EP4128510A1 - Gleichspannungskonverter - Google Patents

Gleichspannungskonverter

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EP4128510A1
EP4128510A1 EP21701498.4A EP21701498A EP4128510A1 EP 4128510 A1 EP4128510 A1 EP 4128510A1 EP 21701498 A EP21701498 A EP 21701498A EP 4128510 A1 EP4128510 A1 EP 4128510A1
Authority
EP
European Patent Office
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switching element
connection
voltage
transformer
voltage converter
Prior art date
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Pending
Application number
EP21701498.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Emiliano GUDINO CARRIZALES
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • B60L15/007—Physical arrangements or structures of drive train converters specially adapted for the propulsion motors of electric vehicles
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Definitions

  • the present invention relates to a DC voltage converter, in particular a DC voltage converter for transferring energy between a high-voltage network and a low-voltage network.
  • traction battery which provides electrical energy to drive the vehicle.
  • traction batteries usually have an output voltage of several hundred volts, for example 400 volts.
  • the vehicles have a so-called low-voltage network to which other consumers, such as lighting, auxiliary drives, on-board computers or the like, are connected.
  • the low-voltage network of a vehicle is usually fed with electrical energy from the high-voltage network. This requires a conversion of the electrical voltage upstream of the high-voltage network to the voltage level of the low-voltage network.
  • the document DE102016220 679 A1 discloses a DC voltage converter and a method for controlling a DC voltage converter with a so-called phase-shift full-brigde DC voltage converter.
  • this document proposes reducing the number of lossy switching operations by suitably controlling the DC-DC converter. Disclosure of the invention
  • the present invention discloses a DC voltage converter, in particular a DC voltage converter for transferring energy between a high-voltage network and a low-voltage network with the features of independent claim 1. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • a DC converter for transferring energy between a high-voltage network and a low-voltage network.
  • the DC voltage converter comprises an input connection, a transformer, a first switching element, a second switching element, a third switching element, a fourth switching element and a capacitor.
  • the input connection is designed to be coupled to a DC voltage source.
  • the transformer has a primary side and a secondary side. A first connection on the primary side of the transformer is connected to a first connection element of the first input connection. A first connection of the first switching element is connected to a second connection on the primary side of the transformer. A second connection of the first switching element is connected to a second connection element of the input connection. A first connection of the second switching element is connected to the first connection of the primary side of the transformer.
  • a second connection of the second switching element is connected to a node.
  • a first connection of the capacitor is connected to the node.
  • a second connection of the capacitor is connected to the second connection of the primary side of the transformer.
  • a first connection of the third switching element is connected to the node.
  • a second connection of the third switching element is connected to a first connection of the fourth switching element.
  • a second connection of the fourth switching element is connected to the second connection of the input connection.
  • the present invention is based on the knowledge that a low-voltage network of an electric or hybrid vehicle usually uses energy is fed by a high-voltage network. This usually requires galvanic separation between the high-voltage network and the low-voltage network.
  • the present invention is based on the knowledge that the performance and, in particular, the battery capacity of electrically powered vehicles increase as the vehicle continues to develop. In this context, traction batteries with a higher output voltage are increasingly being used.
  • DC voltage converters are also required that have sufficient dielectric strength. According to this, DC converters are also desirable, which can be used over an input voltage range that is as wide as possible.
  • the following invention creates a circuit concept for a DC voltage converter for coupling a high-voltage network with a low-voltage network, which has a very simple circuit topology.
  • the DC voltage converter can convert the input DC voltage into a specified output DC voltage over a very large input voltage range.
  • the circuit concept according to the invention makes it possible, in particular with high DC input voltages, to ensure adequate dielectric strength even with conventional components. Due to the relatively simple circuit topology, the DC converter can be implemented particularly inexpensively. Furthermore, the DC voltage converter according to the invention also only requires a relatively small installation space.
  • the DC voltage converter comprises a rectifier.
  • the rectifier is coupled to the secondary connection of the transformer.
  • the rectifier is designed to rectify a voltage applied to the secondary connection of the transformer.
  • the rectified voltage can then be provided at an output connection of the DC voltage converter.
  • the rectification of the electrical voltage at the secondary connection of the transformer can take place in any way using an active or passive rectifier. By means of the transformer and subsequent rectification, it is thus possible to implement a galvanically separated energy transfer from the high-voltage network to the low-voltage network.
  • the rectifier comprises a rectifier diode.
  • the rectifier can also comprise a semiconductor switch, in particular with a rectifier diode provided in parallel with the semiconductor switch.
  • the semiconductor switch can be activated actively, with the activation of the semiconductor switch causing the electrical voltage on the secondary side of the transformer to be rectified.
  • a rectifier diode can be used to achieve particularly inexpensive rectification.
  • the first switching element, the second switching element, the third switching element and the fourth switching element each comprise a semiconductor switch.
  • a diode in particular a so-called body diode, can be provided in parallel with each semiconductor switch.
  • the semiconductor switch can be, for example, a transistor, in particular a bipolar transistor with an insulated gate connection (IGBT).
  • IGBT insulated gate connection
  • any other semiconductor switches such as MOSFET or silicon carbide switches, are also possible.
  • the diode which is provided in parallel with the third switching element is arranged opposite to the diode which is provided in parallel with the fourth switching element. In this way it can be ensured that an electrical interruption can also take place in the path with the third and fourth switching elements.
  • the DC voltage converter comprises a control device.
  • the control device can be designed to control the first switching element, the second switching element, the third switching element and the fourth switching element.
  • the control device if in the rectifier of the DC voltage converter, can have an active switching element is provided to also control this switching element of the DC voltage converter. In this way, the activation of the individual switching elements can be specifically synchronized.
  • the control device is designed to open the third switching element and the fourth switching element in a first operating mode and to actuate the first switching element and the second switching element in alternating cycles. Furthermore, in a second operating mode, the control device can open the first switching element and close the fourth switching element. In addition, in a second operating mode, the second switching element and the third switching element can each be actuated alternately in a clocked manner. In this way, a DC voltage conversion between the high-voltage side and the low-voltage side can be carried out in the first operating mode on the basis of a so-called flyback converter, in particular an active-clamp flyback converter, and with the same circuit topology in a further operating mode, the circuit can be used as an active-clamp buck converter operate. In this way, suitable control of the DC-DC converter can take place over a large voltage range.
  • an input voltage at the input connection of the DC voltage converter for the control in the second operating mode is higher than the input voltage for the control in the first operating mode.
  • a suitable operating mode for the DC voltage conversion can be selected, for example, by means of the control device for controlling the individual switching elements.
  • FIG. 1 a block diagram of a DC voltage converter according to an embodiment
  • FIG. 2 a block diagram of a DC voltage converter according to an embodiment in a first operating mode
  • FIG. 3 a block diagram of a DC voltage converter according to an embodiment in a second operating mode.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a block diagram of a DC voltage converter 1 according to an embodiment.
  • the DC voltage converter 1 can be connected on the input side to a high-voltage network 2, for example.
  • the DC voltage converter 1 can be connected to a low-voltage network 3, for example.
  • the DC voltage converter 1 can have an input connection 10, for example.
  • an input connection 10 for example, electrical energy from a traction battery of an electric vehicle can be provided.
  • an electrical voltage U Jn is applied to the input connection 10.
  • the DC voltage converter 1 can convert this input voltage U Jn into a further electrical DC voltage and provide it as an output DC voltage U_out at an output terminal 30.
  • the DC voltage converter 1 comprises, in addition to the input connection 10 and the output connection 30, a transformer T.
  • the transformer T has a primary side Pri and a secondary side Sek. Furthermore, the DC voltage converter 1 has four switching elements S1, S2, S3 and S4 between the input connection 10 and the primary side Pri of the transformer T and a capacitor C on.
  • a rectifier 40 is provided on the secondary side Sek of the transformer T.
  • the input connection 10 of the DC voltage converter 1 comprises a first connection element 11 and a second connection element 12.
  • a corresponding input DC voltage UJn can be provided between the first connection element 11 and the second connection element 12.
  • the first connection 11 of the input connection 10 is connected to a first connection 21 on the primary side Pri of the transformer T.
  • a first switching element S1 is arranged between a second connection 22 on the primary side Pri of the transformer T and the second connection element 12 of the input connection 10.
  • a second switching element S2 is arranged between the first connection 21 on the primary side Pri of the transformer T and a node point K.
  • a capacitor C is arranged between the node K and the second connection 22 on the primary side Pri of the transformer T.
  • a first connection of a third switching element S3 is connected to the node K and a second connection of the third switching element S3 is connected to a first connection of a fourth switching element S4.
  • the second connection of the fourth switching element S4 is connected to the second connection element 12 of the input connection 10 and thus also to the corresponding connection of the first switching element S1.
  • a rectifier 40 is provided between the secondary side Sek of the transformer T and the output connection 30 of the DC voltage converter 1.
  • the rectifier 40 can be, for example, a passive diode which is provided between a connection on the secondary side Sek of the transformer T and a connection element of the output connection 30.
  • active rectification can also take place by means of a switching element S5, in particular a semiconductor switching element, which is arranged between a connection on the secondary side Sek of the transformer T and a connection element of the output connection 30.
  • a control device 50 can be provided to control the switching elements, in particular the first, second, third and fourth switching elements S1-S4, and optionally the switching element in the rectifier 40. The functional principle and the switching sequence for controlling the switching elements are explained in more detail below.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of the DC voltage converter 1 in a first operating mode.
  • the DC voltage converter 1 can in particular be operated as a so-called active-clamp flyback converter.
  • the third switching element S3 and the fourth switching element S4 are open in this first operating mode.
  • the third switching element S3 and the fourth switching element S4 are therefore not shown here.
  • the transformer T is magnetized by closing the first switching element S1.
  • the second switching element S2 together with the capacitor C forms a clamping circuit.
  • the first switching element S1 and the second switching element S2 are activated alternately. By adapting the frequency and / or pulse width, the energy transfer, in particular the output voltage, can be regulated.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of the DC voltage converter 1 in a second operating mode.
  • the DC voltage converter 1 works as a galvanically isolated activ-clamp buck converter.
  • the first switching element S1 is permanently open and is therefore not shown in FIG.
  • the fourth switching element S4 is permanently closed in this operating mode.
  • the third switching element S3 magnetizes the transformer T.
  • the clamping circuit consists of the second switching element S2 and the capacitor C.
  • the second switching element S2 and the third switching element S3 cycle alternately with a predetermined frequency and pulse width.
  • the rectifier 40 is designed as a simple, unidirectional rectifier, it is important for the configuration of the circuit arrangement of the DC voltage converter 1 requires that the transformer T is magnetized in the same direction both in the first operating mode and in the second operating mode. This task of magnetizing is taken over by the first switching element S1 in the first operating mode and the third switching element S3 in the second operating mode. In both cases, the transformer T is demagnetized when the energy is transferred to the secondary side Sek of the transformer T. This takes place when the first switching element S1 and the third switching element S3 are switched off and the second switching element S2 is switched on accordingly.
  • the first switching element S1 experiences a voltage load which results from the sum of the input voltage U Jn and the product of the output voltage U_out and the transmission ratio of the transformer T.
  • the first switching element S1 must therefore have a correspondingly high dielectric strength.
  • the maximum voltage load on the switching elements is only specified by the maximum input voltage U Jn.
  • the second operating mode is therefore suitable for higher input voltages U Jn, while the first operating mode can be preferred for the lower input voltages U Jn.
  • the described circuit arrangement for a DC voltage converter 1 can thus be used, for example, for traction batteries with a relatively low voltage level, for example voltages up to 500 volts.
  • a DC voltage conversion with higher input voltages for example above 500 volts up to 800 or possibly 1000 volts, the same DC voltage converter 1 can be operated in the second operating mode.
  • a simple and inexpensive DC voltage conversion for input DC voltage over a large voltage range is thus possible with relatively little circuit complexity.
  • the present invention relates to a DC / DC converter for transferring energy from a high-voltage network to a Low voltage network.
  • a simple circuit configuration is proposed which can alternatively be operated as an active-clamp flyback converter or an active-clamp buck converter.

Landscapes

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

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler zur Energieübertragung von einem Hochvoltnetz in ein Niedervoltnetz. Hierzu wird eine Schaltungskonfiguration eingesetzt, welche alternativ als Activ-clamp Flyback-Konverter oder Active-clamp Buck-Konverter betrieben werden kann.

Description

Titel
GLEICHSPANNUNGSKONVERTER
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungskonverter, insbesondere einen Gleichspannungskonverter zur Energieübertragung zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz.
Stand der Technik
Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen in der Regel über eine sogenannte Traktionsbatterie, welche elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeuges bereitstellt. Derartige Traktionsbatterien haben in der Regel eine Ausgangsspannung von mehreren hundert Volt, beispielsweise 400 Volt. Darüber hinaus verfügen die Fahrzeuge über ein sogenanntes Niedervoltnetz, an welches weitere Verbraucher, wie zum Beispiel Beleuchtung, Hilfsantriebe, Bordcomputer oder ähnliches angeschlossen sind. Dabei wird das Niedervoltnetz eines Fahrzeugs in der Regel von elektrischer Energie aus dem Hochvoltnetz gespeist. Hierzu ist eine Konvertierung der elektrischen Spannung vor dem Hochvoltnetz auf das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes erforderlich. Darüber hinaus muss in der Regel auch eine galvanische Trennung zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz erfolgen.
Die Druckschrift DE102016220 679 Al offenbart einen Gleichspannungswandler und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers mit einem sogenannten Phase-shift Full-brigde Gleichspannungswandler. Insbesondere schlägt diese Druckschrift vor, die Anzahl der verlustbehafteten Schaltvorgänge durch geeignetes Ansteuern des Gleichspannungswandlers zu reduzieren. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart einen Gleichspannungskonverter, insbesondere einen Gleichspannungskonverter zu Energieübertragung zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Gleichspannungskonverter zur Energieübertragung zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz. Der Gleichspannungskonverter umfasst einen Eingangsanschluss, einen Transformator, ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement und einen Kondensator. Der Eingangsanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer Gleichspannungsquelle gekoppelt zu werden. Der Transformator weist eine Primärseite und eine Sekundärseite auf. Ein erster Anschluss der Primärseite des Transformators ist mit einem ersten Anschlusselement des ersten Eingangsanschlusses verbunden. Ein erster Anschluss des ersten Schaltelements ist mit einem zweiten Anschluss der Primärseite des Transformators verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements ist mit einem zweiten Anschlusselement des Eingangsanschlusses verbunden. Ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements ist mit dem ersten Anschluss der Primärseite des Transformators verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements ist mit einem Knotenpunkt verbunden. Ein erster Anschluss des Kondensators ist mit dem Knotenpunkt verbunden. Ein zweiter Anschluss des Kondensators ist mit dem zweiten Anschluss der Primärseite des Transformators verbunden. Ein erster Anschluss des dritten Schaltelements ist mit dem Knotenpunkt verbunden. Ein zweiter Anschluss des dritten Schaltelements ist mit einem ersten Anschluss des vierten Schaltelements verbunden. Schließlich ist ein zweiter Anschluss des vierten Schaltelements mit dem zweiten Anschluss des Eingangsanschlusses verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Niedervoltnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges in der Regel mittels Energie von einem Hochvoltnetz gespeist wird. Hierzu ist üblicherweise eine galvanische Trennung zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz erforderlich. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass mit fortschreitender Weiterentwicklung der Fahrzeuge die Leistung und insbesondere auch die Batteriekapazität von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen steigen. In diesem Zusammenhang werden zunehmend auch Traktionsbatterien mit einer höheren Ausgangsspannung eingesetzt. Somit sind zur Kopplung zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz auch Gleichspannungswandler erforderlich, die über eine ausreichende Spannungsfestigkeit verfügen. Danach sind auch Gleichspannungskonverter wünschenswert, welche über einen möglichst weiten Eingangsspannungsbereich eingesetzt werden können.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Gleichspannungskonverter zu schaffen, welcher die oben genannten Anforderungen erfüllen kann. Hierzu schafft es die folgende Erfindung ein Schaltungskonzept für einen Gleichspannungskonverter zur Kopplung eines Hochvoltnetzes mit einem Niedervoltnetz, der über eine sehr einfache Schaltungstopologie verfügt. Der Gleichspannungskonverter kann über einen sehr großen Eingangsspannungsbereich hinweg die Eingangsgleichspannung in eine vorgegebene Ausgangsgleichspannung konvertieren. Das erfindungsgemäße Schaltungskonzept ermöglicht es insbesondere bei hohen Eingangsgleichspannungen auch mit konventionellen Bauelementen eine ausreichende Spannungsfestigkeit zu gewährleisten. Aufgrund der relativ einfachen Schaltungstopologie kann der Gleichspannungskonverter besonders kostengünstig realisiert werden. Ferner erfordert der erfindungsgemäße Gleichspannungskonverter auch nur einen relativ geringen Bauraum.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungskonverter einen Gleichrichter. Der Gleichrichter ist mit dem Sekundäranschluss des Transformators gekoppelt. Ferner ist der Gleichrichter dazu ausgelegt, eine am Sekundäranschluss des Transformators anliegende Spannung gleichzurichten. Die gleichgerichtete Spannung kann daraufhin an einem Ausgangsanschluss des Gleichspannungskonverters bereitgestellt werden. Das Gleichrichten der elektrischen Spannung am Sekundäranschluss des Transformators kann auf beliebige Weise mittels eines aktiven oder passiven Gleichrichters erfolgen. Mittels des Transformators und anschließender Gleichrichtung ist es somit möglich, eine galvanisch getrennte Energieübertragung aus dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz zu realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichrichter eine Gleichrichterdiode. Alternativ kann der Gleichrichter auch einen Halbleiterschalter, insbesondere mit parallel zu dem Halbleiterschalter vorgesehener Gleichrichterdiode, umfassen. Der Halbleiterschalter kann in diesem Falle aktiv angesteuert werden, wobei durch das Ansteuern des Halbleiterschalters eine Gleichrichtung der elektrischen Spannung auf der Sekundärseite des Transformators erfolgt. Durch eine solche aktive Gleichrichtung mittels eines Halbleiterschalters kann die Verlustleistung reduziert und somit die Effizienz gesteigert werden. Alternativ kann durch eine Gleichrichterdiode eine besonders kostengünstige Gleichrichtung realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement jeweils einen Halbleiterschalter. Insbesondere kann parallel zu jedem Halbleiterschalter eine Diode, insbesondere eine sogenannte Bodydiode vorgesehen sein. Bei dem Halbleiterschalter kann es sich beispielsweise um einen Transistor, insbesondere eine bipolaren Transistor mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) handeln. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Halbleiterschalter, wie zum Beispiel MOSFET oder Siliziumkarbidschalter, möglich.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Diode, welche parallel zu dem dritten Schaltelement vorgesehen ist entgegengesetzt zu der Diode, welche parallel zu dem vierten Schaltelement vorgesehen ist, angeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass in dem Pfad mit dem dritten und vierten Schaltelement auch eine elektrische Unterbrechung erfolgen kann.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungskonverter eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement anzusteuern. Ferner kann die Steuereinrichtung, sofern in dem Gleichrichter des Gleichspannungskonverters ein aktives Schaltelement vorgesehen ist, auch dieses Schaltelement des Gleichspannungskonverters ansteuern. Auf diese Weise kann das Ansteuern der einzelnen Schaltelemente gezielt synchronisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement zu öffnen und das erste Schaltelement sowie das zweite Schaltelement jeweils abwechselnd getaktet anzusteuern. Ferner kann die Steuereinrichtung in einem zweiten Betriebsmodus das erste Schaltelement öffnen und das vierte Schaltelement schließen. Darüber hinaus können in einem zweiten Betriebsmodus das zweite Schaltelement sowie das dritte Schaltelement jeweils abwechselnd getaktet angesteuert werden. Auf diese Weise kann in den ersten Betriebsmodus eine Gleichspannungswandlung zwischen der Hochvoltseite und der Niedervoltseite auf Grundlage eines sogenannten Flyback- Konverters insbesondere eines Active-clamp Flyback-Wandlers erfolgen und mit derselben Schaltungstopologie in einem weiteren Betriebsmodus kann die Schaltung als Active-clamp Buck- Konverter betrieben werden. Hierdurch kann über einen großen Spannungsbereich hinweg jeweils eine geeignete Ansteuerung des Gleichspannungswandlers erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Eingangsspannung am Eingangsanschluss des Gleichspannungskonverters für das Ansteuern im zweiten Betriebsmodus höher, als die Eingangsspannung für das Ansteuern im ersten Betriebsmodus. Die Auswahl eines jeweils geeigneten Betriebsmodus für die Gleichspannungswandlung kann beispielsweise mittels der Steuereinrichtung für das Ansteuern der einzelnen Schaltelemente erfolgen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: ein Blockschaubild eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: e in Blockschaubild eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform in einem ersten Betriebsmodus; und
Figur 3: ein Blockschaubild eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform in einem zweiten Betriebsmodus.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Gleichspannungskonverters 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungskonverter 1 kann eingangsseitig beispielsweise mit einem Hochvoltnetz 2 verbunden sein. Ausgangsseitig kann der Gleichspannungskonverter 1 beispielsweise mit einem Niedervoltnetz 3 verbunden sein. Zum Anschluss an das Hochvoltnetz kann der Gleichspannungskonverter 1 beispielsweise einen Eingangsanschluss 10 aufweisen. An diesem Eingangsanschluss 10 kann beispielsweise elektrische Energie von einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt werden. Entsprechend liegt an dem Eingangsanschluss 10 eine elektrische Spannung U Jn an. Der Gleichspannungskonverter 1 kann diese Eingangsspannung U Jn in eine weitere elektrische Gleichspannung konvertieren und als Ausgangsgleichspannung U_out an einem Ausgangsanschluss 30 bereitstellen.
Der Gleichspannungskonverter 1 umfasst neben dem Eingangsanschluss 10 und dem Ausgangsanschluss 30 einen Transformator T. Der Transformator T weist eine Primärseite Pri und eine Sekundärseite Sek auf. Weiterhin weist der Gleichspannungskonverter 1 zwischen dem Eingangsanschluss 10 und der Primärseite Pri des Transformators T vier Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4 sowie einen Kondensator C auf. Auf der Sekundärseite Sek des Transformators T ist ein Gleichrichter 40 vorgesehen.
Der Eingangsanschluss 10 des Gleichspannungskonverters 1 umfasst ein erstes Anschlusselement 11 und ein zweites Anschlusselement 12. Zwischen dem ersten Anschlusselement 11 und dem zweiten Anschlusselement 12 kann entsprechend eine Eingangsgleichspannung UJn bereitgestellt werden. Der erste Anschluss 11 des Eingangsanschlusses 10 ist mit einem ersten Anschluss 21 auf der Primärseite Pri des Transformators T verbunden. Zwischen einem zweiten Anschluss 22 auf der Primärseite Pri des Transformators T und dem zweiten Anschlusselement 12 des Eingangsanschluss 10 ist ein erstes Schaltelement S1 angeordnet. Weiterhin ist zwischen dem ersten Anschluss 21 auf der Primärseite Pri des Transformators T und einem Knotenpunkt K ein zweites Schaltelement S2 angeordnet. Zwischen dem Knotenpunkt K und dem zweiten Anschluss 22 auf der Primärseite Pri des Transformators T ist ein Kondensator C angeordnet. Darüber hinaus ist ein erster Anschluss eines dritten Schaltelements S3 mit dem Knotenpunkt K verbunden und ein zweiter Anschluss des dritten Schaltelements S3 ist mit einem ersten Anschluss eines vierten Schaltelements S4 verbunden. Der zweite Anschluss des vierten Schaltelements S4 ist mit dem zweiten Anschlusselement 12 des Eingangsanschluss 10 und somit auch mit dem entsprechenden Anschluss des ersten Schaltelements S1 verbunden.
Wie oben bereits angeführt, ist zwischen der Sekundärseite Sek des Transformators T und dem Ausgangsanschluss 30 des Gleichspannungskonverters 1 ein Gleichrichter 40 vorgesehen. Bei dem Gleichrichter 40 kann es sich beispielsweise um eine passive Diode handeln, welche zwischen einem Anschluss auf der Sekundärseite Sek des Transformators T und einem Anschlusselement des Ausgangsanschluss 30 vorgesehen ist. Alternativ kann auch eine aktive Gleichrichtung mittels eines Schaltelements S5, insbesondere eines Halbleiterschaltelements erfolgen, welches zwischen einem Anschluss auf der Sekundärseite Sek des Transformators T und einem Anschlusselement des Ausgangsanschlusses 30 angeordnet ist. Zur Ansteuerung der Schaltelemente, insbesondere des ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelements S1-S4, sowie gegebenenfalls des Schaltelements in dem Gleichrichter 40 kann eine Steuereinrichtung 50 vorgesehen sein. Das Funktionsprinzip sowie die Schaltfolge für das Ansteuern der Schaltelemente werden nachfolgend näher erläutert.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds des Gleichspannungskonverters 1 in einem ersten Betriebsmodus. In diesem ersten Betriebsmodus kann der Gleichspannungskonverter 1 insbesondere als sogenannter Activ-clamp Flyback- Konverter betrieben werden. Dabei sind in diesem ersten Betriebsmodus das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 geöffnet. Zum besseren Verständnis sind daher das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 hier nicht dargestellt. Durch das Schließen des ersten Schaltelements S1 wird der Transformator T aufmagnetisiert. Das zweite Schaltelement S2 bildet hierbei gemeinsam mit dem Kondensator C eine Clamping-Schaltung. Im weiteren Verlauf werden das erste Schaltelement S1 und das zweite Schaltelement S2 abwechselnd angesteuert. Durch Anpassen der Frequenz und/oder Pulsbreite kann hierbei eine Regelung der Energieübertragung insbesondere der Ausgangsspannung erfolgen.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds des Gleichspannungskonverters 1 in einem zweiten Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus arbeitet der Gleichspannungskonverter 1 als galvanisch getrennter Activ-clamp Buck- Konverter. Dabei ist das erste Schaltelement S1 permanent geöffnet und daher in Figur 3 nicht dargestellt. Weiterhin ist das vierte Schaltelement S4 in diesem Betriebsmodus permanent geschlossen.
Das dritte Schaltelement S3 magnetisiert den Transformator T auf. Auch in diesem Fall besteht die Clamping-Schaltung aus dem zweiten Schaltelement S2 und dem Kondensator C. In dem zweiten Betriebsmodus takten das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 abwechselnd mit einer vorgegebenen Frequenz und Pulsbreite.
Insbesondere da der Gleichrichter 40 als einfacher, unidirektionaler Gleichrichter ausgeführt ist, ist es für die Konfiguration der Schaltungsanordnung des Gleichspannungskonverters 1 erforderlich, dass sowohl in dem ersten Betriebsmodus als auch im zweiten Betriebsmodus die Aufmagnetisierung des Transformators T jeweils in gleiche Richtung erfolgt. Diese Aufgabe des Aufmagnetisierens übernehmen in dem ersten Betriebsmodus das erste Schaltelement S1 und in dem zweiten Betriebsmodus das dritte Schaltelement S3. In beiden Fällen wird der Transformator T dann entmagnetisiert, wenn die Energie auf die Sekundärseite Sek des Transformators T übertragen wird. Dies erfolgt wenn das erste Schaltelement S1 beziehungsweise das dritte Schaltelement S3 ausgeschaltet werden und entsprechend das zweite Schaltelement S2 eingeschaltet wird.
In dem ersten Betriebsmodus erfährt das erste Schaltelement S1 hierbei eine Spannungsbelastung, welche sich aus der Summe der Eingangsspannung U Jn und dem Produkt aus Ausgangsspannung U_out mit dem Übertragungsverhältnis des Transformators T ergibt. Daher muss das erste Schaltelement S1 eine entsprechend hohe Spannungsfestigkeit aufweisen. Im zweiten Betriebsmodus wird die maximale Spannungsbelastung der Schaltelemente lediglich durch die maximale Eingangsspannung U Jn vorgegeben. Daher ist der zweite Betriebsmodus für höhere Eingangsspannungen U Jn geeignet, während für die niedrigere Eingangsspannungen U Jn der erste Betriebsmodus bevorzugt werden kann.
Beispielsweise kann die beschriebene Schaltungsanordnung für einen Gleichspannungskonverter 1 somit beispielsweise für Traktionsbatterien mit einem relativ niedrigen Spannungsniveau, beispielsweise Spannungen bis hin zu 500 Volt eingesetzt werden. Für eine Gleichspannungswandlung mit höheren Eingangsspannungen, beispielsweise oberhalb von 500 Volt bis hin zu 800 oder gegebenenfalls 1000 Volt kann der gleiche Gleichspannungskonverter 1 in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Somit ist mit einem relativ geringen Schaltungsaufwand eine einfache und kostengünstige Gleichspannungswandlung für Eingangsgleichspannung über einen großen Spannungsbereich hinweg möglich.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler zur Energieübertragung von einem Hochvoltnetz in ein Niedervoltnetz. Hierzu wird eine einfache Schaltungskonfiguration vorgeschlagen, welche alternativ als Activ-clamp Flyback- Konverter oder Active- clamp Buck- Konverter betrieben werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Gleichspannungskonverter (1) zur Energieübertragung zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz, mit: einem Eingangsanschluss (10), der dazu ausgelegt ist, mit einer Gleichspannungsquelle (2) gekoppelt zu werden; einem Transformator (T) mit einer Primärseite (Pri) und einer Sekundärseite (Sek); einem Kondensator (C); einem ersten Schaltelement (Sl), einem zweiten Schaltelement (S2), einem dritten Schaltelement (S3) und einem vierten Schaltelement(S4); wobei ein erster Anschluss (21) der Primärseite (Pri) des Transformators (T) mit einem ersten Anschlusselement (11) des ersten Eingangsanschlusses (10) elektrische gekoppelt ist; ein erster Anschluss des ersten Schaltelements (Sl) mit einem zweiten Anschluss (22) der Primärseite (Pri) des Transformators (T) verbunden ist und ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements (Sl) mit einem zweiten Anschlusselement (12) des Eingangsanschlusses (10) verbunden ist; ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements (S2) mit dem ersten Anschluss (21) der Primärseite (Pri) des Transformators (T) verbunden ist und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements (S2) mit einem Knotenpunkt (K) verbunden ist; ein erster Anschluss des Kondensators (C) mit dem Knotenpunkt (K) verbunden ist und ein zweiter Anschluss des Kondensators (C) mit dem zweiten Anschluss (22) der Primärseite (Pri) des Transformators (T) verbunden ist; und ein erster Anschluss des dritten Schaltelements (S3) mit dem Knotenpunkt (K) verbunden ist, ein zweiter Anschluss des dritten Schaltelements (S3) mit einem ersten Anschluss des vierten Schaltelements (S4) verbunden ist und ein zweiter Anschluss des vierten Schaltelements (S4) mit dem zweiten Anschlusselement (12) des Eingangsanschlusses (10) verbunden ist.
2. Gleichspannungskonverter (1) nach Anspruch 1, mit einem Gleichrichter (40), der mit dem Sekundäranschluss (Sek) des Transformators (T) gekoppelt ist, und der dazu ausgelegt ist, eine am Sekundäranschluss (Sek) des Transformators (T) anliegende Spannung gleichzurichten.
3. Gleichspannungskonverter (1) nach Anspruch 2, wobei der Gleichrichter (40) eine Gleichrichterdiode oder einen Halbleiterschalter (S5) umfasst, der dazu ausgelegt ist, die an dem Sekundäranschluss (Sek) des Transformators (T) anliegende Spannung gleichzurichten.
4. Gleichspannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Schaltelement (Sl), das zweite Schaltelement (S2), das dritte Schaltelement (S3) und das das vierte Schaltelement (S4), jeweils einen Halbleiterschalter mit einer Bodydiode umfassen.
5. Gleichspannungskonverter (1) nach Anspruch 4, wobei die Bodydiode des dritten Schaltelements (S3) entgegengesetzt zu der Bodydiode des vierten Schaltelements (S4) angeordnet ist.
6. Gleichspannungskonverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Steuereinrichtung (50), die dazu ausgelegt ist, das erste Schaltelement (Sl), das zweite Schaltelement (S2), das dritte Schaltelement (S3) und das das vierte Schaltelement (S4) anzusteuern.
7. Gleichspannungskonverter (1) nach Anspruch 6, wobei die
Steuereinrichtung (50) in einem ersten Betriebsmodus dazu ausgelegt ist, das dritte Schaltelement (S3) und das vierte Schaltelement (S4) zu öffnen und das erste Schaltelement (Sl) und das zweite Schaltelement (S2) jeweils abwechselnd getaktet anzusteuern, und in einem zweiten Betriebsmodus das erste Schaltelement (Sl) zu öffnen, das vierte Schaltelement (S4) zu schließen und das zweite Schaltelement (S2) und das dritte Schaltelement (S3) jeweils abwechselnd getaktet anzusteuern.
8. Gleichspannungskonverter (1) nach wobei ein Wert einer Eingangsspannung (U Jn) an dem Eingangsanschluss (10) für das Ansteuern im zweiten Betriebsmodus höher ist, als ein Wert der Eingangsspannung (U Jn) für das Ansteuern im ersten Betriebsmodus.
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