. Während die Primärseite des Haupttransformators T1 im Wesentlichen an der Inductance is desirable in order to provide high magnetic energy at a high input voltage v in for discharging the switches A, B of the lagging branch 107 and thereby to enable ZVS switching. However, if the inductance provided by the inductance of the primary coil T1 A was increased further and further by series connection of an additional inductance T3 B , the performance of the output voltage Vout or the output power would be reduced further and further, since the discharging of the switches A, B of the lagging branch 107 especially at high voltages v in either could not be done quickly enough or not completely. This means that the DC-DC converter could only be operated in very low voltage ranges. While the primary side of the main transformer T1 is essentially on the
Hochspannung Vin von 240V - 470V anliegt, liegt an der Sekundärseite T1B des High voltage V in of 240V - 470V is present on the secondary side T1 B of the
Haupttransformators T1 eine Gleichspannung von 14,5V bzw. eine Spannung aus dem Bereich von etwa 12 V bis 15V an, die als Ausgangsspannung Vout beispielsweise einem Radio oder anderen Verbraucher des Bordnetzes bereitgestellt wird. Main transformer T1 a DC voltage of 14.5V or a voltage from the range of about 12 V to 15V, which is provided as output voltage V out, for example, a radio or other consumer of the vehicle electrical system.
Das Vorsehen des Zusatz-Transformators Tzvs kompensiert den Verlust der The provision of the additional transformer T zvs compensates for the loss of
Ausgangsleistung indem die Spannung erhöht wird, die an der Primärspule T1A des Haupttransformators T1 anliegt. Da die Primärspule T1A des Haupttransformators T 1 mit der Sekundärspule T3B des ZVS Transformators in Serie geschaltet ist erhöht sich die Leistungsfähigkeit der Ausgangsspannung (output voltage capability). Um diesen Einfluss zu kompensieren ist die Primärspule T3A vorgesehen, welche zwischen dem Schaltknoten 105 und dem festen Potenzial 1 11 angeschlossen ist Eine Spannung, die an der Primärspule T3A angelegt wird, generiert eine Spannung an der Sekundärspule T3B. Diese Spannung an der Sekundärspule T3B erhöht die Spannung an der Primärspule T1A und sorgt für eine gute Ausgangsspannungs-Leistungsfähigkeit. Output power by increasing the voltage applied to the primary coil T1 A of the main transformer T1. Since the primary coil T1 A of the main transformer T 1 is connected in series with the secondary coil T3 B of the ZVS transformer, the performance of the output voltage (output voltage capability) increases. In order to compensate for this influence, the primary coil T3 A is provided, which is connected between the switching node 105 and the fixed potential 11. A voltage which is applied to the primary coil T3 A generates a voltage at the secondary coil T3 B. This voltage on the secondary coil T3 B increases the voltage on the primary coil T1 A and ensures good output voltage performance.
Auf diese Weise kann der einstufige DC-DC-Wandler mit einem großen In this way, the single-stage DC-DC converter with a large
Eingangsspannungsbereich betrieben werden und trotzdem ZVS für alle primärseitigen MOSFETs A, B, C, D gewährleistet werden. Ein einstufiger DC-DC-Wandler ist ein DC- DC-Wandler, der nur ein einziges Mal ein erstes Spannungsniveau in ein zweites Spannungsniveau umsetzt ohne weitere Zwischenspannungslevels zu erzeugen, Input voltage range are operated and ZVS are still guaranteed for all primary-side MOSFETs A, B, C, D. A single-stage DC-DC converter is a DC-DC converter that converts a first voltage level into a second voltage level only once without generating further intermediate voltage levels,
Eine Seite oder ein Anschluss der Primärspule T3A des Zusatztransformators Tzvs ist mit dem ersten Brückenanschluss 105 und mit einer Seite der Zusatz-Spule T3B oder der Sekundärspule T3B des Zusatztransformators Tzvs verbunden. Die andere Seite oder der andere Anschluss der Primärspule T3A des Zusatztransformators Tzvs ist mit einem dritten Brückenzweig 109 verbunden, der als eine Serienschaltung zweier Kondensatoren C1 und C2 gebildet wird. Diese andere Seite der Primärspule T3A des Zusatztransformators Tzvs ist zwischen den ersten Kondensator C1 und den zweiten Kondensator C2 geschaltet. Der dritte Brückenzweig 109 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 102 und dem zweiten Eingangsanschluss 103 verbunden und ist parallel zu dem ersten 107 und zweiten 108 Brückenzweig geschaltet. Der dritte Brückenzweig 109 sorgt dafür, dass ein Anschluss der Spule T3A auf einem festen oder konstanten Potenzial gehalten wird. Eine Spannungsänderung der Primärspule T3A des ZVS Transformators, die einen Strom in die Sekundärspule T3B einprägt, hängt damit von einer Potenzialänderung der Brückenpunkte 105 und 106 ab. Somit wirkt sich auch der durch das Schalten der synchronen One side or a connection of the primary coil T3 A of the additional transformer T zvs is connected to the first bridge connection 105 and to one side of the additional coil T3 B or the secondary coil T3 B of the additional transformer T zvs . The other side or the other connection of the primary coil T3 A of the additional transformer T zvs is connected to a third bridge branch 109, which is formed as a series connection of two capacitors C1 and C2. This other side of the primary coil T3 A of the additional transformer T zvs is connected between the first capacitor C1 and the second capacitor C2. The third bridge branch 109 is connected to the first input connection 102 and connected to the second input connection 103 and is connected in parallel to the first 107 and second 108 bridge branch. The third bridge arm 109 ensures that a connection of the coil T3 A is kept at a fixed or constant potential. A change in the voltage of the primary coil T3 A of the ZVS transformer, which impresses a current into the secondary coil T3 B , thus depends on a change in the potential of the bridge points 105 and 106. This also affects the by switching the synchronous
Gleichrichter SR1 , SR2 in die Primärspule T1A reflektierte Impuls auf den Rectifiers SR1, SR2 in the primary coil T1 A reflected pulse on the
Zusatztransformator Tzvs aus. Additional transformer T zvs off.
Ausgangsseitig ist parallel zu der Sekundärspule T1B des Haupttransformators T1 die Serienschaltung von einem ersten synchronen Gleichrichter (Synchronous Rectifier, SR) SR1 und einem zweiten synchronen Gleichrichter (Synchronous Rectifier, SR) SR2 geschaltet. Diese sind über eine erste Ausgangsspuie L1 und eine zweite Ausgangsspule L2 sowie einen Ausgangskondensator C0 mit dem Ausgang 110 des DC-DC-Wandiers 100 verbunden, über den die Ausgangsspannung Vout bereitgestellt wird. Der synchrone Gleichrichter SR1 , SR2 wird so betrieben, dass jeweils die positive bzw. negative Halbwelle, die in der Sekundärspule T1 B induziert wird mit der gleichen Polung an den Glättkondensator Co weitergegeben wird, so dass eine Ausgangs-Gleichspannung Vout generiert wird. On the output side, the series connection of a first synchronous rectifier (Synchronous Rectifier, SR) SR1 and a second synchronous rectifier (Synchronous Rectifier, SR) SR2 is connected in parallel to the secondary coil T1 B of the main transformer T1. These are connected via a first output coil L1 and a second output coil L2 and an output capacitor C0 to the output 110 of the DC-DC converter 100, via which the output voltage V out is provided. The synchronous rectifier SR1, SR2 is operated in such a way that the positive or negative half-wave which is induced in the secondary coil T1 B is passed on to the smoothing capacitor Co with the same polarity, so that an output DC voltage V out is generated.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines DC-DC -Wandlers 200 mit einem Brückenschaltkreis 101 und zweier Haupttransformatoren T1, T2 gemäß einem exemplarischen 2 shows a block diagram of a DC-DC converter 200 with a bridge circuit 101 and two main transformers T1, T2 according to an example
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Konfiguration wird der Strom auf der Sekundärseite des Haupttransformators 1 auf vier Spulen L1 , L2, L3, L4 und vier synchrone Gleichrichter SR1 , SR2, SR 1', SR2’ aufgeteilt, wodurch sich die Effizienz der Schaltung und die Behandlung des Stroms vereinfachen lässt. Ausserdem ist der Haupttransformator T1 aus Fig. 1 in die zwei Haupttransformatoren T1 , T2 aufgeteilt. Die Primärspule T1A des ersten Haupttransformators ist mit den Sekundärspulen T1B und T1C des ersten Haupttransformators gekoppelt. Die Primärspule T2A des ersten Embodiment of the present invention. In this configuration, the current on the secondary side of the main transformer 1 is divided into four coils L1, L2, L3, L4 and four synchronous rectifiers SR1, SR2, SR 1 ', SR2', which simplifies the efficiency of the circuit and the treatment of the current leaves. In addition, the main transformer T1 from FIG. 1 is divided into the two main transformers T1, T2. The primary coil T1 A of the first main transformer is coupled to the secondary coils T1 B and T1 C of the first main transformer. The primary coil T2 A of the first
Haupttransformators ist mit den Sekundärspulen T2B und T2c des ersten Main transformer is with the secondary coils T2B and T2c of the first
Haupttransformators gekoppelt. Die Ausgangsschaltungen 112a, 112b entsprechen im Wesentlichen der Ausgangsschaltung 112 aus Fig. 1. Allerding ist in jeder der Main transformer coupled. The output circuits 112a, 112b essentially correspond to the output circuit 112 from FIG. 1. However, in each of them
Ausgangsschaltungen 112a, 112b eine Sekundärseite der beiden Transformatoren T1 , T2 genutzt. Hierbei werden die synchronen Gleichrichter SR1 und SR1' gleichartig betrieben und die synchronen Gleichrichter SR2, SR2‘ werden gleichartig betrieben. Output circuits 112a, 112b a secondary side of the two transformers T1, T2 utilized. Here, the synchronous rectifiers SR1 and SR1 'are operated in the same way and the synchronous rectifiers SR2, SR2' are operated in the same way.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines DC-DC -Wandlers mit einem Brückenschaltkreis und einem Haupttransformator mit Mittenabgriff gemäß einem exemplarischen 3 shows a block diagram of a DC-DC converter with a bridge circuit and a main transformer with center tap according to an exemplary embodiment
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Schaltungsvariante ist nur eine Ausgangsspule L1 vorgesehen. Embodiment of the present invention. In this circuit variant, only one output coil L1 is provided.
Die in den Figuren Fig. 1 - 3 dargestellten Wandlerschaltungen können sowohl als Stromverdoppler als auch als Mittenabgriff-Konfiguration auf der Sekundärseite verwendet werden. Der Mittenabgriff 301 ist auf der Sekundärseite des Haupttransformators T1” angeordnet und mit den beiden Teil-Sekundärspulen T1 B“ und T1C“ und der Spule L1 verbunden. Die beiden Teil-Sekundärspulen T1 B“ und T1C" sind auch mit den The converter circuits shown in FIGS. 1-3 can be used both as a current doubler and as a center tap configuration on the secondary side. The center tap 301 is arranged on the secondary side of the main transformer T1 ”and connected to the two sub-secondary coils T1 B “ and T1 C “and the coil L1. The two sub-secondary coils T1 B "and T1 C " are also with the
Gleichrichtern SR1“ und SR2“ verbunden. Zwischen den Gleichrichtern SR1“ und SR2“ befindet sich ein Masseanschluss, der auch mit einem der Ausgangsanschlüsse verbunden ist. Parallel zum Ausgang ist der Kondensator C0 angeschlossen. Rectifiers SR1 "and SR2" connected. There is a ground connection between the rectifiers SR1 "and SR2", which is also connected to one of the output connections. The capacitor C0 is connected in parallel to the output.
Das Schaltverhalten mit und ohne ZVS Transformator ist in den Figs. 5a, 5b vergrößert dargestellt. Die Spannungsverläufe VdsA über den High-Side-Schalter A des The switching behavior with and without ZVS transformer is shown in Figs. 5a, 5b shown enlarged. The voltage curves Vds A via the high-side switch A of the
nacheilenden Zweiges (lagging leg) A/B ist für einen Fall aufgenommen, bei dem an dem Ausgang 110 keine Last anliegt, also für den lastfreien Fall oder den Leerlauf. Um einen Zusatzstrom in die Sekundärspule T3B einzuprägen, werden die synchronen Gleichrichter SR1 und SR2 während der Freilaufphase IIB der Low-Side-Schalter B, D gleichzeitig eingeschaltet, um einen kurzen Impuls über der Sekundärspule T1 B durch den lagging leg A / B is included for a case in which there is no load at the output 110, that is to say for the no-load case or idling. In order to impress an additional current into the secondary coil T3 B , the synchronous rectifiers SR1 and SR2 are switched on simultaneously during the freewheeling phase II B of the low-side switches B, D in order to provide a short pulse across the secondary coil T1 B through the
Spannungsabfall auf 0V Ausgangsspannung zu erzeugen, der sich auf die Primärspule T1A überträgt. Die Kurve VdsA aus Fig. 5b entspricht dem Fall, bei dem der To generate voltage drop to 0V output voltage, which is transferred to the primary coil T1 A. The curve Vds A from Fig. 5b corresponds to the case in which the
Zusatztransformator Tzvs in Serie zu dem Haupttransformator T1 vorhanden ist, wie in Fig. 1 dargestellt. Additional transformer T zvs in series with the main transformer T1 is present, as shown in Fig. 1.
ln der Phase III ist der Schalter A geschlossen und Schalter B offen. Es ist zu erkennen, dass während der Schaltphase 404a, 404b die Anfangsspannung von etwa Vin = 400V über A und B für den Fall, dass Tzvs genutzt wird, bereits vor der Schaltphase 404b auf 0V abgefallen ist, wie an Stelle 407b angedeutet, wohingegen die Spannung Vin=400V für den Fall, dass Tzvs nicht genutzt wird, am Ende der Schaltphase 404a immer noch eine Spannung aufweist, wie an Stelle 407a angedeutet. Somit ist bei Nutzung des ZVS Transformators Tzvs ein ZVS Schalten auch in dem lastfreien Fall möglich. Denn gemäß Fig. 1 ist der Zusatztransformator Tzvs in Reihe mit dem Haupttransformator T1 geschaltet und hilft einen Strom in die Spule T3B des Zusatztransformators einzuprägen. Unabhängig von der Last am Ausgang 110a, 110b kann ZVS Schalten des High-Schalters A 104a erreicht werden. Denn wenn am Ausgang keine Last anliegt, ist der Ausgangsstrom 0A und die Ausgangslast Rload unbestimmt. Die Ausgangsspannung Vout wird unabhängig von der Last auf konstante 14,5 V geregelt, beispielsweise indem die Frequenz und/oder das Tastverhäitnis der PWM Schalter A, B, C, D verändert wird. In phase III, switch A is closed and switch B is open. It can be seen that during the switching phase 404a, 404b the initial voltage of approximately V in = 400V across A and B for the case that T zvs is used, already before the switching phase 404b 0V has dropped, as indicated at position 407b, whereas the voltage V in = 400V, in the event that T zvs is not used, still has a voltage at the end of the switching phase 404a, as indicated at position 407a. Thus, when using the ZVS transformer T zvs , ZVS switching is also possible in the no-load situation . 1, the additional transformer T zvs is connected in series with the main transformer T1 and helps to impress a current into the coil T3 B of the additional transformer. Regardless of the load at output 110a, 110b, ZVS switching of high switch A 104a can be achieved. Because if there is no load at the output, the output current is 0A and the output load R load is undetermined. The output voltage V out is regulated to a constant 14.5 V independently of the load, for example by changing the frequency and / or the duty cycle of the PWM switches A, B, C, D.
An die Energiezufuhrphase III schließt sich eine weitere Freilaufphase IV an, nämlich die Freilaufphase der High-Side-Schalter A 104a und C 104c. In dieser wird ein Freilauf- Schaltkreis aus Schalter A 104a, C 104c, Zusatzspule T3B und Primärspule T1A gebildet. The energy supply phase III is followed by another free-running phase IV, namely the free-running phase of the high-side switches A 104a and C 104c. In this a free-wheeling circuit is formed from switch A 104a, C 104c, additional coil T3 B and primary coil T1 A.
Mit der phasenverschoben geschalteten Vollbrückentopologie (PSFB) mit einer zusätzlichen Induktivität T3B, die mit dem Transformator T 1 in Reihe geschaltet ist lässt sich somit ein ZVS Schalten oder ein weiches Schalten erreichen, wenn die zusätzliche Induktivität T3B Teil eines Transformators Tzvs ist. Der zusätzliche Transformator Tzvs hat einen geringen Koppelfaktor zwischen der Primärspule T3A und der Sekundärspule T3B- Die geringe Kopplung wird beispielsweise durch einen magnetischen Kern mit einem Schlitz erreicht. In dem Zusatztransformator Tzvs kann Energie zwischengespeichert werden, die für ZVS genutzt werden kann. Durch die geringe Kopplung des ZVS With the phase-shifted full-bridge topology (PSFB) with an additional inductance T3 B , which is connected in series with the transformer T 1, ZVS switching or soft switching can be achieved if the additional inductance T3 B is part of a transformer T zvs . The additional transformer T zvs has a low coupling factor between the primary coil T3 A and the secondary coil T3 B - the low coupling is achieved, for example, by a magnetic core with a slot. Energy that can be used for ZVS can be temporarily stored in the additional transformer T zvs . Due to the low coupling of the ZVS
Transformators Tzvs bleibt eine Streuinduktivität (leakage inductance) in Tzvs erhalten, denn der Teil des magnetischen Flusses, der nicht in die Sekundärspule koppelt macht sich als Streuinduktivität bemerkbar. Diese zusätzliche Streu Induktivität kann als eine weitere Induktivität betrachtet werden, welche in Serie zu T3B liegt, auch wenn die Streuinduktivität kein greifbares Bauteil ist. Über den Koppelfaktor kann auch die Größe der Streuinduktivität beeinflusst werden. Auch die Streuinduktivität kann magnetische Energie speichern, die dann wieder in einen elektrischen Stromfluss umgesetzt werden kann, um ZVS zu unterstützen, indem der Brückenpunkt 105 entladen wird. Wenn eine Konfiguration mit lediglich einer zusätzlichen Spule T3B ohne Primärspuie T3A oder weiterer Spule T3A eingesetzt wird, also kein vollständiger Transformator Tzvs sondern lediglich eine Spule in Reihe mit dem Haupttransformator geschaltet wird, reduziert sich die Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers., da während dem Schalten über der Spule T3B eine Spannung abfällt, die dann die Spannung an der Primärspuie T1 A des Haupttransformators reduziert. Wie in Figs. 4a und 5a in der Phase 404a dargestellt ist, lässt sich mit solch einer Konfiguration mit lediglich einer zusätzlichen Spule T3B auch bei einer geringen Last kein echtes ZVS des High-Side-Schalters A erreichen, da der Strom durch die Zusatzspule T3B zu gering ist. Die Spule T3B ohne T3A kann lediglich genutzt werden, um ZVS Schalten des Low-Side-Schalters B zu erreichen. Transformer T zvs maintains a leakage inductance in T zvs , because the part of the magnetic flux that does not couple into the secondary coil becomes noticeable as leakage inductance. This additional leakage inductance can be regarded as a further inductance, which is in series with T3 B , even if the leakage inductance is not a tangible component. The size of the leakage inductance can also be influenced via the coupling factor. The leakage inductance can also store magnetic energy, which can then be converted back into an electrical current flow in order to support ZVS by discharging the bridge point 105. If a configuration with only one additional coil T3 B without primary coil T3 A or another coil T3 A is used, i.e. no complete transformer T zvs but only one coil is connected in series with the main transformer, the output power of the DC-DC converter is reduced ., because a voltage drops across the coil T3 B , which then reduces the voltage across the primary coil T1 A of the main transformer. As shown in Figs. 4a and 5a is shown in phase 404a, with such a configuration with only one additional coil T3 B , no real ZVS of the high-side switch A can be achieved even with a low load, since the current through the additional coil T3 B is too low is. The coil T3 B without T3 A can only be used to achieve ZVS switching of the low-side switch B.
Wird jedoch ein vollständiger ZVS Transformator Tzvs gemäß Fig. 1 genutzt, kann durch das Schalten der synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 ein zusätzlicher Strom in die Spule T3B eingeprägt werden und somit der Effekt der in der Streuinduktivität des However, if a complete ZVS transformer T zvs according to FIG. 1 is used, an additional current can be impressed into the coil T3 B by switching the synchronous rectifiers SR1, SR2 and thus the effect of the leakage inductance of the
Transformators Tzvs magnetischen Energie genutzt werden. Hierbei kann die Energie über den Strom gesteuert werden, der durch die Zeitdauer bestimmt wird, Transformer T zvs magnetic energy can be used. Here the energy controlled by the current determined by the length of time
während der SR1 und SR2 gleichzeitig aktiviert sind. Der ZVS Transformators Tzvs trägt somit durch das Aktivieren der Synchronen Gleichrichter SR1 , SR2 über eine vorgebbare Zeitdauer IIB dazu bei, den Primärstrom IT1A in so einem Masse zu erhöhen, wie er in der Freilaufphase II zum ZVS Schalten der Schalter des nacheilenden Zweiges 107 benötigt wird. while the SR1 and SR2 are activated at the same time. The ZVS transformer T zvs thus, by activating the synchronous rectifiers SR1, SR2 over a predeterminable period of time II B, contributes to increasing the primary current I T1A to such an extent as it does in the freewheeling phase II for the ZVS switching of the switches of the lagging branch 107 is required.
Durch den Einsatz eines zusätzlichen vollständigen Transformators Tzvs kann somit ein sehr effizienter und kostengünstiger einstufiger DC-DC-Wandler realisiert werden. By using an additional complete transformer T zvs , a very efficient and cost-effective single-stage DC-DC converter can be realized.
Darüber hinaus lässt sich in den Primärschaltern A, B, C, D ein ZVS-Schalten erreichen, unabhängig von der Last am Ausgang 110. Außerdem lässt sich damit eine hohe In addition, ZVS switching can be achieved in the primary switches A, B, C, D, regardless of the load at output 110
Ausgangsleistung am Ausgang 1 10 bereitstellen, was insbesondere für Anwendungen mit einem großen Eingangsspannungsbereich Vin von Bedeutung sein kann. Provide output power at output 1 10, which can be particularly important for applications with a large input voltage range Vin.
Es mag als eine Idee der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, die magnetische Energie zu erhöhen, die in dem Transformator Tzvs gespeichert wird, indem der It may be considered as an idea of the present invention to increase the magnetic energy that is stored in the transformer T zvs by the
Primärstrom ITIA erhöht wird, anstatt die Induktivität der Sekundärspule T3B ZU erhöhen, die zu einer Verminderung der Ausgangsleistung führen würde. Da die magnetische Energie in der Sekundärspule T3B nach Formel (3) beträgt, ist die Erhöhung Primary current ITIA is increased instead of increasing the inductance of the secondary coil T3 B ZU, which would lead to a reduction in output power. Since the magnetic energy in the secondary coil is T3 B according to formula (3), the increase is
des Primärstrom IT1A effizienter als die Erhöhung der Induktivität der Sekundärspule T3B. Da auch die Einschaltverluste (duty cycle loss) über das Verhältnis von der Induktivität of the primary current I T1A more efficiently than the increase in the inductance of the secondary coil T3 B. Since also the duty cycle loss on the ratio of the inductance
abhängen, hilft die Erhöhung des Stromes durch das Einprägen eines Zusatzstromes, das Verhältnis im Wesentlichen unverändert zu lassen, und die gespeicherte magnetische Energie zu erhöhen, ohne die Einschaitverluste zu erhöhen. depend, increasing the current by impressing an additional current helps to keep the ratio essentially unchanged and to increase the stored magnetic energy without increasing the loss of switching.
Jede zusätzlich in Reihe geschaltete Induktivität, die als reales Bauteil oder als Each additional series connected inductor, which as a real component or as
Streuinduktivität vorhanden ist, reduziert die Ausgangs-Leistungsfähigkeit (output capability) des Ausgangs 110 des DC-DC-Wandlers 100, beispielsweise in Bezug auf eine konstant bereitzustellende Ausgangsspannung vout in Abhängigkeit von einem weiten Bereich von angebotenen Eingangsspannungen Vin. Diese Minderung der Ausgangs- Leistungsfähigkeit kann sich negativ auswirken, wenn die Ausgangsspannung Vout des Wandlers 100 auf eine konstante Ausgangsspannung geregelt werden soll, If leakage inductance is present, the output capability of the output 110 of the DC-DC converter 100 is reduced, for example in relation to a constant output voltage v out to be provided as a function of a wide range of input voltages V in . This reduction in output performance can have a negative effect if the output voltage V out of converter 100 is to be regulated to a constant output voltage,
beispielsweise auf 14,5V, und die Eingangsspannung in einem weiten Bereich variiert, beispielsweise im Bereich von 240 V bis 470V, abhängig von dem Ladezustand einer HV- Batterie. Denn die In Reihe geschaltete Induktivität kann notwendig sein, um ein weiches Schalten unter ZVS-Bedingungen zu ermöglichen. Durch eine in Reihe geschaltete Induktivität würde die Ausgangs-Leistungsfähigkeit des Wandlers 100 degradiert, da es beispielsweise nicht mehr möglich ist, eine konstante Ausgangsspannung von 14,5V zu erzeugen, wenn die Eingangsspannung Vin an einer unteren Bereichsgrenze liegt, z.B. bei 240V eines Bereichs von 240V bis 470 V, und gleichzeitig ZVS Bedingungen eingehalten werden sollen. Denn eigentlich wäre es wünschenswert, ganz ohne Serien- induktivität T3B auszukommen. Aber dann wäre kein ZVS möglich und die Effizienz des Wandlers wäre gering. for example to 14.5V, and the input voltage varies within a wide range, for example in the range from 240 V to 470V, depending on the state of charge of an HV battery. This is because the inductance connected in series may be necessary to enable smooth switching under ZVS conditions. A series inductance would degrade the output performance of converter 100 because, for example, it is no longer possible to generate a constant output voltage of 14.5V when the input voltage Vin is at a lower range limit, e.g. at 240V in a range of 240V to 470 V, and at the same time ZVS conditions should be met. Because it would actually be desirable to get by without the T3 B series inductor. But then no ZVS would be possible and the efficiency of the converter would be low.
Da darüber hinaus keine großen Induktivitäten für T3B von Nöten sind, kann die Baugröße eines DC-DC-Wandlers geringgehalten werden, obwohl er mit einer hohen Schaltfrequenz f betrieben wird. Die hohen Schaltfrequenzen sind wegen der schnellen Entladung des Knotens 105 möglich und für die Schalter A, B, C, D gleich und werden durch die Dauern der Phasen I, II, lll, IV bestimmt.. Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend“ und„aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine“ oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als In addition, since no large inductances are required for T3 B , the size of a DC-DC converter can be kept small, even though it is operated at a high switching frequency f. The high switching frequencies are possible due to the rapid discharge of node 105 and are the same for switches A, B, C, D and are determined by the durations of phases I, II, III, IV. In addition, it should be pointed out that “comprising” and “having” do not exclude other elements or steps and “one” or “on” does not exclude a plurality. Furthermore, it should be pointed out that features or steps that are described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Reference signs in the claims are not as
Einschränkung anzusehen. View restriction.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Brückenschaltkreis (101) aufweisend: 1. Bridge circuit (101) comprising:
einen ersten (A) und einen zweiten (C) High-Side-Schalter; einen ersten (B) und einen zweiten (D) Low-Side-Schalter; einen Transformator (T1) mit einer Primärspule (T1A) und einer Sekundärspule (T1 B); a first (A) and a second (C) high-side switch; a first (B) and a second (D) low-side switch; a transformer (T1) with a primary coil (T1A) and a secondary coil (T1 B );
eine Spule (T3B); a coil (T3 B );
eine Stromeinprägeeinrichtung (T3A); a current injection device (T3 A );
wobei der erste High-Side-Schaiter (A) und der erste Low-Side-Schalter (B) an einem ersten Brückenanschluss (105) in einer Serienschaltung verbunden sind, um einen ersten Brückenzweig (107) zu bilden; wherein the first high-side switch (A) and the first low-side switch (B) are connected at a first bridge connection (105) in a series connection to form a first bridge branch (107);
wobei der zweite High- Side-Schalter (C) und der zweite Low-Side-Schalter (D) an einem zweiten Brückenanschluss (106) in einer Serienschaltung verbunden sind, um einen zweiten Brückenzweig (108) zu bilden; wherein the second high-side switch (C) and the second low-side switch (D) are connected at a second bridge connection (106) in a series connection to form a second bridge branch (108);
wobei der erste (107) und zweite (108) Brückenzweig an einem ersten (102) und einem zweiten (103) Eingangsanschluss in einer Parallelschaltung verbunden sind ; wherein the first (107) and second (108) bridge branches are connected to a first (102) and a second (103) input connection in a parallel connection;
wobei die Sekundärspule (T1B) einen ersten (110a) und einen zweiten (110b) Ausgangsanschluss aufweist; wherein the secondary coil (T1 B ) has a first (110a) and a second (110b) output connection;
wobei die Primärspule (T1 A) und die Spule (T3B) in einer Serienschaltung verbunden sind, um den ersten Brückenanschluss mit dem zweiten wherein the primary coil (T1 A ) and the coil (T3 B ) are connected in a series connection to the first bridge connection with the second
Brückenanschluss zu verbinden; To connect bridge connection;
wobei die Stromeinprägeeinrichtung (T3A) eingerichtet ist, in die Spule (T3B) einen vorbestimmten Strom zu einem vorbestimmten Zeitpunkt einzuprägen. wherein the current injection device (T3 A ) is set up to impress a predetermined current into the coil (T3 B ) at a predetermined time.
2. Brückenschaltkreis (101) nach Anspruch 1 , wobei die Stromeinprägeeinrichtung (T3A) eine weitere Spule (T3A) ist, welche in Kombination mit der Spule (T3B) einen zweiten Transformator (Tzvs) bildet. 2. Bridge circuit (101) according to claim 1, wherein the current injection device (T3 A ) is a further coil (T3 A ), which in combination with the coil (T3 B ) forms a second transformer (T zvs ).
3. Brückenschaltkreis (101) nach Anspruch 2, wobei eine Kopplung zwischen der weiteren Spule (T3A) und der Spule (T3B) geringer ist als die Kopplung zwischen der Primärspule (T1 A) und die Sekundärspule (T1B) des Transformators (T1). 3. bridge circuit (101) according to claim 2, wherein a coupling between the further coil (T3 A ) and the coil (T3 B ) is less than the coupling between the primary coil (T1 A ) and the secondary coil (T1 B ) of the transformer ( T1).
4. Brückenschaltkreis (101) nach Anspruch 2 oder 3, weiter aufweisend: 4. Bridge circuit (101) according to claim 2 or 3, further comprising:
eine High-Side-Kondensator (C1); a high-side capacitor (C1);
eine Low-Side-Kondensator (C2); a low side capacitor (C2);
wobei der High-Side-Kondensator (C1) und der Low-Side-Kondensator (C2) in einer Serienschaltung an einem dritten Brückenanschluss (1 1 1) verbunden sind, um einen dritten Brückenzweig (109) zu bilden; wherein the high-side capacitor (C1) and the low-side capacitor (C2) are connected in series connection at a third bridge connection (1 1 1) to form a third bridge branch (109);
wobei der dritte Brückenzweig (109) mit dem ersten (102) und zweiten (103) Eingangsanschiuss verbunden ist; wherein the third bridge branch (109) is connected to the first (102) and second (103) input connection;
wobei die weitere Spule (T3A) den dritten Brückenanschluss (1 1 1) mit zumindest einem von dem ersten Brückenanschluss (105) und dem zweiten Brückenanschluss (106) verbindet. wherein the further coil (T3 A ) connects the third bridge connection (1 1 1) with at least one of the first bridge connection (105) and the second bridge connection (106).
5. Brückenschaltkreis (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter aufweisend: 5. Bridge circuit (101) according to one of claims 1 to 4, further comprising:
einen synchronen Gleichrichter (SR1 , SR2); a synchronous rectifier (SR1, SR2);
wobei der synchrone Gleichrichter mit dem ersten (110a) und zweiten Ausgangsanschluss (110b) verbunden ist. wherein the synchronous rectifier is connected to the first (110a) and second output connection (110b).
6. Brückenschaltkreis (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter aufweisend: 6. Bridge circuit (101) according to one of claims 1 to 5, further comprising:
eine Steuereinrichtung, welche mit jedem der ersten und zweiten High- Schalter und Low-Schalter verbunden ist; a controller connected to each of the first and second high switches and low switches;
wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Schalter (A, B, C, D) so zu betreiben, dass zu dem vorbestimmten Zeitpunkt der vorbestimmte Strom von der Stromeinprägeeinrichtung (T3A) in die Spule (T3B) eingeprägt wird. the control device being set up to operate the switches (A, B, C, D) in such a way that the predetermined current is impressed into the coil (T3 B ) by the current impressing device (T3 A ) at the predetermined point in time.
7. Brückenschaltkreis (101) nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung weiter eingerichtet ist, die Schalter (A, B, C, D, SR1 , SR2) so zu betreiben, dass der vorbestimmte Strom in die Spule (T3B) eingeprägt wird, wenn zu dem 7. bridge circuit (101) according to claim 6, wherein the control device is further configured to operate the switches (A, B, C, D, SR1, SR2) so that the predetermined current is impressed in the coil (T3 B ), if to that
vorbestimmten Zeitpunkt der Strom durch die Spule unterhalb eines vorgebbaren Schwellwertes liegt. predetermined time the current through the coil is below a predetermined threshold.
8. Brückenschaltkreis (101) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuereinrichtung weiter eingerichtet ist, sekundärseitige Schalter (SR1 , SR2) so zu betreiben, dass der vorbestimmte Strom in die Spule (T3B) eingeprägt wird. 8. bridge circuit (101) according to claim 6 or 7, wherein the control device is further configured to operate secondary-side switches (SR1, SR2) so that the predetermined current is impressed in the coil (T3 B ).
9. DC/DC-Wandler (100, 200) mit dem Brückenschaltkreis (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 9. DC / DC converter (100, 200) with the bridge circuit (101) according to one of claims 1 to 8.
10. Verfahren zum Betreiben des Brückenschaltkreises nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das Verfahren aufweisend: 10. A method for operating the bridge circuit according to one of claims 1 to 8, the method comprising:
Betreiben der Schaiter des Brückenschaitkreises so, dass zu einem vorbestimmten Zeitpunkt ein vorbestimmter Strom von der Operate the switch of the bridge circuit so that at a predetermined time a predetermined current from the
Stromeinprägeeinrichtung in die Spule eingeprägt wird. Current impressing device is impressed in the coil.
11. Programmelement, aufweisend einen Programmcode, der eingerichtet ist, wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 10 zum Betreiben des Brückenschaltkreises (101) auszuführen. 11. Program element, comprising a program code, which is set up, when it is executed by a processor, to execute the method according to claim 10 for operating the bridge circuit (101).
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