EP3921935A1 - Dc-to-dc converter having a secondary resonant circuit capacitor, and method for operating a dc-to-dc converter - Google Patents

Dc-to-dc converter having a secondary resonant circuit capacitor, and method for operating a dc-to-dc converter

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Publication number
EP3921935A1
EP3921935A1 EP20706998.0A EP20706998A EP3921935A1 EP 3921935 A1 EP3921935 A1 EP 3921935A1 EP 20706998 A EP20706998 A EP 20706998A EP 3921935 A1 EP3921935 A1 EP 3921935A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
primary
resonant circuit
capacitor
voltage converter
inductance
Prior art date
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Pending
Application number
EP20706998.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Finkenzeller
Mirjam Mantel
Monika POEBL
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.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP3921935A1 publication Critical patent/EP3921935A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • Y02B70/10—Technologies 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

  • the invention relates to a DC voltage converter with a primary side of a transformer element of the DC voltage converter and with a secondary side of the Transformatorele element.
  • a first rectifier circuit and a primary-side resonant circuit are formed on the primary side and a second rectifier circuit and a secondary-side energy store are formed on the secondary side.
  • the transformer element for transmitting electrical energy is arranged between the primary side and the secondary side. Fer ner, the invention relates to a method for operating a DC voltage converter.
  • DC voltage converters which are also referred to as DC-DC converters that are operated in fully resonant mode, consist of an oscillating circuit, a transformer element and a half or full bridge circuit that stimulates the oscillating circuit.
  • ZVS zero-volt switching
  • passive components are also required.
  • these DC voltage converters from the prior art are only designed in the fully resonant mode for unidirectional operation, ie in particular for transferring energy from the primary side to the secondary side.
  • EP 2 597 766 A2 discloses a bidirectional resonant converter with a primary side and a secondary side and a transformer connecting the primary and secondary sides with a primary inductance and a secondary inductance.
  • a primary resonance network connected to the primary inductance or resonantly incorporating the primary inductance and at least one secondary-side connected to the at least one secondary inductance is provided Secondary inductance resonant integrating secondary resonance network.
  • a bidirectional DC / DC converter includes a first and a second control circuit as well as a first and a second bridge circuit, which are each connected to a first and a second DC voltage supply.
  • the first control circuit when the power supply from the first direct current supply to the second direct current supply follows, a PEM control of the first bridge circuit with a frequency that is equal to or lower than the resonance frequency of an LC resonant circuit, according to a control variable based on the voltage and current of the second DC power supply.
  • the second control circuit performs fixed frequency control of the second bridge circuit using phase shift control or the like in accordance with a control amount based on the voltage and current of the first DC power supply.
  • CN 102 064 707 A discloses an input-parallel and output-parallel combination converter under the control of a common phase shift angle.
  • a main circuit comprises more than two phase shift circuits under the control of the common phase shift angle;
  • Each phase shifter circuit consists of a transformer with leakage inductance and two bridge circuits that are connected by the transformer and the input ends of all phase shifter circuits are connected in parallel and the output ends of all phase shifting circuits are connected in parallel.
  • the bidirectional DC / DC converter circuit comprises a high-frequency transformer and a first square-wave generator and a second square-wave generator, which are arranged on the primary side and the secondary side of the high-frequency transformer.
  • the bidirectional DC / DC converter circuit further comprises a first resonance network, which is connected between the first square wave generator and egg ner primary winding of the high-frequency transformer, and a second resonance network circuit, which is connected between the second square wave generator and a secondary winding of the second square wave generator.
  • the resonance frequency provided by the first network circuit is the same as the resonance frequency provided by the second network circuit.
  • the object of the present invention is to create a DC voltage converter and a method by means of which a fully resonant DC voltage converter can be created for both directions of transmission.
  • One aspect of the invention relates to a DC voltage converter with a primary side of a transformer element of the DC voltage converter and with a secondary side of the transformer element.
  • the primary side has a first
  • Rectifier circuit and a primary-side resonant circuit and the secondary side has a second rectifier circuit and a secondary-side energy store. Between the primary side and the secondary side, the transforma- mator element for transmitting electrical energy angeord net.
  • the secondary side has a secondary resonant circuit capacitor.
  • a fully resonant system is also created on this side, so that electrical energy can be exchanged for both directions of transmission.
  • a bidirectional DC voltage converter can be provided.
  • an inductor combination avoids the need to use additional inductors for bidirectional operation.
  • the large series inductance necessary for the topology in the form of a large spread and the lower parallel inductance for ZVS operation in no-load operation can be integrated into one component.
  • it is an inductor combination with electrical isolation for the DC voltage converter.
  • a bidirectional transmission system can be formed.
  • the DC / DC converter can be used as an electrical energy store for bidirectional charging and discharging of a motor vehicle battery.
  • the motor vehicle battery thus forms the electrical energy store.
  • the motor vehicle battery can be charged, for example, from the public network, which is designed on the primary side. Should only, for example, as a buffer for the public network, the motor vehicle battery again electrical
  • the DC / DC converter according to the invention can be used both for charging and for discharging the motor vehicle battery.
  • the motor vehicle battery can thus be used as an energy store for the smart grid.
  • the second rectifier circuit is designed as an electrical full bridge.
  • the first rectifier circuit is also designed as an electrical full bridge.
  • the rectifier circuit is an active component.
  • the full bridge on the input side excites the resonance circuit - the variable switching frequency sets the required output voltage
  • the full bridge on the output side works as an active rectifier.
  • the respective full bridge can have corresponding semiconductor switches, for example MOSFETs. These semiconductor switches can be controlled, for example, by means of an electronic computing device in such a way that they switch electrical energy through or block it. This makes it possible for a fully resonant bidirectional transmission system to be formed with the active rectification on the secondary side.
  • a primary-side number of turns of the transformer element is designed to be equal to a secondary-side number of turns of the transformer element.
  • the transformer element has just as many windings on the primary side as on the secondary side.
  • a transmission ratio of 1: 1 is provided. This makes it possible that similar input and output voltage ranges and similar ranges of the switching frequency can be achieved by means of the DC voltage converter.
  • a primary leakage inductance with a first inductance value and a secondary leakage inductance with a second inductance value are arranged on the primary side, the first inductance value and the second inductance value being the same. In other words, it is a primary side
  • Leakage inductance equals a secondary leakage inductance.
  • the coupling then sensibly lies in a range of 60 percent to 80 percent. In particular, this makes it possible that similar input and output voltage ranges and similar ranges of the switching frequency can be achieved by means of the DC voltage converter.
  • a first capacitor value of a primary resonant circuit capacitor of the primary-side resonant circuit is equal to a second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor. This makes it possible, in particular, that similar input and output voltage ranges and ranges of the switching frequency of the full bridges can be implemented.
  • a primary-side number of turns of the transformer element is designed to be unequal to a secondary-side number of turns of the transformer element. This enables different input and output voltage ranges and ranges of the switching frequency of the full bridges to be implemented. In other words, the transformation ratio of the transformer element is not equal to 1: 1. This can be particularly useful if the secondary-side DC voltage range differs significantly from the primary-side.
  • a second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor is formed as the product of a first capacitor value of a first resonant circuit capacitor of the resonant circuit and a quotient of a primary leakage inductance on the primary side and a second leakage inductance on the secondary side.
  • Resonant circuit capacitor is designed as a series capacitor.
  • the first resonant circuit capacitor is also designed as a series capacitor.
  • Resonant circuit capacitor is designed as a parallel capacitor.
  • the primary resonant circuit capacitor can also be designed as a parallel capacitor.
  • a series inductance is connected in addition to the secondary resonant circuit capacitor.
  • Another aspect of the invention relates to a method for operating a DC voltage converter with a primary side of a transformer element of the DC voltage converter and with a secondary side of the transformer element.
  • the primary side with a first rectifier circuit and a primary-side resonant circuit and the secondary side with a second rectifier circuit and a secondary-side energy store are provided. Electrical energy is transmitted between the primary side and the secondary side.
  • electrical energy is bidirectionally transmitted from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side by means of a secondary oscillating circuit capacitor on the secondary side.
  • bidirectional operation of the DC voltage converter can be carried out in the method.
  • Advantageous embodiments of the DC-DC converter are to be regarded as advantageous embodiments of the method.
  • the DC / DC converter has objective features to enable the method or an advantageous embodiment thereof to be carried out.
  • the method is carried out in particular by means of the DC voltage converter.
  • the single figure shows a schematic equivalent circuit diagram of an embodiment of a DC voltage converter.
  • the figure shows a schematic equivalent circuit diagram of an embodiment of a DC voltage converter 10.
  • the DC voltage converter 10 has transformer elements 12.
  • the transformer element 12 has a primary side 14 and a secondary side 16.
  • a first rectifier circuit 18 is formed, which is designed in particular as an electrical full bridge.
  • a second rectifier circuit 20 is also madebil det, which is especially designed as an electrical full bridge.
  • the first rectifier circuit 18 in the present exemplary embodiment has four active components, in particular four MOSFETs 22 to 28, the first rectifier circuit 18 being formed by a first MOSFET 22, a second MOSFET 24, a third MOSFET 26 and a fourth MOSFET 28.
  • the second rectifier circuit 16 also has four MOSFETs 30 to 36, the second rectifier circuit 16 being formed by a fifth MOSFET 30, a sixth MOSFET 32, a seventh MOSFET 34 and an eighth MOSFET 36.
  • the primary side 14 has an intermediate circuit capacity 38, which is coupled in particular to an energy storage network, which is not shown. Furthermore, a battery capacity 40 and a battery resistor 42 are shown on the secondary side. Overall, the battery capacity 40 and the battery resistor 42, a secondary-side energy storage device 44 are provided.
  • the primary side 14 also has an oscillating circuit 46 on the primary side.
  • the primary-side resonant circuit 46 is in particular formed by a primary resonant circuit capacitor 48 and a primary resonant circuit inductance 50.
  • One aspect of the invention relates to the DC voltage converter 10 with the primary side 14 of the transformer element 12 and with the secondary side 16.
  • the primary side 14 has the first rectifier circuit 18.
  • the secondary side 16 has the second rectifier circuit 20.
  • the secondary side has the secondary-side energy store 44. Between tween the primary side 14 and the secondary side 16, the transformer element 12 for transmitting electrical energy is arranged.
  • the secondary side 16 has a secondary resonant circuit capacitor 52.
  • the inductances according to the prior art are no longer required as a result.
  • the DC voltage converter 10 is provided as an inductor combination with potential separation for the DC voltage converter 10.
  • the large series inductances necessary for the topology in the form of a large spread and the low parallel inductivity for ZVS operation near no load can be incorporated into one component, namely the inductor combination , integrate.
  • the combination with the secondary resonant circuit capacitor 52 also creates a fully resonant system on the secondary side 16 for bidirectional transmission of electrical energy.
  • the primary side with the first rectifier circuit 18 and the primary-side resonant circuit 46 provides.
  • the secondary side 16 is provided with the second rectifier circuit 16 and with the secondary-side energy store 44. Electrical energy is transmitted between the primary side 14 and the secondary side 16.
  • electrical energy is bidirectionally transmitted from the primary side 14 to the secondary side 16 or from the secondary side 16 to the primary side 14 by means of the secondary resonant circuit capacitor 52 of the secondary side 16.
  • the second rectifier circuit 20 is designed as an electrical full bridge. Furthermore, a primary-side number of turns 54 of the transformer element 12 can be configured to be equal to a secondary-side number of turns 56 of the transformer element 12.
  • a primary leakage inductance 60 with a first inductance value and a secondary leakage inductance 62 with a second inductance value are arranged on the secondary side 16, the first inductance value and the second inductance value being the same.
  • a first capacitor value of the primary resonant circuit capacitor 48 of the primary-side resonant circuit 46 is equal to a second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor 52.
  • the transformer element 12 can have as many windings on the primary side as on the secondary side, i.e. with a transmission ratio of 1: 1, the primary leakage inductance 60 is then in particular equal to the secondary leakage inductance 62.
  • the coupling is then sensibly in a range of 60 Percent to 80 percent.
  • the natural frequency of the respective side and thus the respective capacitor values of the vibration Circuit capacitors 48, 52 can be chosen to be the same or differ in order to achieve similar input and output voltage ranges and ranges of the switching frequency of the full bridges in the first case and different input and output voltage ranges in the second case.
  • the transformation ratio of the transformer element 12 can be selected to be different from 1: 1. This is useful if the secondary-side DC voltage range differs significantly from the primary-side.
  • the number of turns 54 on the primary side of the transformer element 12 is designed to be different from the number of turns 56 on the secondary side of the transformer element 12.
  • the second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor 52 is the capacitor value of the first resonant circuit capacitor 48 of the primary-side resonant circuit 46 and a quotient of the primary leakage inductance 50 of the primary side 14 and the second leakage inductance 62 of the secondary side 14.
  • the secondary resonant circuit capacitor 52 is designed as a series capacitor. This is shown in the figure. Alternatively, it can also be provided that the secondary resonant circuit capacitor 52 is designed as a parallel capacitor.
  • the primary resonant circuit capacitor 48 is designed as a series capacitor.
  • the primary resonant circuit capacitor 48 can alternatively be designed as a Paral lelkondensator.
  • the bidirectional operation and the character of the resonance converter which provides the output voltage by varying the switching frequency of the full bridge on the input side, can thereby be retained.
  • a series inductance which is not shown in the present figure, is connected.
  • the bidirectional resonance converter in other words, build the DC / DC converter 10 with a conventional transformer.
  • the serial inductance in addition to the newly introduced secondary resonant circuit capacitor 52, the serial inductance, in particular a serial choke, is required.
  • the figure shows a novel structural concept in which the additional insertion of the secondary resonant circuit capacitor 52 on the secondary side 16 of the transformer element 12 and an active rectification on the secondary side 16, a fully resonant bidirectional transmission system can arise.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The invention relates to a DC-to-DC converter (10), comprising a primary side (14) of a transformer element (12) of the DC-to-DC converter (10) and a secondary side (16) of the transformer element (12), the primary side (14) having a first rectifier circuit (18) and a primary-side resonant circuit (46) and the secondary side (16) having a second rectifier circuit (20) and a secondary-side stored energy source (44), the transformer element (12) being arranged between the primary side (14) and the secondary side (16) in order to transfer electrical energy, the secondary side (16) having a secondary resonant circuit capacitor (52). The invention further relates to a method.

Description

Beschreibung description
Gleichspannungswandler mit einem sekundären Schwingkreiskon densator, sowie Verfahren zum Betreiben eines Gleichspan- nungswandlers DC voltage converter with a secondary Schwingkreiskon capacitor, as well as a method for operating a DC voltage converter
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einer Primärseite eines Transformatorelements des Gleichspannungs wandlers und mit einer Sekundärseite des Transformatorele ments. Auf der Primärseite sind eine erste Gleichrichter schaltung und ein primärseitiger Schwingkreis und auf der Se kundärseite ist eine zweite Gleichrichterschaltung und ein sekundärseitiger Energiespeicher ausgebildet. Zwischen der Primärseite und der Sekundärseite ist das Transformatorele ment zum Übertragen von elektrischer Energie angeordnet. Fer ner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers . The invention relates to a DC voltage converter with a primary side of a transformer element of the DC voltage converter and with a secondary side of the Transformatorele element. A first rectifier circuit and a primary-side resonant circuit are formed on the primary side and a second rectifier circuit and a secondary-side energy store are formed on the secondary side. The transformer element for transmitting electrical energy is arranged between the primary side and the secondary side. Fer ner, the invention relates to a method for operating a DC voltage converter.
Gleichspannungswandler, welche auch als DC-DC-Wandler be zeichnet werden, die im voll resonanten Modus betrieben wer den, bestehen aus einem Schwingkreis, einem Transformatorele ment und eine den Schwingkreis anregenden Halb- oder Vollbrü ckenschaltung. Um ein spannungsloses Schalten, den sogenann ten ZVS-Betrieb ( Zero-Volt-Switching) in allen relevanten Ar beitspunkten aufrechterhalten zu können, sind zusätzlich pas sive Bauelemente notwendig. Diese Gleichspannungswandler aus dem Stand der Technik sind jedoch lediglich im voll resonan ten Modus für den unidirektionalen Betrieb, also insbesondere zum Übertragen von Energie von der Primärseite zu der Sekun därseite, ausgebildet. DC voltage converters, which are also referred to as DC-DC converters that are operated in fully resonant mode, consist of an oscillating circuit, a transformer element and a half or full bridge circuit that stimulates the oscillating circuit. In order to be able to maintain voltage-free switching, the so-called ZVS (zero-volt switching) operation, in all relevant work points, passive components are also required. However, these DC voltage converters from the prior art are only designed in the fully resonant mode for unidirectional operation, ie in particular for transferring energy from the primary side to the secondary side.
Ferner sind zahlreiche Veröffentlichungen zur bidirektionalen Dual-Active-Bridge bekannt. Diese Gleichspannungswandler wer den häufig hartschaltend, also mit Schaltverlusten, aufge baut. Da der Phasenwinkel jedoch zwischen primärseitiger und sekundärseitiger Vollbrücke bei der Dual-Active-Bridge gere gelt werden muss, ist das Unterbringen von Serienresonanzele menten erschwert. Die EP 2 597 766 A2 offenbart einen bidirektionaler resonan- ter Wandler mit einer Primärseite und einer Sekundärseite und einem die Primär- und die Sekundärseite verbindenden Trans formator mit einer Primärinduktivität und einer Sekundärin duktivität. Mit dem Ziel, eine sichere und verlustarme Ener gieübertragung zwischen der Primär- und der Sekundärseite zu gewährleisten, ist vorgesehen ein primärseitiges mit der Pri märinduktivität verbundenes oder die Primärinduktivität reso- nant einbeziehendes Primärresonanznetzwerk und mindestens ein sekundärseitiges mit der mindestens einen Sekundärinduktivi tät verbundenes oder die Sekundärinduktivität resonant einbe ziehendes Sekundärresonanznetzwerk vor. Furthermore, numerous publications on the bidirectional dual-active bridge are known. These DC / DC converters are often hard-switching, ie with switching losses, builds up. However, since the phase angle between the primary-side and secondary-side full bridge has to be regulated in the dual-active bridge, it is more difficult to accommodate series resonance elements. EP 2 597 766 A2 discloses a bidirectional resonant converter with a primary side and a secondary side and a transformer connecting the primary and secondary sides with a primary inductance and a secondary inductance. With the aim of ensuring safe and low-loss energy transfer between the primary and secondary sides, a primary resonance network connected to the primary inductance or resonantly incorporating the primary inductance and at least one secondary-side connected to the at least one secondary inductance is provided Secondary inductance resonant integrating secondary resonance network.
Gemäß der US 2015/0381064 Al beinhaltet ein bidirektionaler DC/DC-Wandler eine erste und eine zweite Steuerschaltung so wie eine erste und eine zweite Brückenschaltung, die jeweils mit einer ersten und zweiten Gleichspannungsversorgung ver bunden sind. In einer Ausführungsvariante führt die erste Steuerschaltung, wenn die Stromversorgung von der ersten Gleichstromversorgung an die zweite Gleichstromversorgung er folgt, eine PEM-Steuerung der ersten Brückenschaltung mit ei ner Frequenz durch, die gleich oder niedriger als die Reso nanzfrequenz eines LC-Schwingkreises ist, gemäß einer Steuer größe, die auf der Spannung und dem Strom der zweiten Gleich stromversorgung basiert. Wenn die Stromversorgung in die an dere Richtung erfolgt, führt die zweite Steuerschaltung eine Festfrequenzregelung der zweiten Brückenschaltung unter Ver wendung einer Phasenschiebereglung oder dergleichen gemäß ei nem Steuerbetrag basierend auf der Spannung und dem Strom der ersten Gleichstromversorgung durch. According to US 2015/0381064 A1, a bidirectional DC / DC converter includes a first and a second control circuit as well as a first and a second bridge circuit, which are each connected to a first and a second DC voltage supply. In one embodiment, the first control circuit, when the power supply from the first direct current supply to the second direct current supply follows, a PEM control of the first bridge circuit with a frequency that is equal to or lower than the resonance frequency of an LC resonant circuit, according to a control variable based on the voltage and current of the second DC power supply. When the power supply is in the other direction, the second control circuit performs fixed frequency control of the second bridge circuit using phase shift control or the like in accordance with a control amount based on the voltage and current of the first DC power supply.
Die CN 102 064 707 A offenbart einen Eingangsparallel- und Ausgangsparallel-Kombinationswandler unter der Kontrolle ei nes gemeinsamen Phasenverschiebungswinkels. Ein Hauptkreis umfasst mehr als zwei Phasenschieberkreise unter der Steue rung des gemeinsamen Phasenschieberwinkels; jeder Phasen schieberkreis besteht aus einem Transformator mit Streuinduk tivität und zwei Brückenkreisen, die durch den Transformator verbunden sind und die Eingangsenden aller Phasenschieber- kreise sind parallel geschaltet und die Ausgangsenden aller Phasenschieberkreise sind parallel geschaltet. CN 102 064 707 A discloses an input-parallel and output-parallel combination converter under the control of a common phase shift angle. A main circuit comprises more than two phase shift circuits under the control of the common phase shift angle; Each phase shifter circuit consists of a transformer with leakage inductance and two bridge circuits that are connected by the transformer and the input ends of all phase shifter circuits are connected in parallel and the output ends of all phase shifting circuits are connected in parallel.
Die CN 104 184 323 A offenbart eine bidirektionale DC/DC- Wandlerschaltung . Die bidirektionale DC/DC-Wandlerschaltung umfasst einen Hochfrequenztransformator und einen ersten Rechteckgenerator und einen zweiten Rechteckgenerator, die auf der Primärseite bzw. der Sekundärseite des Hochfrequenz transformators angeordnet sind. Die bidirektionale DC/DC- Wandlerschaltung umfasst ferner einen ersten Resonanznetz werkkreis, der zwischen dem ersten Rechteckgenerator und ei ner Primärwicklung des Hochfrequenztransformators geschaltet ist, und einen zweiten Resonanznetzwerkkreis, der zwischen dem zweiten Rechteckgenerator und einer Sekundärwicklung des zweiten Rechteckgenerators geschaltet ist. Die von der ersten Netzwerkschaltung bereitgestellte Resonanzfrequenz ist die gleiche, wie die von der zweiten Netzwerkschaltung bereitge stellte Resonanzfrequenz. CN 104 184 323 A discloses a bidirectional DC / DC converter circuit. The bidirectional DC / DC converter circuit comprises a high-frequency transformer and a first square-wave generator and a second square-wave generator, which are arranged on the primary side and the secondary side of the high-frequency transformer. The bidirectional DC / DC converter circuit further comprises a first resonance network, which is connected between the first square wave generator and egg ner primary winding of the high-frequency transformer, and a second resonance network circuit, which is connected between the second square wave generator and a secondary winding of the second square wave generator. The resonance frequency provided by the first network circuit is the same as the resonance frequency provided by the second network circuit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichspan nungswandler sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem ein voll resonanter Gleichspannungswandler für beide Übertra gungsrichtungen geschaffen werden kann. The object of the present invention is to create a DC voltage converter and a method by means of which a fully resonant DC voltage converter can be created for both directions of transmission.
Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswand lers gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteil hafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angege ben . This object is achieved by a DC voltage converter and by a method for operating a DC voltage converter according to the independent claims. Advantageous embodiments are indicated in the subclaims.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Gleichspannungswand ler mit einer Primärseite eines Transformatorelements des Gleichspannungswandlers und mit einer Sekundärseite des Transformatorelements. Die Primärseite weist eine erste One aspect of the invention relates to a DC voltage converter with a primary side of a transformer element of the DC voltage converter and with a secondary side of the transformer element. The primary side has a first
Gleichrichterschaltung und einen primärseitigen Schwingkreis und die Sekundärseite weist eine zweite Gleichrichterschal tung und einen sekundärseitigen Energiespeichers auf. Zwi schen der Primärseite und der Sekundärseite ist das Transfor- matorelement zum Übertragen von elektrischer Energie angeord net . Rectifier circuit and a primary-side resonant circuit and the secondary side has a second rectifier circuit and a secondary-side energy store. Between the primary side and the secondary side, the transforma- mator element for transmitting electrical energy angeord net.
Es ist vorgesehen, dass die Sekundärseite einen sekundären Schwingkreiskondensator aufweist . It is provided that the secondary side has a secondary resonant circuit capacitor.
Durch das Einfügen der zusätzlichen Kapazität, also dem se kundären Schwingkreiskondensator, auf der Sekundärseite des Transformatorelements entsteht auch auf dieser Seite ein voll resonantes System, sodass für beide Übertragungsrichtungen elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Somit kann ein bidirektionaler Gleichspannungswandler bereitgestellt werden. By inserting the additional capacitance, i.e. the secondary resonant circuit capacitor, on the secondary side of the transformer element, a fully resonant system is also created on this side, so that electrical energy can be exchanged for both directions of transmission. Thus, a bidirectional DC voltage converter can be provided.
Es wird durch die Nutzung einer Induktorkombination vermie den, dass zusätzliche Induktivitäten für den bidirektionalen Betrieb genutzt werden müssen. Durch die Wahl einer neuen Wicklungskonfiguration verbunden mit einem großen Luftspalt innerhalb des Transformatorelements lassen sich die für die Topologie notwendig große Serieninduktivität in Form einer großen Streuung als auch die für den ZVS-Betrieb in Leerlauf nähe geringere Parallelinduktivität in ein Bauelement integ rieren. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Induktor kombination mit Potentialtrennung für den Gleichspannungs wandler . The use of an inductor combination avoids the need to use additional inductors for bidirectional operation. By choosing a new winding configuration combined with a large air gap within the transformer element, the large series inductance necessary for the topology in the form of a large spread and the lower parallel inductance for ZVS operation in no-load operation can be integrated into one component. In particular, it is an inductor combination with electrical isolation for the DC voltage converter.
Insbesondere kann durch die Nutzung der Induktorkombination und dem zusätzlichen Einfügen des sekundären Schwingkreiskon densators auf der Sekundärseite des Transformatorelements ein bidirektionales Übertragungssystem ausgebildet werden. In particular, by using the inductor combination and the additional insertion of the secondary Schwingkreiskon capacitor on the secondary side of the transformer element, a bidirectional transmission system can be formed.
Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler zum bidirekti onalen Laden und Entladen einer Kraftfahrzeugbatterie als elektrischer Energiespeicher genutzt werden. Die Kraftfahr zeugbatterie bildet somit den elektrischen Energiespeicher. Mittels Induktion durch das Transformatorelement kann die Kraftfahrzeugbatterie beispielsweise aus dem öffentlichen Netz, welches primärseitig ausgebildet ist, geladen werden. Sollte nur, beispielsweise als Zwischenspeicher für das öf fentliche Netz, die Kraftfahrzeugbatterie wieder elektrische Energie an das öffentliche Netz abgegeben sollen, so kann so wohl für das Laden als auch für das Entladen der Kraftfahr zeugbatterie der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ge nutzt werden. Beispielsweise in sogenannten dezentralen Ener gieversorgungssystemen, beispielsweise für Smart-Grids, kann so die Kraftfahrzeugbatterie als Energiespeicher für das Smart-Grid genutzt werden. For example, the DC / DC converter can be used as an electrical energy store for bidirectional charging and discharging of a motor vehicle battery. The motor vehicle battery thus forms the electrical energy store. By means of induction by the transformer element, the motor vehicle battery can be charged, for example, from the public network, which is designed on the primary side. Should only, for example, as a buffer for the public network, the motor vehicle battery again electrical If energy is to be delivered to the public network, the DC / DC converter according to the invention can be used both for charging and for discharging the motor vehicle battery. For example, in so-called decentralized energy supply systems, for example for smart grids, the motor vehicle battery can thus be used as an energy store for the smart grid.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die zweite Gleichrichterschaltung als elektrische Vollbrücke ausgebil det. Insbesondere ist auch die erste Gleichrichterschaltung als elektrische Vollbrücke ausgebildet. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass es sich bei der Gleichrichterschaltung um aktive Bauelemente handelt. Je nach Leistungsflussrichtung regt die Vollbrücke der Eingangsseite den Resonanzkreis an - die variable Schaltfrequenz stellt die geforderte Ausgangs spannung ein, die Vollbrücke der Ausgangsseite arbeitet als aktiver Gleichrichter. Beispielsweise kann die jeweilige Vollbrücke entsprechende Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFET's aufweisen. Diese Halbleiterschalter können bei spielsweise mittels einer elektronischen Recheneinrichtung derart angesteuert werden, dass diese elektrische Energie durschalten, oder sperren. Dadurch ist es ermöglicht, dass mit der aktiven Gleichrichtung auf der Sekundärseite ein vollresonantes bidirektionales Übertragungssystem ausgebildet ist . According to an advantageous embodiment, the second rectifier circuit is designed as an electrical full bridge. In particular, the first rectifier circuit is also designed as an electrical full bridge. In other words, it is provided that the rectifier circuit is an active component. Depending on the direction of power flow, the full bridge on the input side excites the resonance circuit - the variable switching frequency sets the required output voltage, the full bridge on the output side works as an active rectifier. For example, the respective full bridge can have corresponding semiconductor switches, for example MOSFETs. These semiconductor switches can be controlled, for example, by means of an electronic computing device in such a way that they switch electrical energy through or block it. This makes it possible for a fully resonant bidirectional transmission system to be formed with the active rectification on the secondary side.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist eine primärseitige Wicklungsanzahl des Transformatorelements gleich einer sekundärseitigen Wicklungsanzahl des Transforma torelements ausgebildet. Mit anderen Worten hat in dieser Ausprägungsform das Transformatorelement primärseitig genauso viele Wicklungen wie sekundärseitig. Mit anderen Worten wird ein Übertragungsverhältnis von 1:1 bereitgestellt. Dadurch ist es ermöglicht, dass ähnliche Ein- und Ausgangsspannungs bereiche sowie ähnliche Bereiche der Schaltfrequenz mittels des Gleichspannungswandlers erzielt werden können. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn auf der Primärseite eine pri märe Streuinduktivität mit einem ersten Induktivitätswert und auf der Sekundärseite eine sekundäre Streuinduktivität mit einem zweiten Induktivitätswert angeordnet sind, wobei der erste Induktivitätswert und der zweite Induktivitätswert gleich sind. Mit anderen Worten ist eine primärseitige In a further advantageous embodiment, a primary-side number of turns of the transformer element is designed to be equal to a secondary-side number of turns of the transformer element. In other words, in this embodiment, the transformer element has just as many windings on the primary side as on the secondary side. In other words, a transmission ratio of 1: 1 is provided. This makes it possible that similar input and output voltage ranges and similar ranges of the switching frequency can be achieved by means of the DC voltage converter. It is also advantageous if a primary leakage inductance with a first inductance value and a secondary leakage inductance with a second inductance value are arranged on the primary side, the first inductance value and the second inductance value being the same. In other words, it is a primary side
Streuinduktivität gleich einer sekundärseitigen Streuindukti vität. Die Kopplung liegt dann sinnvollerweise in einem Be reich von 60 Prozent bis 80 Prozent. Insbesondere ist es dadurch ermöglicht, dass ähnliche Ein- und Ausgangsspannungs bereiche sowie ähnliche Bereiche der Schaltfrequenz mittels des Gleichspannungswandlers erzielt werden können. Leakage inductance equals a secondary leakage inductance. The coupling then sensibly lies in a range of 60 percent to 80 percent. In particular, this makes it possible that similar input and output voltage ranges and similar ranges of the switching frequency can be achieved by means of the DC voltage converter.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein erster Kondensatorwert eines primären Schwingkreiskondensators des primärseitigen Schwingkreises gleich einem zweiten Kondensa torwert des sekundären Schwingkreiskondensators ist. Dadurch ist es insbesondere ermöglicht, dass ähnliche Ein- und Aus gangsspannungsbereiche und Bereiche der Schaltfrequenz der Vollbrücken realisiert werden können. Furthermore, it has proven to be advantageous if a first capacitor value of a primary resonant circuit capacitor of the primary-side resonant circuit is equal to a second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor. This makes it possible, in particular, that similar input and output voltage ranges and ranges of the switching frequency of the full bridges can be implemented.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist eine primärseitige Wicklungsanzahl des Transformatorelements un gleich einer sekundärseitigen Wicklungsanzahl des Transforma torelements ausgebildet. Dadurch ist ermöglicht, dass ver schiedene Ein- und Ausgangsspannungsbereiche und Bereiche der Schaltfrequenz der Vollbrücken realisiert werden können. Mit anderen Worten ist das Übersetzungsverhältnis des Transforma torelements ungleich 1:1. Dies kann insbesondere dann sinn voll sein, wenn sich der sekundärseitige DC-Spannungsbereich deutlich vom primärseitigen unterscheidet. In a further advantageous embodiment, a primary-side number of turns of the transformer element is designed to be unequal to a secondary-side number of turns of the transformer element. This enables different input and output voltage ranges and ranges of the switching frequency of the full bridges to be implemented. In other words, the transformation ratio of the transformer element is not equal to 1: 1. This can be particularly useful if the secondary-side DC voltage range differs significantly from the primary-side.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist ein zweiter Kondensatorwert des sekundären Schwingkreiskondensa tors als Produkt aus einem ersten Kondensatorwert eines ers ten Schwingkreiskondensators des Schwingkreises und einem Quotienten aus einer primären Streuinduktivität der Primär seite und einer zweiten Streuinduktivität der Sekundärseite ausgebildet. Um dann beispielsweise bei einem ungleichen Übersetzungsverhältnis des Transformatorelements ähnliche Schaltfrequenzbereiche der Gleichrichterschaltungen zu erhal ten, wird: gewählt. C2sek entspricht dabei dem sekundären Schwingkreis kondensator, C1prim dem ersten Schwingkreiskondensator, Lsig- prim der primären Streuinduktivität und Lsigsek der zweiten Streuinduktivität. Alternativ sind auch andere Werte für C2sek möglich. Somit können insbesondere ähnliche Schaltfrequenzbe- reiche der beiden Gleichrichterschaltungen, insbesondere der beiden Vollbrücken, ausgebildet werden. In a further advantageous embodiment, a second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor is formed as the product of a first capacitor value of a first resonant circuit capacitor of the resonant circuit and a quotient of a primary leakage inductance on the primary side and a second leakage inductance on the secondary side. To then, for example, an unequal The transformation ratio of the transformer element to obtain similar switching frequency ranges of the rectifier circuits is: elected. C2 sec corresponds to the secondary resonant circuit capacitor, C1 prim to the first resonant circuit capacitor, Lsig- prim to the primary leakage inductance and Lsig sek to the second leakage inductance. Alternatively, other values for C2 sec are also possible. Thus, in particular, similar switching frequency ranges of the two rectifier circuits, in particular of the two full bridges, can be formed.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn zumindest der sekundäre It is also advantageous if at least the secondary
Schwingkreiskondensator als Serienkondensator ausgebildet ist. Insbesondere ist auch der erste Schwingkreiskondensator als Serienkondensator ausgebildet. Dadurch kann einfach und dennoch zuverlässig der bidirektionale Betrieb des Gleich spannungswandlers realisiert werden. Resonant circuit capacitor is designed as a series capacitor. In particular, the first resonant circuit capacitor is also designed as a series capacitor. As a result, the bidirectional operation of the DC voltage converter can be implemented simply and yet reliably.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn zumindest der sekundäre It is also advantageous if at least the secondary
Schwingkreiskondensator als Parallelkondensator ausgebildet ist. Insbesondere kann auch der primäre Schwingkreiskondensa tor als Parallelkondensator ausgebildet sein. Der bidirektio nale Betrieb und der Charakter des Resonanzwandlers, der durch die Variation der Schaltfrequenz der eingangsseitigen Gleichrichterschaltungen, insbesondere der Vollbrücke, die Ausgangsspannung stellt, bleibt dabei erhalten. Somit ist es auf unterschiedliche Art und Weise ermöglicht, den bidirekti onalen Betrieb des Gleichspannungswandlers realisieren zu können . Resonant circuit capacitor is designed as a parallel capacitor. In particular, the primary resonant circuit capacitor can also be designed as a parallel capacitor. The bidirectional operation and the character of the resonance converter, which provides the output voltage by varying the switching frequency of the rectifier circuits on the input side, in particular the full bridge, is retained. Thus, it is possible in different ways to be able to implement the bidirectional operation of the DC voltage converter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist zu sätzlich zum sekundären Schwingkreiskondensator eine serielle Induktivität geschaltet. Dadurch ist es ermöglicht, dass der bidirektionale Resonanzwandlerbetrieb des Gleichspannungs wandlers auch mit einem klassischen Transformatorelement rea lisiert werden kann. Insbesondere wird dann zusätzlich zu dem neu eingeführten sekundären Schwingkreiskondensator und ins besondere auch der sekundärseitigen Vollbrücke eine serielle Induktivität, mit anderen Worten eine serielle Drossel, ge schaltet. Somit kann auch bei einem serienmäßigen Transforma torelement, also insbesondere bei einem Nichtvorhandensein einer Induktorkombination, ein bidirektionaler Betrieb des Gleichspannungswandlers realisiert werden. According to a further advantageous embodiment, a series inductance is connected in addition to the secondary resonant circuit capacitor. This makes it possible that the bidirectional resonance converter operation of the DC voltage converter can also be realized with a classic transformer element. In particular, then in addition to the newly introduced secondary resonant circuit capacitor and in particular the secondary-side full bridge a serial inductance, in other words a serial choke, switched ge. In this way, bidirectional operation of the DC-DC converter can also be implemented with a standard transformer element, that is to say in particular when there is no inductor combination.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers mit einer Primärseite eines Transformatorelements des Gleichspannungswandlers und mit einer Sekundärseite des Transformatorelements. Es werden die Primärseite mit einer ersten Gleichrichterschaltung und einem primärseitigen Schwingkreis und die Sekundärseite mit einer zweiten Gleichrichterschaltung und einem sekundärseiti gen Energiespeicher bereitgestellt. Es wird zwischen der Pri märseite und der Sekundärseite elektrische Energie übertra gen . Another aspect of the invention relates to a method for operating a DC voltage converter with a primary side of a transformer element of the DC voltage converter and with a secondary side of the transformer element. The primary side with a first rectifier circuit and a primary-side resonant circuit and the secondary side with a second rectifier circuit and a secondary-side energy store are provided. Electrical energy is transmitted between the primary side and the secondary side.
Es ist vorgesehen, dass mittels eines sekundären Schwing kreiskondensators der Sekundärseite bidirektional elektrische Energie von der Primärseite zu der Sekundärseite oder von der Sekundärseite zu der Primärseite übertragen wird. It is provided that electrical energy is bidirectionally transmitted from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side by means of a secondary oscillating circuit capacitor on the secondary side.
Mit anderen Worten kann bei dem Verfahren ein bidirektionaler Betrieb des Gleichspannungswandlers durchgeführt werden. In other words, bidirectional operation of the DC voltage converter can be carried out in the method.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Gleichspannungswandlers sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens an zusehen. Der Gleichspannungswandler weist dazu gegenständli che Merkmale auf, um eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon zu ermöglichen.Advantageous embodiments of the DC-DC converter are to be regarded as advantageous embodiments of the method. The DC / DC converter has objective features to enable the method or an advantageous embodiment thereof to be carried out.
Das Verfahren wir insbesondere mittels des Gleichspannungs wandlers durchgeführt. The method is carried out in particular by means of the DC voltage converter.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprü chen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinati onen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genann- ten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebe nen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen ver wendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Further features of the invention emerge from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the following in the description of the figures th and / or features and feature combinations shown on their own in the figures are ver usable not only in the respective specified combination, but also in other combinations, without departing from the scope of the invention.
Die Erfindung wird nun anhand von einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel sowie unter Bezugnahme auf die beigefügte The invention will now be approximately based on a preferred Ausfüh and with reference to the accompanying
Zeichnung näher erläutert. Drawing explained in more detail.
Dabei zeigt die einzige Figur ein schematisches Ersatzschalt bild einer Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers. The single figure shows a schematic equivalent circuit diagram of an embodiment of a DC voltage converter.
Die Figur zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild einer Aus führungsform eines Gleichspannungswandlers 10. Der Gleich spannungswandler 10 weist Transformatorelemente 12 auf. Das Transformatorelement 12 weist eine Primärseite 14 und eine Sekundärseite 16 auf. Auf der Primärseite 14 ist eine erste Gleichrichterschaltung 18 ausgebildet, welche insbesondere als elektrische Vollbrücke ausgebildet ist. Auf der Sekundär seite 16 ist eine zweite Gleichrichterschaltung 20 ausgebil det, welche insbesondere als elektrische Vollbrücke ausgebil det ist. Die erste Gleichrichterschaltung 18 weist im vorlie genden Ausführungsbeispiel vier aktive Bauelemente auf, ins besondere vier MOSFETs 22 bis 28, wobei durch einen ersten MOSFET 22, einen zweiten MOSFET 24, einen dritten MOSFET 26 und einem vierten MOSFET 28 die erste Gleichrichterschaltung 18 ausgebildet ist. The figure shows a schematic equivalent circuit diagram of an embodiment of a DC voltage converter 10. The DC voltage converter 10 has transformer elements 12. The transformer element 12 has a primary side 14 and a secondary side 16. On the primary side 14, a first rectifier circuit 18 is formed, which is designed in particular as an electrical full bridge. On the secondary side 16, a second rectifier circuit 20 is ausgebil det, which is especially designed as an electrical full bridge. The first rectifier circuit 18 in the present exemplary embodiment has four active components, in particular four MOSFETs 22 to 28, the first rectifier circuit 18 being formed by a first MOSFET 22, a second MOSFET 24, a third MOSFET 26 and a fourth MOSFET 28.
Die zweite Gleichrichterschaltung 16 weist ebenfalls vier MOSFETs 30 bis 36 auf, wobei die zweite Gleichrichterschal tung 16 durch einen fünften MOSFET 30, einen sechsten MOSFET 32, einen siebten MOSFET 34 und einem achten MOSFET 36 ausge bildet ist. The second rectifier circuit 16 also has four MOSFETs 30 to 36, the second rectifier circuit 16 being formed by a fifth MOSFET 30, a sixth MOSFET 32, a seventh MOSFET 34 and an eighth MOSFET 36.
Insbesondere weist die Primärseite 14 eine Zwischenkreiskapa zität 38 auf, welche insbesondere mit einem Energiespeicher netz, was nicht dargestellt ist, gekoppelt ist. Ferner ist sekundärseitig eine Batteriekapazität 40 und ein Batteriewi derstand 42 dargestellt. Insgesamt kann mittels der Batterie- kapazität 40 und dem Batteriewiderstand 42 ein sekundärseiti ger Energiespeicher 44 bereitgestellt werden. In particular, the primary side 14 has an intermediate circuit capacity 38, which is coupled in particular to an energy storage network, which is not shown. Furthermore, a battery capacity 40 and a battery resistor 42 are shown on the secondary side. Overall, the battery capacity 40 and the battery resistor 42, a secondary-side energy storage device 44 are provided.
Die Primärseite 14 weist ferner einen primärseitigen Schwing kreis 46 auf. Der primärseitige Schwingkreis 46 ist insbeson dere durch einen primären Schwingkreiskondensator 48 und ei ner primären Schwingkreisinduktivität 50 gebildet. The primary side 14 also has an oscillating circuit 46 on the primary side. The primary-side resonant circuit 46 is in particular formed by a primary resonant circuit capacitor 48 and a primary resonant circuit inductance 50.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft den Gleichspannungswandler 10 mit der Primärseite 14 des Transformatorelements 12 und mit der Sekundärseite 16. Die Primärseite 14 weist die erste Gleichrichterschaltung 18 auf. Die Sekundärseite 16 weist die zweite Gleichrichterschaltung 20 auf. Ferner weist die Sekun därseite den sekundärseitigen Energiespeicher 44 auf. Zwi schen der Primärseite 14 und der Sekundärseite 16 ist das Transformatorelement 12 zum Übertragen von elektrischer Ener gie angeordnet. One aspect of the invention relates to the DC voltage converter 10 with the primary side 14 of the transformer element 12 and with the secondary side 16. The primary side 14 has the first rectifier circuit 18. The secondary side 16 has the second rectifier circuit 20. Furthermore, the secondary side has the secondary-side energy store 44. Between tween the primary side 14 and the secondary side 16, the transformer element 12 for transmitting electrical energy is arranged.
Es ist vorgesehen, dass die Sekundärseite 16 einen sekundären Schwingkreiskondensator 52 aufweist. It is provided that the secondary side 16 has a secondary resonant circuit capacitor 52.
Insbesondere werden dadurch die Induktivitäten gemäß dem Stand der Technik nicht mehr benötigt. Insbesondere ist der Gleichspannungswandler 10 als Induktorkombination mit Poten tialtrennung für den Gleichspannungswandler 10 bereitge stellt. Durch die Wahl einer neuen Wicklungskonfiguration im Transformatorelement 12 verbunden mit einem großen Luftspalt 58 lassen sich die für die Topologie notwendigen großen Seri eninduktivitäten in Form einer großen Streuung als auch die für den ZVS-Betrieb in Leerlaunähe geringe Parallelinduktivi tät in ein Bauelement, nämlich der Induktorkombination, in tegrieren. Durch die Kombination mit dem sekundären Schwing kreiskondensator 52 entsteht auch auf der Sekundärseite 16 ein vollresonantes System für eine bidirektionale Übertragung von elektrischer Energie. In particular, the inductances according to the prior art are no longer required as a result. In particular, the DC voltage converter 10 is provided as an inductor combination with potential separation for the DC voltage converter 10. By choosing a new winding configuration in the transformer element 12 combined with a large air gap 58, the large series inductances necessary for the topology in the form of a large spread and the low parallel inductivity for ZVS operation near no load can be incorporated into one component, namely the inductor combination , integrate. The combination with the secondary resonant circuit capacitor 52 also creates a fully resonant system on the secondary side 16 for bidirectional transmission of electrical energy.
Insbesondere wird beim Verfahren zum Betreiben des Gleich spannungswandlers 10 mit der Primärseite 14 des Transformato relements 12 und mit der Sekundärseite 16 des Transformato- relements 12 die Primärseite mit der ersten Gleichrichter schaltung 18 und dem primärseitigen Schwingkreis 46 bereitge stellt. Die Sekundärseite 16 wird mit der zweiten Gleichrich terschaltung 16 und mit dem sekundärseitigen Energiespeicher 44 bereitgestellt. Zwischen der Primärseite 14 und der Sekun därseite 16 wird elektrische Energie übertragen. In particular, in the method for operating the DC voltage converter 10 with the primary side 14 of the transformer element 12 and with the secondary side 16 of the transformer Relements 12, the primary side with the first rectifier circuit 18 and the primary-side resonant circuit 46 provides. The secondary side 16 is provided with the second rectifier circuit 16 and with the secondary-side energy store 44. Electrical energy is transmitted between the primary side 14 and the secondary side 16.
Es ist vorgesehen, dass mittels des sekundären Schwingkreis kondensators 52 der Sekundärseite 16 bidirektional elektri sche Energie von der Primärseite 14 zu der Sekundärseite 16 oder von der Sekundärseite 16 zu der Primärseite 14 übertra gen wird. It is provided that electrical energy is bidirectionally transmitted from the primary side 14 to the secondary side 16 or from the secondary side 16 to the primary side 14 by means of the secondary resonant circuit capacitor 52 of the secondary side 16.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die zweite Gleichrichter schaltung 20 als elektrische Vollbrücke ausgebildet ist. Fer ner kann eine primärseitige Wicklungsanzahl 54 des Transfor matorelements 12 gleich einer sekundärseitigen Wicklungszahl 56 des Transformatorelements 12 ausgebildet sein. In particular, it is provided that the second rectifier circuit 20 is designed as an electrical full bridge. Furthermore, a primary-side number of turns 54 of the transformer element 12 can be configured to be equal to a secondary-side number of turns 56 of the transformer element 12.
Ferner kann vorgesehen sein, dass auf der Primärseite 14 eine primäre Streuinduktivität 60 mit einem ersten Induktivitäts wert und auf der Sekundärseite 16 eine sekundäre Streuinduk tivität 62 mit einem zweiten Induktivitätswert angeordnet sind, wobei der erste Induktivitätswert und der zweite Induk tivitätswert gleich sind. It can also be provided that a primary leakage inductance 60 with a first inductance value and a secondary leakage inductance 62 with a second inductance value are arranged on the secondary side 16, the first inductance value and the second inductance value being the same.
Ferner kann vorgesehen sein, dass ein erster Kondensatorwert des primären Schwingkreiskondensators 48 des primärseitigen Schwingkreises 46 gleich einem zweiten Kondensatorwert des sekundären Schwingkreiskondensators 52 ist. Furthermore, it can be provided that a first capacitor value of the primary resonant circuit capacitor 48 of the primary-side resonant circuit 46 is equal to a second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor 52.
Insbesondere kann in dieser Ausprägungsform beispielsweise das Transformatorelement 12 primärseitig genauso viele Wick lungen wie sekundärseitig, also im Übertragungsverhältnis von 1:1, aufweisen, die primäre Streuinduktivität 60 ist dann insbesondere gleich der sekundären Streuinduktivität 62. Die Kopplung liegt dann sinnvollerweise in einem Bereich von 60 Prozent bis 80 Prozent. Die Eigenfrequenz der jeweiligen Seite und damit die jeweiligen Kondensatorwerte der Schwing- kreiskondensatoren 48, 52 können gleich gewählt werden oder sich unterscheiden, um im ersten Fall ähnliche und im zweiten Fall verschiedene Ein- und Ausgangsspannungsbereiche und Be reiche der Schaltfrequenz der Vollbrücken zu realisieren. In particular, in this embodiment, for example, the transformer element 12 can have as many windings on the primary side as on the secondary side, i.e. with a transmission ratio of 1: 1, the primary leakage inductance 60 is then in particular equal to the secondary leakage inductance 62. The coupling is then sensibly in a range of 60 Percent to 80 percent. The natural frequency of the respective side and thus the respective capacitor values of the vibration Circuit capacitors 48, 52 can be chosen to be the same or differ in order to achieve similar input and output voltage ranges and ranges of the switching frequency of the full bridges in the first case and different input and output voltage ranges in the second case.
In einer weiteren Ausprägung kann das Übersetzungsverhältnis des Transformatorelements 12 ungleich 1:1 gewählt werden. Das ist sinnvoll, wenn sich der sekundärseitige DC- Spannungsbereich deutlich vom primärseitigen unterscheidet. Mit anderen Worten wird die primärseitige Wicklungszahl 54 des Transformatorelements 12 ungleich der sekundärseitigen Wicklungszahl 56 des Transformatorelements 12 ausgebildet. Insbesondere kann dann vorgesehen sein, dass der zweite Kon densatorwert des sekundären Schwingkreiskondensators 52 dem Kondensatorwert des ersten Schwingkreiskondensators 48 des primärseitigen Schwingkreises 46 und einem Quotienten aus der primären Streuinduktivität 50 der Primärseite 14 und der zweiten Streuinduktivität 62 der Sekundärseite 14 ausgebildet ist . In a further embodiment, the transformation ratio of the transformer element 12 can be selected to be different from 1: 1. This is useful if the secondary-side DC voltage range differs significantly from the primary-side. In other words, the number of turns 54 on the primary side of the transformer element 12 is designed to be different from the number of turns 56 on the secondary side of the transformer element 12. In particular, it can then be provided that the second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor 52 is the capacitor value of the first resonant circuit capacitor 48 of the primary-side resonant circuit 46 and a quotient of the primary leakage inductance 50 of the primary side 14 and the second leakage inductance 62 of the secondary side 14.
Ferner kann insbesondere vorgesehen sein, dass der sekundäre Schwingkreiskondensator 52 als Serienkondensator ausgebildet ist. Dies ist in der Figur gezeigt. Alternativ kann auch vor gesehen sein, dass der sekundäre Schwingkreiskondensator 52 als Parallelkondensator ausgebildet ist. Furthermore, it can be provided in particular that the secondary resonant circuit capacitor 52 is designed as a series capacitor. This is shown in the figure. Alternatively, it can also be provided that the secondary resonant circuit capacitor 52 is designed as a parallel capacitor.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der primäre Schwingkreis kondensator 48 als Serienkondensator ausgebildet ist. Der primäre Schwingkreiskondensator 48 kann alternativ als Paral lelkondensator ausgebildet sein. Insbesondere kann dadurch der bidirektionale Betrieb und der Charakter des Resonanz wandlers, der durch Variation der Schaltfrequenz der ein gangsseitigen Vollbrücke die Ausgangsspannung stellt, dabei erhalten bleiben. Furthermore, it can be provided that the primary resonant circuit capacitor 48 is designed as a series capacitor. The primary resonant circuit capacitor 48 can alternatively be designed as a Paral lelkondensator. In particular, the bidirectional operation and the character of the resonance converter, which provides the output voltage by varying the switching frequency of the full bridge on the input side, can thereby be retained.
Ferner kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zum sekundären Schwingkreiskondensator 52 eine serielle Induktivität, welche in der vorliegenden Figur nicht gezeigt ist, geschaltet ist. Dadurch ist es möglich, den bidirektionalen Resonanzwandler, mit anderen Worten den Gleichspannungswandler 10, mit einem klassischen Transformator aufzubauen. Hierzu wird dann zu sätzlich zu dem neu eingeführten sekundären Schwingkreiskon densator 52 die serielle Induktivität, insbesondere eine se- rielle Drossel, benötigt. Furthermore, it can be provided that in addition to the secondary resonant circuit capacitor 52, a series inductance, which is not shown in the present figure, is connected. This makes it possible to use the bidirectional resonance converter, in other words, build the DC / DC converter 10 with a conventional transformer. For this purpose, in addition to the newly introduced secondary resonant circuit capacitor 52, the serial inductance, in particular a serial choke, is required.
Insgesamt zeigt die Figur ein neuartiges Aufbaukonzept, bei dem zusätzlichen Einfügen des sekundären Schwingkreiskonden sators 52 auf der Sekundärseite 16 des Transformatorelements 12 und einer aktiven Gleichrichtung auf der Sekundärseite 16 ein vollresonantes bidirektionales Übertragungssystem entste hen kann. Overall, the figure shows a novel structural concept in which the additional insertion of the secondary resonant circuit capacitor 52 on the secondary side 16 of the transformer element 12 and an active rectification on the secondary side 16, a fully resonant bidirectional transmission system can arise.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 Gleichspannungswandler 10 DC / DC converters
12 Transformatorelement 12 transformer element
14 Primärseite 14 primary side
16 Sekundärseite 16 secondary side
18 erste Gleichrichterschaltung 18 first rectifier circuit
20 zweite Gleichrichterschaltung 20 second rectifier circuit
22 erster MOSFET 22 first MOSFET
24 zweiter MOSFET 24 second MOSFET
26 dritter MOSFET 26 third MOSFET
28 vierter MOSFET 28 fourth MOSFET
30 fünfter MOSFET 30 fifth MOSFET
32 sechster MOSFET 32 sixth MOSFET
34 siebter MOSFET 34 seventh MOSFET
36 achter MOSFET 36 eighth MOSFET
38 Zwischenkreiskapazität 38 DC link capacitance
40 Batteriekapazität 40 battery capacity
42 Batteriewiederstand 42 Battery resistance
44 sekundärseitiger Energiespeicher 44 secondary-side energy storage
46 primärseitiger Schwingkreis 46 primary-side oscillating circuit
48 primärer Schwingkreiskondensator 48 primary resonant circuit capacitor
50 primäre Schwingkreisinduktivität50 primary resonant circuit inductance
52 sekundärer Schwingkreiskondensator52 secondary resonant circuit capacitor
54 primärseitige Wicklungszahl 54 number of turns on primary side
56 sekundärseitige Wicklungszahl 56 number of turns on the secondary side
58 Luftspalt 58 air gap
60 primäre Streuinduktivität 60 primary leakage inductance
62 sekundäre Streuinduktivität 62 secondary leakage inductance

Claims

Patentansprüche Claims
1. Gleichspannungswandler (10) mit einer Primärseite (14) ei nes Transformatorelements (12) des Gleichspannungswandlers (10) und mit einer Sekundärseite (16) des Transformatorele ments (12), wobei die Primärseite (14) eine erste Gleichrich terschaltung (18) und einen primarseitigen Schwingkreis (46) und die Sekundärseite (16) eine zweite Gleichrichterschaltung (20) und einen sekundärseitigen Energiespeicher (44) aufwei sen, und wobei zwischen der Primärseite (14) und der Sekun därseite (16) das Transformatorelement (12) zum Übertragen von elektrischer Energie angeordnet ist, wobei die Sekundär seite (16) einen sekundären Schwingkreiskondensator (52) auf weist, 1. DC voltage converter (10) with a primary side (14) egg nes transformer element (12) of the DC voltage converter (10) and with a secondary side (16) of the Transformatorele element (12), the primary side (14) having a first rectifier circuit (18) and a primary-side resonant circuit (46) and the secondary side (16) a second rectifier circuit (20) and a secondary-side energy store (44) aufwei sen, and wherein between the primary side (14) and the secondary side (16) the transformer element (12) to Transferring electrical energy is arranged, wherein the secondary side (16) has a secondary resonant circuit capacitor (52),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
in dem Transformatorelement (12) eine Serieninduktivität für eine Streuung und eine Parallelinduktivität für einen ZVS- Betrieb in einer Leerlaufnähe integriert sind, so dass eine Induktorkombination ausgebildet ist. In the transformer element (12) a series inductance for a leakage and a parallel inductance for a ZVS operation are integrated in an open circuit, so that an inductor combination is formed.
2. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die zweite Gleichrichterschaltung (20) als elektrische Vollbrücke ausgebildet ist. 2. DC voltage converter (10) according to claim 1, characterized in that the second rectifier circuit (20) is designed as an electrical full bridge.
3. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine primärseitige Wicklungsan zahl (54) des Transformatorelements (12) gleich einer sekun därseitigen Wicklungsanzahl (56) des Transformatorelements (12) ausgebildet ist. 3. DC voltage converter (10) according to claim 1 or 2, characterized in that a primary-side Wicklungsan number (54) of the transformer element (12) is formed equal to a secondary-side number of windings (56) of the transformer element (12).
4. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass auf der Primärseite (14) eine primäre Streuinduktivität (60) mit einem ersten Induktivitätswert und auf der Sekundärseite (16) eine sekundäre Streuinduktivität (62) mit einem zweiten Induktivitätswert angeordnet sind, wo bei der erste Induktivitätswert und der zweite Induktivitäts wert gleich sind. 4. DC voltage converter (10) according to claim 3, characterized in that a primary leakage inductance (60) with a first inductance value and on the secondary side (16) a secondary leakage inductance (62) with a second inductance value are arranged on the primary side (14) , where at the first inductance value and the second inductance value are equal.
5. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kondensatorwert eines primären Schwingkreiskondensators (48) des primärseitigen Schwingkreises (46) gleich einem zweiten Kondensatorwert des sekundären Schwingkreiskondensators (52) ist. 5. DC voltage converter (10) according to claim 3 and / or 4, characterized in that a first capacitor value of a primary resonant circuit capacitor (48) of the primary-side resonant circuit (46) is equal to a second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor (52).
6. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine primärseitige Wicklungsan zahl (54) des Transformatorelements (12) ungleich einer se kundärseitigen Wicklungsanzahl (56) des Transformatorelements (12) ausgebildet ist. 6. DC voltage converter (10) according to claim 1 or 2, characterized in that a primary-side Wicklungsan number (54) of the transformer element (12) is formed unequal to a secondary secondary-side number of windings (56) of the transformer element (12).
7. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, dass ein zweiter Kondensatorwert des sekundären Schwingkreiskondensators (52) als Produkt aus einem ersten Kondensatorwert eines ersten Schwingkreiskondensators (48) des primärseitigen Schwingkreises (46) und einem Quotienten aus einer primären Streuinduktivität (60) der Primärseite (14) und einer zweiten Streuinduktivität (62) der Sekundär seite (16) ausgebildet ist. 7. DC voltage converter (10) according to claim 6, characterized in that a second capacitor value of the secondary resonant circuit capacitor (52) as the product of a first capacitor value of a first resonant circuit capacitor (48) of the primary-side resonant circuit (46) and a quotient of a primary leakage inductance ( 60) the primary side (14) and a second leakage inductance (62) of the secondary side (16) is formed.
8. Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der sekun däre Schwingkreiskondensator (52) als Serienkondensator aus gebildet ist. 8. DC voltage converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least the secondary resonant circuit capacitor (52) is formed as a series capacitor.
9. Gleichspannungswandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der sekundäre 9. DC voltage converter (10) according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least the secondary
Schwingkreiskondensator (52) als Parallelkondensator ausge bildet ist. Resonant circuit capacitor (52) is formed out as a parallel capacitor.
10. Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum sekun dären Schwingkreiskondensator (52) eine serielle Induktivität geschaltet ist. 10. DC voltage converter (10) according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to the secondary resonant circuit capacitor (52), a series inductance is connected.
11. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (10) mit einer Primärseite (14) eines Transformatorelements (12) des Gleichspannungswandlers (10) und mit einer Sekundär- seite (16) des Transformatorelements (12), wobei die Primär seite (14) mit einer ersten Gleichrichterschaltung (18) und einem primarseitigen Schwingkreis (46) und die Sekundärseite (16) mit einer zweiten Gleichrichterschaltung (20) und einem sekundärseitigen Energiespeicher (44) bereitgestellt werden und wobei zwischen der Primärseite (14) und der Sekundärseite (16) elektrische Energie übertragen wird, wobei mittels eines sekundären Schwingkreiskondensators (52) der Sekundärseite (16) bidirektional elektrische Energie von der Primärseite (14) zu der Sekundärseite (16) oder von der Sekundärseite11. A method for operating a DC voltage converter (10) with a primary side (14) of a transformer element (12) of the DC voltage converter (10) and with a secondary side (16) of the transformer element (12), the primary side (14) with a first rectifier circuit (18) and a primary-side resonant circuit (46) and the secondary side (16) with a second rectifier circuit (20) and a secondary-side energy store (44 ) are provided and wherein electrical energy is transmitted between the primary side (14) and the secondary side (16), with bidirectional electrical energy from the primary side (14) to the secondary side (16) by means of a secondary resonant circuit capacitor (52) of the secondary side (16) or from the secondary side
(16) zu der Primärseite (14) übertragen wird, (16) is transmitted to the primary side (14),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
in dem Transformatorelement (12) eine Streuinduktivität für eine Streuung und eine Parallelinduktivität für einen ZVS- Betrieb in einer Leerlaufnähe integriert wird, so dass eine Induktorkombination ausgebildet wird. In the transformer element (12) a leakage inductance for a leakage and a parallel inductance for a ZVS operation is integrated in a no-load proximity, so that an inductor combination is formed.
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