EP4315578A1 - Bidirectional dc-to-dc converter and operating method - Google Patents

Bidirectional dc-to-dc converter and operating method

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Publication number
EP4315578A1
EP4315578A1 EP22719516.1A EP22719516A EP4315578A1 EP 4315578 A1 EP4315578 A1 EP 4315578A1 EP 22719516 A EP22719516 A EP 22719516A EP 4315578 A1 EP4315578 A1 EP 4315578A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
czvs
converter
voltage
bidirectional
storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22719516.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johannes Visosky
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.)
Keba Industrial Automation Germany GmbH
Original Assignee
Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Keba Industrial Automation Germany GmbH filed Critical Keba Industrial Automation Germany GmbH
Publication of EP4315578A1 publication Critical patent/EP4315578A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054Transistor switching losses
    • H02M1/0058Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487Neutral point clamped inverters

Definitions

  • the invention relates to a bidirectional DC/DC converter for converting an input-side intermediate circuit voltage U Zk into an output voltage U 0ut and vice versa, in particular for use in a transformerless charging station, or for an energy store for temporarily storing energy from a servo drive.
  • a DC/DC converter which is also referred to as a DC voltage converter, enables a direct voltage (DC voltage) on the input side or a direct current (DC voltage) supplied to the intermediate circuit to be converted into an output voltage with a higher, lower or an inverted voltage level at the output U out .
  • DC voltage direct voltage
  • DC voltage direct current
  • This is implemented using semiconductor switches and one or more energy stores such as inductors or capacitors.
  • DC voltage converters of this type are also referred to as DC converters.
  • the DC/DC converter considered here works bidirectionally, i. H. an energy flow can be in both directions from entrance to exit, and/or from exit to entrance.
  • the flow of current can be routed both from the source to the load and from the load to the source.
  • the level of the output voltage can be higher or lower than the respective input voltage depending on the selection of the input and the output.
  • the DC/DC converter considered here is based on the principle of the synchronous converter, which is also referred to as a DC voltage transformer.
  • MOSFETs, IGBTs or other high-voltage semiconductor switches are used as semiconductor switches.
  • the DC/DC converter under consideration can be viewed as a combination of a step-up and a step-down converter.
  • the level of the output voltage is determined by the switch-on and switch-off time of the semiconductor switch, and thus by the duty cycle.
  • an intermediate circuit U Zk is via a stabilization capacitor, which also referred to as intermediate circuit capacitor C Zk , stabilized.
  • a transistor half-bridge which includes two transistors T1 and T2
  • an output voltage U out is provided at a center tap via the storage inductor L s across the storage capacitor C s at the output potential taps DC+ and DC-.
  • the two transistors T1, T2 are switched in push-pull, ie when switch T1 conducts, switch T2 opens and vice versa.
  • the DC/DC converter 12 operates as a step-down converter with respect to the input voltage U Zk for the reduced output voltage U out .
  • a lower input voltage L t can be bidirectionally converted into a higher output voltage U zk using the step -up converter principle.
  • Area of application can be the loading operation of drive technology energy converters, in particular DC charging stations for charging or discharging electrical energy storage devices, in particular batteries, bidirectionally and without transformers, ie without an AC voltage transformer, with a high level of efficiency being achievable.
  • DE 10 2018 206 388 A1 shows a DC/DC converter that includes an oscillating circuit and a transformer, with the transformer being supplied with alternating current by a half bridge and a downstream rectifier providing a DC voltage on the output side.
  • a topology cannot be operated bidirectionally.
  • EP 3 255 772 A1 shows a DC/DC converter which also supplies current to a transformer by means of an inverter bridge, with the AC voltage on the secondary side being able to be DC-converted again via a half or full bridge, also a multi-stage bridge.
  • DC/DC converters can work bidirectionally, since they use controllable half or full bridges on both sides of the transformer, the energy flow takes place via a transformer operated with alternating current, with corresponding energy losses and component costs.
  • WO 2012/116953 A1 shows a DC / DC converter, which is also based on a transformer coupling between the input and output side, and uses an inverter bridge on the one hand and a three-point half bridge on the other in order to be able to transmit energy bidirectionally.
  • US Pat. No. 1,0,516,365 B1 considers a 3-phase grid feed circuit of a renewable DC energy source into a three-phase supply grid, with energy being converted from the DC energy source into an AC grid via a three-stage converter.
  • the grid feed circuit includes a DC low-voltage grid to supply the controller via a DC/DC converter.
  • the DC/DC converter can be designed as a bidirectional converter stage with an additional DC converter. Explicit ZVS capacitors are absent and the chokes shown share a common iron yoke and are wound in opposite directions.
  • the mains feed circuit includes a stabilizing upstream circuit for the DC/DC converter, with a voltage reduction from VDC to Va being achieved by the switching ratio of the semiconductor switches.
  • the inductances of the inductive filter stage are used to filter harmonics.
  • a function of a DC chopper or synchronous converter is neither fulfilled nor suggested by the stabilizing upstream circuit, because this is reserved for an auxiliary converter that is controlled by a system controller.
  • US 2016/0 329 811 A1 describes a DC/DC converter comprising a plurality of multi-stage multi-quadrant converters.
  • Each converter includes a 3-stage bridge converter with an output-side inductance device that includes two chokes in the two output lines.
  • Several of these bridge converter inductance devices are connected in parallel and are provided with a filter capacitance on the output side.
  • the inductance device with the two inductances preferably coupled inductances, only serve to smooth the current.
  • ZVS switching functionality or separate ZVS capacitances nor is any indication given that filter inductances and filter capacitances could be used as energy stores for a step-up or step-down converter configuration.
  • WO 2020/256 690 A1 relates to a multi-stage DC/DC converter. This is used for bidirectional coupling of a battery to a DC bus system with a DC voltage network, photovoltaic system or charging station for electric vehicles. Two half-bridges connected in series have inductances at their center taps and thereafter parallel connected capacitances. A boost or step-down converter functionality is provided by the interaction of the inductances with the capacitances. In any case, the capacitances are not used as storage capacitors for a DC/DC converter, nor is a ZVS switching functionality addressed.
  • Zero voltage switching It is also known to use the principle of so-called zero voltage switching (ZVS) in a DC/DC conversion to determine the switching point of the semiconductor switches used, in order to achieve a high level of efficiency by using resonant switching topologies.
  • ZVS zero voltage switching
  • So-called ZVS switching is also referred to as soft switching.
  • switching losses can be almost completely eliminated, especially when switching on.
  • the turn-off losses can be significantly reduced with a reversing capacitor at the switching output of a semiconductor bridge, also referred to as a snubber capacitor.
  • the DC/DC converters known from the prior art either have poor efficiency, since a ZVS concept cannot be implemented, or they are burdened with high material costs, since an expensive and lossy transformer has to be used.
  • the known concepts do not allow the provision of an output potential that can be set symmetrically to ground, it being desirable to limit or minimize the voltage potential of the output potential tap DC+, DC- to ground, in particular to provide an output voltage symmetric to ground.
  • the invention relates to a bidirectional DC/DC converter for converting an input-side intermediate circuit voltage U Zk into an output voltage U out and vice versa, in particular a transformerless charging station for an energy store, in particular an electrochemical energy store, or for temporarily storing energy from a servo drive, or for Reduction of the intermediate circuit voltage for electric drives.
  • the DC/DC converter comprises a series connection of two half-bridges H1, H2, each with two semiconductor switches T1, T2 and T3, T4, with each half-bridge H1, H2 between an input-side intermediate voltage potential rail ZK+, ZK- with intermediate circuit voltage U Zk and a middle potential rail ZM with symmetrical, in particular symmetrical to ground, medium voltage U Zk+, U Zk - is switched.
  • Each center tap M1, M2 of the half-bridge H1, H2 is connected to its own storage choke LS+, LS- and, in particular, a common storage capacitor Cs, so that two bidirectional synchronous converters are connected in series.
  • At least one separate reversing capacitor C zvs be connected to the center tap M1, M2 of each half-bridge H1, H2.
  • a DC/DC converter which, in principle, can be viewed as a series connection of two synchronous converters.
  • a separate reversing capacitor C zvs, C zvs+, C zvs -, C zvs++, C zvs+ -, C zvs-+, C zvs - is connected to the center tap of each half-bridge, each of which defines a synchronous converter.
  • the reversing capacitor(s) enable zero-voltage switching (ZVS switching) in conjunction with a tuned circuit, especially a duty factor of the semiconductor switches T1 to T4 that is tuned to this, with switching losses being significantly reduced, waste heat being avoided and efficiency being increased can.
  • the capacitance of the reversing capacitor(s). can be adjusted depending on the type of circuit and the power to be transmitted. In this context, separately means that the reversing capacitor is provided as an explicit and structurally separate component with a capacitance that is greater than a typical junction capacitance of a semiconductor switch, or in combination with this junction capacitance provides a sufficiently large ZVS capacitance.
  • the input-side intermediate circuit voltage U Zk can be provided, for example, by an upstream bidirectional converter or a unidirectional rectifier that is balanced to ground.
  • the voltage can also be provided by one or more photovoltaic modules connected in series with a balanced-to-earth output.
  • a ground-symmetrical output voltage with the two partial voltages DC+ and DC- can be provided. This has advantages in terms of electrical safety during operation and ensures reduced stress on the insulation, in particular for charging stations for batteries, in particular vehicle traction batteries, or for controlling DC energy converters.
  • motors can be designed for a lower insulation voltage between the phases and to earth by reducing the intermediate circuit voltages sym metrically to earth.
  • the output can be reliably switched off and the power unit prevented from being destroyed, which would not be possible with an upstream inverter, since current would continue to flow via the freewheeling diodes of the semiconductor switch.
  • a voltage rise rate du/dt can be reduced by the reversing capacitors C zvs connected to the center taps M1, M2 of the half-bridges H1, H2, and the EMC behavior can thus be significantly improved since rapid voltage jumps are avoided. Overvoltages on the semiconductors can be significantly reduced, since soft switching or ZVS switching is enabled.
  • the permissible intermediate circuit voltage U Zk can be designed for almost twice the blocking voltage of a semiconductor, so that for a high intermediate circuit voltage U Zk of 900-1000 V or higher, semiconductor switches with blocking voltages of 900 V or less, in particular less than or equal to 750 V or less, can be used. This can be achieved, for example, with SiC MOSFETs. A blocking voltage down to 650 V is also possible.
  • the effort required for the EMC output filter can be reduced and a large amount of material can be saved by doing without a converter transformer.
  • the efficiency is improved in such a way that a high level of energy savings can be achieved over the service life, for example in private households.
  • the storage chokes can be designed separately and used in a magnetically uncoupled manner.
  • the two storage inductors LS+, LS- can be designed as a storage transformer T s magnetically coupled.
  • the two storage inductors LS+, LS- of each synchronous converter are arranged in the manner of a storage transformer Ts on a common magnetic core and are magnetically coupled.
  • a storage capacitor C s can be connected between the output sides of the two storage chokes l_s + , Ls- for sharing the use of the two series-connected bidirectional synchronous converters.
  • the storage capacitor C s which connects the output sides in the direction of the output potential taps DC+, DC- the two outputs of the storage chokes LS+, LS- connects, the output voltage U 0 ut can be stabilized and switching frequency components can be suppressed.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 can be designed as high-voltage MOSFET switching transistors with a low blocking voltage ⁇ 900 V, in particular ⁇ 750 V. This makes it possible to achieve an output voltage U ot of 920 V or more.
  • Such semiconductors with a low blocking voltage e.g. B. Semiconductors from the INFINEON CoolMOS series can be used cost-effectively and with low switching losses.
  • SiC-FETs can be used as semiconductor switches, which combine a SiC-JFET with a Si-MOSFET in a cascode circuit, for example the model UJ4C075018K4S from UnitedSiC.
  • the SiC cascode offers the switching behavior of a self-locking MOSFET with the positive electrical properties of a silicon carbide transistor.
  • Such semiconductor switches can advantageously be designed for blocking voltages of up to 750 V.
  • two corresponding semiconductor switches T1 & T4 or T2 & T3 of the two half-bridges H1, H2 can be switched simultaneously, in particular with an identical switch-on delay.
  • the switch-on delay is used to allow the voltage at the reversing capacitors to reverse.
  • a symmetrical modulation of the control signals of the semiconductor switches T1 & T4 or T2 & T3 can be achieved.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 can be switchable with different switch-off delays for the controllable balancing of the medium voltage UZK+, UZK- of the intermediate circuit, so that Uzk+ and Uzk- can be balanced by ZM.
  • the symmetrical modulation of H1 and H2 can be used to achieve controllable balancing of the output voltage U out at the two output potential taps DC+, DC- with respect to ZM and thus to ground. This makes it possible to balance the output voltage Uout. In this way, asymmetries in the component parameters such as e.g. B. different switching speeds can be compensated.
  • the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 can be switched to generate a storage inductor current or storage transformer current with a ripple amplitude greater than a mean value of the DC current, so that the inductor current has a zero crossing between two switching processes.
  • the ripple current amplitude is higher than the mean value of the inductor current, so an inductor current has always experienced a zero crossing between two switching processes, which is a prerequisite for ZVS switching on.
  • a maximum and minimum value of the inductor current can be controlled by a current controller, for example a hysteresis current controller that controls the switching of the semiconductor switches, so that the respective semiconductor switches are switched off when the maximum or minimum value is reached.
  • the aim is to store enough energy in the storage choke to charge the reversing capacitors, which then results in the desired control of the mean value of the choke current.
  • the semiconductor switch pairs T1 and T4 or T2 and T3 can thus be switched either with identical switch-on times or with different switch-on times, with switch-on losses being negligible.
  • the semiconductor switches T 1 , T2 , T3 , T4 can be switched in conjunction with the resonant capacitor Czvs, Czvs+, Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- ZVS (Zero Voltage Switching) in particular, it can be switched on with almost no loss of voltage and switched off with low losses with a limited voltage rise rate.
  • Low-loss turn-off can result from limiting the voltage rise rate, with the semiconductor switches, in particular switching transistors, turning off faster than a voltage can build up.
  • the efficiency is significantly increased, thermal waste heat from the DC/DC converter is minimized and the service life is greatly extended, so that both energy costs are minimized and the service life of the DC/DC converter can be significantly increased.
  • At least one reversing capacitor Czvs+, Czvs- per half-bridge H1, H2 can be assigned, preferably one reversing capacitor Czvs++, C zvs +-, Czvs-+, Czvs- per semiconductor switch T1, T2, T3, T4 connected in parallel be.
  • a resonant capacitor is thus assigned to each semiconductor switch, so that a switching overvoltage when switching off is minimized.
  • the oscillating capacitor is especially relevant for turning off. Low-loss turn-off can be achieved by additional reversing capacitors at the half-bridge outputs or parallel to the semiconductor switches T1, T2, T3, T4.
  • a balancing of the medium voltage U Zk+, U Zk - can nevertheless be achieved by a slightly different switch-off delay.
  • soft switching can already be achieved by a single capacitor C zvs between the two half-bridge outputs M1, M2. Even if there is no oscillating capacitor, the switching losses in ZVS switching can be lower than with hard switching, since the drain/source capacitance, ie the junction capacitance of the semiconductors, can be used as an oscillating capacitor.
  • a current controller Coni for detecting at least one inductor current ILS of at least one storage choke Ls + , Ls- can be included, in particular for detecting all inductor currents ILS+, ILS- of the two storage chokes Ls + , Ls.
  • the current controller Coni can be set up , On the basis of the detected inductor current ILS switching signals ST1, ST2, ST3, ST4 of the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 in particular for controlling a maximum and a minimum value of the inductor current ILS , ZU he testify.
  • Ripple current control is achieved by controlling the maximum value and the minimum value of the inductor current(s), whereby the mean value of the inductor current can also be adjusted.
  • the switching signals ST1 & ST 4 as well as ST2 & ST 3 are synchronous with one another, which means that a common-mode voltage at the output can be avoided, taking into account the ZVS requirements for the switching processes.
  • the switch-on delay is used to allow the voltage to swing around the capacitors, ie the ZVS capacitors.
  • the current controller thus works as a hysteresis controller to determine the switch-on delay. By slightly varying the turn-off delay of the individual switching signals, active balancing of the mean voltage U Zk+, U Zk - can also be achieved.
  • the switching signals can be generated on the basis of the inductor current I LS at least one, preferably both storage inductors + , Ls-, so that the output voltage U out can be made available in a regulated manner. If an inductor current exceeds a maximum value or falls below a minimum value, the current controller, which is preferably designed as a hysteresis controller, can cause corresponding semiconductor switches to be switched on or off. Its switching hysteresis is thus determined by a maximum and minimum value of the inductor current, which ensure at least one zero crossing of the inductor current per switching period should, defined.
  • the current controller Coni all inductor currents Ls +, ILS- of the storage inductors Ls + , Ls- can be detected separately, whereby the switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 are adjustable as a function of the inductor currents Ls +, s-.
  • a differential current error in particular a power supply error, e.g. a leakage current, can advantageously be detected by a current difference formation of the inductor currents Ls + - Ls- , at least when a predeterminable current difference amount is exceeded, after which, for example, the current regulator Coni or a higher-level control unit switching pulses underbin the and thus the DC-DC converter 20 can turn off.
  • switch-off devices in particular contactors, can be used for switching off if a differential current error, in particular a leakage current, is detected by forming a current difference between the inductor currents Ls + - Ls- at least when a predeterminable current difference amount is exceeded.
  • the storage choke + , L s- can be designed separately and structurally separate, and not magnetically coupled.
  • the storage chokes Ls + , Ls- are preferably designed with the same inductance.
  • the storage transformer Ts can comprise two symmetrical windings of the two storage chokes Ls + , L s- with the same number of turns on a common magnetic core.
  • the storage transformer Ts can preferably have a total inductance of 20 pH or less and/or a total number of turns of nine turns or less.
  • the storage transformer Ts can have a low inductance and few turns. This results in low copper losses and negligible parasitic winding capacitances. In turn, low winding capacitances are favorable with regard to the EMC behavior; in particular, undesired capacitive leakage currents in the outputs can be avoided and a common-mode filter on the output side can be omitted or simply designed.
  • the core losses are significantly lower than the copper losses and these can be significantly reduced with simple storage choke configurations.
  • the required internal cross-sections can be determined by the copper cross-section required for the winding.
  • Both the maximum and minimum value of the inductor current, and thus the mean inductor current value and the ripple current amplitude can be regulated by the current governor Coni, in particular such that the semiconductor switches are switched in such a way that zero crossings occur in the inductor current.
  • the mean value of the inductor current ILS determines the active energy transfer and the energy flow direction.
  • the ripple current amplitude determines the reactive energy circulating in the DC/DC converter for ZVS switching, with so much energy remaining stored in the choke coil that the reversing capacitors can be recharged.
  • a filter stage FIS can be connected downstream between the storage capacitor C s and the output potential tap DC+, DC- on the output side.
  • this filter stage FIS can include at least one current-compensated choke Us and a capacitor bridge HC with two series-connected medium-voltage filter capacitors Cis + , Cis-, which have high-frequency can filter out quente voltage components of the output voltage U 0 ut.
  • a grounding filter capacitor CISG can preferably be connected to a ground potential at the center tap of the capacitor bridge HC, in order in turn to achieve high-frequency grounding of the DC output. Nevertheless, one filter capacitor can be connected between DC+ or DC- and ground, and another filter capacitor can be connected between DC+ and DC-. However, a different filter capacitor network can also be used.
  • the intermediate circuit voltage UZK can be 950 V or higher in order to set a range of the output voltage L t of at least between 200 V and 920 V's.
  • each semiconductor switch T1, T2, T3, T4 can include a parallel connection of two or more switching transistors. This parallel connection allows the semiconductor efficiency to be increased within certain limits and higher output powers to be made available. Due to the ZVS switching behavior, the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 only have on-state losses and no turn-on losses and low turn-off losses, with the on-state losses being further minimized and efficiency increased by connecting semiconductors in parallel.
  • a method for operating an aforementioned bidirectional DC/DC converter is proposed, with the semiconductor switches T1 to T4 for operating two synchronous converters in conjunction with the two storage chokes LS+, LS+ and the storage capacitor Cs for converting an input-side intermediate circuit voltage UZK can be switched into an output voltage U out and vice versa.
  • at least one separate reversing capacitor C zvs connected to the center tap of each half-bridge H1, H2 is used in such a way as to enable ZVS operation while providing an output voltage balanced to ground.
  • the method is carried out by specifying switching signals from a current regulator Coni, which adjusts the duty cycle of the semiconductor switches T1 to T4 accordingly in order to provide low-loss and center-symmetrical voltage conversion.
  • measured current or voltage values such as e.g. B. inductor current values
  • inductor current values can be used.
  • the duty cycle of the semiconductor switches T1, T2, T3 and T4 can be controlled.
  • the current regulator Coni can generate four switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 as the gate voltage of the semiconductor switches T1, T2, T3, T4. These can be set in such a way that the respective semiconductor switches are switched off when a maximum or minimum value is reached, with sufficient energy being stored in the storage inductor in order to enable the resonant capacitors to be recharged.
  • the current controller Coni for safety current monitoring can also record both inductor currents ILS+, Ls- of the storage inductors Ls +, - separately. If a differential current not equal to zero occurs, the DC-DC converter can be switched off.
  • 1 shows a DC/DC synchronous converter from the prior art
  • 2 shows the basic configuration of a ZVS switching concept of a half-bridge
  • 3a, 3b show a first and second exemplary embodiment of a DC/DC converter according to the invention
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a DC/DC converter according to the invention. Elements of the same type are denoted by the same reference symbols in the figures. The figures only show examples and are not to be understood as limiting.
  • a bidirectional synchronous converter 12 of the prior art is Darge.
  • An input voltage UZK which is stabilized via an intermediate circuit capacitor CZK, is applied to a half-bridge comprising two semiconductor switches T1, T2, which are designed as MOSFET transistors.
  • a storage choke Ls is connected to the center tap of the half-bridge, with a storage capacitor Cs being connected in parallel to the output potential tap DC+, DC-.
  • Energy is stored in the storage choke Ls by cyclically switching the semiconductor switches T1, T2, it being possible for the output voltage Lt across the stabilizing storage capacitor Cs to be output.
  • the synchronous converter 12 can be viewed as a combination of a step-up converter and a step-down converter, with the step-down converter operating from the input voltage UZK to the output voltage U 0ut and the step-up converter operating from the output voltage U out to the input voltage UZK, depending on the transformation direction.
  • the level of the voltage to be converted is determined by the keying degree, ie the switch-on and switch-off time of the transistors T1, T2.
  • the two transistors are operated in push-pull mode, with only one of the two transistors T1, T2 switching at any time, apart from a small dead time, in order to prevent a short circuit.
  • Both charging and discharging are possible due to the bidirectional energy transmission.
  • both drive energy can be supplied and regenerative energy can be taken off.
  • the synchronous converter 12 shown in FIG. 1 has operating losses that must be minimized.
  • FIG. 2 shows a typical configuration 14 of a zero-voltage switching concept of a half-bridge, comprising two semiconductor switches T1, T2.
  • the ZVS switching topology 14 of FIG. 2 represents part of the first specific embodiment of a DC/DC converter 10 shown in FIG , so that the other semiconductor switch can turn on without voltage and loss. This means that it can be switched on with virtually no voltage and low losses, and switched off with a reduced voltage rise. Especially with power supplies or charging stations in the area of The efficiency of a DC/DC voltage converter plays a crucial role in electromobility. By ZVS switching the semiconductor switches, the turn-on losses can be practically set to zero, and undesirable thermal heating can be minimized.
  • FIG 3a shows a first exemplary embodiment 10 of a bidirectional DC/DC converter, which taps an input voltage UZK of a symmetrical intermediate circuit ZK with the two intermediate circuit medium voltages UZK+, UZK- and an intermediate circuit medium potential rail ZM into an output voltage U out at the output potential DC+, DC- converts.
  • a half bridge H1 or H2 is connected between the intermediate circuit potential rails ZK+, ZK- and the medium potential rail ZM.
  • Each half-bridge comprises two semiconductor switches, half-bridge H1 the semiconductor switches T1 and T2, and half-bridge H2 the semiconductor switches T3 and T4.
  • Two stabilization capacitors CZK+ and CZK- are connected between the intermediate circuit potential rail ZK+ and ZK- and the medium potential rail ZM for the purpose of central potential stabilization and for supporting the intermediate circuit voltage UZK.
  • Two symmetrical storage chokes + and Ls- are connected to the respective center taps M1, M2 of the half-bridges H1 and H2, which are magnetically coupled to one another as a storage transformer Ts via a magnetic core.
  • two individual chokes that are not magnetically coupled can also be used.
  • two resonant capacitors Czvs + and Czvs-ge are connected across from the mid-potential rail ZM in order to enable ZVS switching or soft switching of the semiconductor switches of the three-point bridge with the two half-bridges H1 and H2.
  • a storage capacitor Cs is connected in parallel at the output of the transformer Ts and stabilizes the output voltage U out at the two output potential taps DC+ and DC-.
  • the current through a storage choke Ls + and/or Ls- is recorded as the choke current Ls by a current controller Coni.
  • the duty cycle of the semiconductor switches T1, T2, T3 and T4 is controlled.
  • the current controller Coni Based on the inductor current Ls, which has a ripple Lestrom having an amplitude higher than an average value of the inductor current for generating zero crossings, the duty cycle of the semiconductor switches T1, T2, T3 and T4 is controlled.
  • the current controller Coni Based on the inductor current Ls, which has a ripple Lestrom having an amplitude higher than an average value of the inductor current for generating zero crossings, the duty cycle of the semiconductor switches T1, T2, T3 and T4 is controlled.
  • the current controller Coni Based on the inductor current Ls, which has a ripple Lestrom having an amplitude higher than an average value of the inductor current for generating zero crossings, the duty cycle of the semiconductor switches T1, T2, T3 and T4 is controlled.
  • the current control is stored as a software process in the Coni current controller.
  • the current controller Coni can be designed at least partially, in particular completely, in hardware.
  • the current controller Coni can also have an I/O interface Pl/O to a superordinate processor controller, for example charging electronics for an electrochemical storage device.
  • FIG. 3b A second exemplary embodiment 20 is shown in FIG. 3b, which is essentially the same as the DC/DC converter 10 in FIG. 3a.
  • the storage chokes +, Ls- have the same inductance and are magnetically independent and structurally separate from one another and are not combined in a storage transformer Ts.
  • the current controller Coni records both inductor currents ILS+, ILS- of the storage inductors Ls +, Ls- separately. If a residual current not equal to zero occurs, the DC-DC converter 20 can be switched off.
  • FIGS. 4a, 4b Two further exemplary embodiments 30, 40 of DC/DC converters according to the invention, which essentially correspond to the configuration of FIG. 3, are shown in FIGS. 4a, 4b.
  • the DC voltage converter 30 is connected to a common one at the center taps M1, M2 of the two half-bridges H1, H2 Reversing capacitor Czvs connected.
  • both inductor currents ks+, ILS- are detected by the current regulator Coni, so that what was said in this regard also applies to this. However, it can also be sufficient to record only one of the two inductor currents ILS+ or ks- to regulate the ripple current.
  • each semiconductor switch T1, T2, T3, T4 of the DC voltage converter 40 has a resonant capacitor Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- connected in parallel.
  • the inductor current is detected analogously to the embodiment of the DC voltage converter 10.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment 50 of a DC/DC converter, which likewise essentially corresponds to the exemplary embodiment 10 in FIG.
  • a filter stage FIS is interposed on the storage capacitor Cs before the output potential tap DC+, DC-.
  • the filter stage FIS includes a current-compensated choke Us.
  • a half-bridge made up of two medium-voltage filter capacitors Cis+, Cis-, which is referred to as a capacitor bridge HC, is connected in parallel with the output potential taps DC+, DC-.
  • Another grounding filter capacitor CISG is connected to ground at the center tap of the capacitor bridge HC in order to allow common-mode currents to be dissipated.
  • the filter stage FIS enables radio interference suppression and an improvement in the EMC robustness of the DC/DC converter 50.
  • a capacitor Cis and two capacitors CISG can also be provided, each with a capacitor CISG of DC+ to ground and/or DC- to ground.

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Abstract

The invention relates to a bidirectional DC-to-DC converter (10, 20, 30, 40, 50) for converting a DC link voltage (Uzk) on the input side into an output voltage (Uout) and vice versa, in particular for a transformerless charging station or for an energy store for temporarily storing energy from a servo drive. The DC-to-DC converter (10, 20, 30, 40, 50) comprises a series circuit composed of two half-bridges (H1, H2) which include four semiconductor switches (T1, T2, T3, T4) and each of which is connected between a DC link voltage bus (ZK+, ZK-) having a DC link voltage (Uzk) on the input side and a medium voltage bus (ZM) having a symmetric, in particular a balanced-to-earth, medium voltage (UZK+, UZK-). Each center tap (M1, M2) of the half-bridge (H1, H2) cooperates with a storage choke (Ls+, Ls-) and a storage capacitor (CS) in such a way that two bidirectional synchronous converters are connected in series. According to the invention, at least one ring-around capacitor (CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, CZVS--) is connected to the center tap (M1, M2) of each half-bridge (H1, H2).

Description

Bidirektionaler DC/DC-Wandler und Betriebsverfahren Bidirectional DC/DC converter and method of operation
Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen DC/DC-Wandler zur Umwandlung einer ein gangsseitigen Zwischenkreisspannung UZk in eine Ausgangsspannung U0ut und umge kehrt, insbesondere für einen Einsatz in einer transformatorlosen Ladestation, oder für einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung von Energie eines Servoantriebes.The invention relates to a bidirectional DC/DC converter for converting an input-side intermediate circuit voltage U Zk into an output voltage U 0ut and vice versa, in particular for use in a transformerless charging station, or for an energy store for temporarily storing energy from a servo drive.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Ein DC/DC-Wandler, der auch als Gleichspannungswandler bezeichnet wird, ermög licht eine eingangsseitige bzw. eine zwischenkreiszugeführte Gleichspannung (DC- Spannung) in eine Ausgangsspannung mit einem höheren oder niedrigeren oder einem invertierten Spannungsniveau am Ausgang Uout umzuwandeln. Die Umsetzung erfolgt mithilfe von Halbleiterschaltern und einem oder mehreren Energiespeichern wie Induk tivitäten oder Kapazitäten bzw. Kondensatoren. Derartige Gleichspannungswandler werden auch als Gleichstromsteller bezeichnet. A DC/DC converter, which is also referred to as a DC voltage converter, enables a direct voltage (DC voltage) on the input side or a direct current (DC voltage) supplied to the intermediate circuit to be converted into an output voltage with a higher, lower or an inverted voltage level at the output U out . This is implemented using semiconductor switches and one or more energy stores such as inductors or capacitors. DC voltage converters of this type are also referred to as DC converters.
Der hier betrachtete DC/DC-Wandler arbeitet bidirektional, d. h. ein Energiefluss kann in beide Richtungen vom Eingang zum Ausgang, und/oder vom Ausgang zum Eingang erfolgen. Insbesondere durch Wahl des Tastgrads der Halbleiterschalter kann der Stromfluss sowohl von der Quelle zur Last, als auch von der Last zur Quelle geführt werden. Die Höhe der Ausgangsspannung kann je nach Wahl des Eingangs und des Ausgangs höher oder niedriger sein als die jeweilige Eingangsspannung. Dem hier be trachteten DC/DC-Wandler liegt das Prinzip des Synchronwandlers, der auch als Gleichspannungstransformator bezeichnet wird, zugrunde. Durch ein zyklisches Schal ten von Halbleiterschaltern wird Energie in einem Magnetfeld einer Speicherdrossel gespeichert, die zyklisch geladen oder entladen werden kann. Als Halbleiterschalter kommen insbesondere MOSFETs, IGBTs oder andere Hochvolt-Halbleiterschalter zur Anwendung. Prinzipiell kann der betrachtete DC/DC-Wandler als Kombination eines Aufwärts- und eines Abwärtswandlers angesehen werden. Die Höhe der Ausgangs spannung wird über die Einschalt- und Ausschaltzeit des Halbleiterschalters, und somit über den Tastgrad bestimmt. The DC/DC converter considered here works bidirectionally, i. H. an energy flow can be in both directions from entrance to exit, and/or from exit to entrance. In particular, by selecting the duty cycle of the semiconductor switches, the flow of current can be routed both from the source to the load and from the load to the source. The level of the output voltage can be higher or lower than the respective input voltage depending on the selection of the input and the output. The DC/DC converter considered here is based on the principle of the synchronous converter, which is also referred to as a DC voltage transformer. By cyclically switching semiconductor switches, energy is stored in a magnetic field of a storage choke, which can be cyclically charged or discharged. In particular, MOSFETs, IGBTs or other high-voltage semiconductor switches are used as semiconductor switches. In principle, the DC/DC converter under consideration can be viewed as a combination of a step-up and a step-down converter. The level of the output voltage is determined by the switch-on and switch-off time of the semiconductor switch, and thus by the duty cycle.
Fig. 1 zeigt einen derartigen DC/DC-Wandler aus dem Stand der Technik. Die Span nung eines Zwischenkreises UZk wird über einen Stabilisierungskondensator, der auch als Zwischenkreiskondensator CZk bezeichnet wird, stabilisiert. Über eine T ransistor- halbbrücke, die zwei T ransistoren T1 und T2 umfasst, wird an einem Mittelabgriff über die Speicherdrossel Ls eine Ausgangsspannung Uout über dem Speicherkondensator Cs an den Ausgangspotentialabgriffen DC+ und DC- bereitgestellt. Die beiden Transis toren T1, T2 werden im Gegentakt geschaltet, d. h. wenn Schalter T1 leitet, öffnet Schalter T2 und umgekehrt. In der in Fig. 1 dargestellten Topologie arbeitet der DC/DC-Wandler 12 als Abwärtswandler bezüglich der Eingangsspannung UZk zur ver kleinerten Ausgangsspannung Uout. In einem umgekehrten Stromfluss kann eine nied rigere Eingangsspannung L t durch das Aufwärtswandlersprinzip in eine höhere Aus gangsspannung Uzk bidirektional gewandelt werden. Anwendungsgebiet kann der Be trieb von antriebstechnischen Energiewandlern, insbesondere DC-Ladestationen zum Auf- oder Entladen von elektrischen Energiespeichern, insbesondere Batterien, bidirek tional und trafolos, d. h. unter Verzicht eines Wechselspannungstrafos sein, wobei ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist. 1 shows such a DC/DC converter from the prior art. The voltage of an intermediate circuit U Zk is via a stabilization capacitor, which also referred to as intermediate circuit capacitor C Zk , stabilized. Via a transistor half-bridge, which includes two transistors T1 and T2, an output voltage U out is provided at a center tap via the storage inductor L s across the storage capacitor C s at the output potential taps DC+ and DC-. The two transistors T1, T2 are switched in push-pull, ie when switch T1 conducts, switch T2 opens and vice versa. In the topology shown in FIG. 1, the DC/DC converter 12 operates as a step-down converter with respect to the input voltage U Zk for the reduced output voltage U out . In a reverse flow of current, a lower input voltage L t can be bidirectionally converted into a higher output voltage U zk using the step -up converter principle. Area of application can be the loading operation of drive technology energy converters, in particular DC charging stations for charging or discharging electrical energy storage devices, in particular batteries, bidirectionally and without transformers, ie without an AC voltage transformer, with a high level of efficiency being achievable.
Ausgehend von dem in Fig. 1 dargestellten Synchronwandler sind aus dem Stand der Technik alternative Topologien, insbesondere Topologien von DC/DC-Wandlern, die eine transformatorische Umsetzung der DC-Spannungen mittels eines zwischenge schalteten Wechselrichters nutzen, bekannt. Based on the synchronous converter shown in FIG. 1, alternative topologies are known from the prior art, in particular topologies of DC/DC converters that use a transformer-based conversion of the DC voltages by means of an interposed inverter.
So zeigt beispielsweise die DE 10 2018 206 388 A1 einen DC/DC-Wandler, der einen Schwingkreis und einen T ransformator umfasst, wobei durch eine Halbbrücke der Transformator mit Wechselstrom versorgt wird, und ein nachgeschalteter Gleichrichter eine ausgangsseitige DC-Spannung bereitstellt. Eine derartige Topologie kann aller dings nicht bidirektional betrieben werden. For example, DE 10 2018 206 388 A1 shows a DC/DC converter that includes an oscillating circuit and a transformer, with the transformer being supplied with alternating current by a half bridge and a downstream rectifier providing a DC voltage on the output side. However, such a topology cannot be operated bidirectionally.
Darüber hinaus zeigt die EP 3 255 772 A1 einen DC/DC-Wandler, der mittels einer Wechselrichterbrücke ebenfalls einen T ransformator bestromt, wobei über eine Halb oder eine Vollbrücke, auch eine Mehrstufenbrücke, die sekundärseitige AC-Spannung wieder DC-gewandelt werden kann. Derartige DC/DC-Wandler können zwar bidirektio nal arbeiten, da sie auf beiden Seiten des Transformators steuerbare Halb- oder Voll brücken nutzen, allerdings erfolgt der Energiefluss über einen mit Wechselstrom be triebenen T ransformator mit entsprechenden Energieverlusten und Bauteilkosten.In addition, EP 3 255 772 A1 shows a DC/DC converter which also supplies current to a transformer by means of an inverter bridge, with the AC voltage on the secondary side being able to be DC-converted again via a half or full bridge, also a multi-stage bridge. Although such DC/DC converters can work bidirectionally, since they use controllable half or full bridges on both sides of the transformer, the energy flow takes place via a transformer operated with alternating current, with corresponding energy losses and component costs.
Weiterhin zeigt die WO 2012/116953 A1 einen DC/DC-Wandler, der ebenfalls auf einer transformatorischen Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite basiert, und auf der einen Seite eine Wechselrichterbrücke und auf der anderen Seite eine Dreipunkt halbbrücke nutzt, um Energie bidirektional übertragen zu können. Furthermore, WO 2012/116953 A1 shows a DC / DC converter, which is also based on a transformer coupling between the input and output side, and uses an inverter bridge on the one hand and a three-point half bridge on the other in order to be able to transmit energy bidirectionally.
Die US 10 516 365 B1 betrachtet eine 3-phasige Netzeinspeiseschaltung einer erneuerbaren DC-Energiequelle in ein Drehstromversorgungsnetz, wobei Energie über einen dreistufigen Umrichter von der DC-Energiequelle in ein AC-Netz gewandelt wird. Die Netzeinspeiseschaltung umfasst ein DC-Niederspannungsnetz zur Versorgung des Controllers über einen DC/DC-Wandler. Der DC/DC-Wandler kann als bidirektionale Wandlerstufe mit einem zusätzlichen Gleichstromsteller ausgeführt sein. Explizite ZVS- Kondensatoren fehlen und die dargestellten Drosseln teilen sich ein gemeinsames Eisenjoch und sind gegensinnig gewickelt. Die Netzeinspeiseschaltung umfasst eine Stabilsierungsvorschaltung für den DC/DC-Wandler, wobei eine Spannungsreduktion durch das Schaltverhältnis der Halbleiterschalter von VDC auf Va erreicht werden soll. Die Induktivitäten der induktiven Filterstufe dienen zur Filterung von Oberwellen. Eine Funktion eines Gleichstromstellers bzw. Synchronwandlers wird von der Stabilsierungsvorschaltung weder erfüllt noch nahegelegt, denn dies ist einem Auxiliary Converter Vorbehalten, der von einem System Controller gesteuert wird. US Pat. No. 1,0,516,365 B1 considers a 3-phase grid feed circuit of a renewable DC energy source into a three-phase supply grid, with energy being converted from the DC energy source into an AC grid via a three-stage converter. The grid feed circuit includes a DC low-voltage grid to supply the controller via a DC/DC converter. The DC/DC converter can be designed as a bidirectional converter stage with an additional DC converter. Explicit ZVS capacitors are absent and the chokes shown share a common iron yoke and are wound in opposite directions. The mains feed circuit includes a stabilizing upstream circuit for the DC/DC converter, with a voltage reduction from VDC to Va being achieved by the switching ratio of the semiconductor switches. The inductances of the inductive filter stage are used to filter harmonics. A function of a DC chopper or synchronous converter is neither fulfilled nor suggested by the stabilizing upstream circuit, because this is reserved for an auxiliary converter that is controlled by a system controller.
Daneben beschreibt die US 2016 / 0 329 811 A1 einen DC/DC Wandler, umfassend mehrere mehrstufige Multiquadrant-Umsetzer. Jeder Umsetzer umfasst eine 3-Stufen Brückenumrichter mit einer ausgangsseitigen Induktivitätseinrichtung, die zwei Drosseln in den beiden Ausgangsleitungen umfasst. Mehrere dieser Brückenumrichter- Induktivitätseinrichtungen sind parallel geschaltet und ausgangsseitig mit einer Filterkapazität versehen. Die Induktivitätseinrichtung mit den beiden Induktivitäten, vorzugsweise gekoppelte Induktivitäten, dienen lediglich zur Stromglättung. An keiner Stelle ist eine ZVS-Schaltfunktionalität, bzw. gesonderte ZVS-Kapazitäten, erwähnt, noch wird ein Hinweis gegeben, dass Filterinduktivitäten und Filterkapazität als Energiespeicher für eine Hoch- bzw. Tiefsetzstellerkonfiguration eingesetzt werden könnten. In addition, US 2016/0 329 811 A1 describes a DC/DC converter comprising a plurality of multi-stage multi-quadrant converters. Each converter includes a 3-stage bridge converter with an output-side inductance device that includes two chokes in the two output lines. Several of these bridge converter inductance devices are connected in parallel and are provided with a filter capacitance on the output side. The inductance device with the two inductances, preferably coupled inductances, only serve to smooth the current. At no point is a ZVS switching functionality or separate ZVS capacitances mentioned, nor is any indication given that filter inductances and filter capacitances could be used as energy stores for a step-up or step-down converter configuration.
Die WO 2020 / 256 690 A1 betrifft ein Mehrstufen-DC/DC-Konverter. Dieser dient zur bidirektionalen Ankopplung einer Batterie an ein DC-Bussystem mit einem Gleichspannungsnetz, Photovoltaiksystem oder Ladestation für Elektrofahrzeuge. Zwei in Reihe geschaltete Halbbrücken weisen an Ihren Mittelabgriffen Induktivtäten und hiernach parallel geschaltete Kapazitäten auf. Eine Hoch- bzw. Tiefsetzsteller- Funktionalität wird durch ein Zusammenspiel der Induktivitäten mit den Kapazitäten bereitgestellt. Jedenfalls dienen weder die Kapazitäten als Speicherkondensatoren für einen DC/DC-Steller, noch wird eine ZVS-Schaltfunktionalität angesprochen. WO 2020/256 690 A1 relates to a multi-stage DC/DC converter. This is used for bidirectional coupling of a battery to a DC bus system with a DC voltage network, photovoltaic system or charging station for electric vehicles. Two half-bridges connected in series have inductances at their center taps and thereafter parallel connected capacitances. A boost or step-down converter functionality is provided by the interaction of the inductances with the capacitances. In any case, the capacitances are not used as storage capacitors for a DC/DC converter, nor is a ZVS switching functionality addressed.
Es bleibt festzuhalten, dass der vorgenannte Stand der Technik keine Umschwingkondensatoren für eine ZVS-Schaltfunktionalität am Mittelabgriff der Halbbrücken darstellt und auch keine Speicherdrossel Ls+, Ls- und Speicherkondensatoren Cs für die Bereitstellung einer bidirektionalen Synchronwanderfunktionalität vorschlägt. It remains to be noted that the aforementioned prior art does not show any resonant capacitors for a ZVS switching functionality at the center tap of the half-bridges and also does not propose any storage choke Ls+, Ls- and storage capacitors Cs for providing a bidirectional synchronous conversion functionality.
Weiterhin ist bekannt, in einer DC/DC-Wandlung zur Bestimmung des Schaltpunktes der eingesetzten Halbleiterschalter das Prinzip des sogenannten Zero Voltage Swit chings (ZVS) zu nutzen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, indem resonante Schalttopologien eingesetzt werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Drain- Source-Spannung vor dem Einschalten des MOSFETs auf null geht, sodass dieser im spannungslosen Zustand einschalten kann. Ein sogenanntes ZVS-Schalten wird auch als weiches Schalten bezeichnet. Mit diesem Zero Voltage Switching Konzept lassen sich Schaltverluste insbesondere beim Einschalten praktisch vollständig beseitigen. Darüber hinaus lassen sich mit einem Umschwingkondensator am Schaltausgang ei ner Halbleiterbrücke, auch als Snubberkondensator bezeichnet, die Ausschaltverluste deutlich reduzieren. It is also known to use the principle of so-called zero voltage switching (ZVS) in a DC/DC conversion to determine the switching point of the semiconductor switches used, in order to achieve a high level of efficiency by using resonant switching topologies. This means that the drain-source voltage goes to zero before the MOSFET turns on, so that it can turn on when there is no voltage. So-called ZVS switching is also referred to as soft switching. With this Zero Voltage Switching concept, switching losses can be almost completely eliminated, especially when switching on. In addition, the turn-off losses can be significantly reduced with a reversing capacitor at the switching output of a semiconductor bridge, also referred to as a snubber capacitor.
Die aus dem Stand der Technik bekannten DC/DC-Wandler weisen entweder einen schlechten Wirkungsgrad auf, da ein ZVS-Konzept nicht umgesetzt werden kann, oder sie sind mit hohen Materialkosten belastet, da ein teurer und verlustbehafteter T rans- formator einzusetzen ist. The DC/DC converters known from the prior art either have poor efficiency, since a ZVS concept cannot be implemented, or they are burdened with high material costs, since an expensive and lossy transformer has to be used.
Daneben ermöglichen die bekannten Konzepte keine Zurverfügungstellung eines Aus gangpotentials, das erdsymmetrisch einstellbar ist, wobei es wünschenswert ist, das Spannungspotential des Ausgangspotentialabgriffs DC+, DC- gegen Erde zu limitieren oder zu minimieren, insbesondere eine erdsymmetrische Ausgangsspannung bereitzu stellen. In addition, the known concepts do not allow the provision of an output potential that can be set symmetrically to ground, it being desirable to limit or minimize the voltage potential of the output potential tap DC+, DC- to ground, in particular to provide an output voltage symmetric to ground.
Somit ist es Aufgabe der Erfindung, einen DC/DC-Wandler bereitzustellen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, bidirektional und trafolos eine Gleichspannungswand- lung vornimmt, insbesondere für den Betrieb in einer DC- Ladestation, oder als an triebstechnischer Energiewandler, sowie eine symmetrische DC-Ausgangspannung gegenüber der Erde bereitstellt. It is therefore the object of the invention to provide a DC/DC converter which has a high degree of efficiency, bidirectionally and without transformers a DC voltage wall tion, in particular for operation in a DC charging station, or as an operational energy converter, and provides a symmetrical DC output voltage with respect to ground.
Diese Aufgabe wird durch einen bidirektionalen DC/DC-Wandler nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Un teransprüche. This object is achieved by a bidirectional DC/DC converter according to the teaching of claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the subclaims.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen DC/DC-Wandler zur Umwandlung einer ein gangsseitigen Zwischenkreisspannung UZk in eine Ausgangsspannung Uout und umge kehrt, insbesondere eine transformatorlose Ladestation eines Energiespeichers, insbe sondere eines elektrochemischen Energiespeichers, oder zur Zwischenspeicherung von Energie eines Servoantriebes, oder zur Herabsetzung der Zwischenkreisspannung bei elektrischen Antrieben. Der DC/DC-Wandler umfasst eine Reihenschaltung zweier Halbbrücken H1, H2, mit jeweils zwei Halbleiterschaltern T1, T2 und T3, T4, wobei jede Halbbrücke H1, H2 zwischen einer eingangsseitigen Zwischenspannungspotential schiene ZK+, ZK- mit Zwischenkreisspannung UZk und einer Mittelpotentialschiene ZM mit symmetrischer, insbesondere erdsymmetrischer Mittelspannung UZk+, UZk- geschal tet ist. Jeder Mittelabgriff M1, M2 der Halbbrücke H1, H2 ist mit einer eigenen Spei cherdrossel LS+, LS- und einem, insbesondere gemeinsamen, Speicherkondensator Cs verbunden, sodass zwei bidirektionale Synchronwandler in Reihe geschaltet sind.The invention relates to a bidirectional DC/DC converter for converting an input-side intermediate circuit voltage U Zk into an output voltage U out and vice versa, in particular a transformerless charging station for an energy store, in particular an electrochemical energy store, or for temporarily storing energy from a servo drive, or for Reduction of the intermediate circuit voltage for electric drives. The DC/DC converter comprises a series connection of two half-bridges H1, H2, each with two semiconductor switches T1, T2 and T3, T4, with each half-bridge H1, H2 between an input-side intermediate voltage potential rail ZK+, ZK- with intermediate circuit voltage U Zk and a middle potential rail ZM with symmetrical, in particular symmetrical to ground, medium voltage U Zk+, U Zk - is switched. Each center tap M1, M2 of the half-bridge H1, H2 is connected to its own storage choke LS+, LS- and, in particular, a common storage capacitor Cs, so that two bidirectional synchronous converters are connected in series.
Es wird vorgeschlagen, dass am Mittelabgriff M1, M2 jeder Halbbrücke H1, H2 zumin dest ein separater Umschwingkondensator Czvs angeschlossen ist. It is proposed that at least one separate reversing capacitor C zvs be connected to the center tap M1, M2 of each half-bridge H1, H2.
Mit anderen Worten wird ein DC/DC-Wandler vorgeschlagen, der im Prinzip als Rei henschaltung zweier Synchronwandler angesehen werden kann. Zur Realisierung ei nes ZVS- Konzepts ist am Mittelabgriff jeder Halbbrücke, die jeweils einen Synchron wandler definiert, ein separater Umschwingkondensator Czvs, Czvs+, Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- angeschlossen. Der bzw. die Umschwingkondensatoren ermöglichen im Zusammenspiel mit einer abgestimmten Schaltung, insbes. einem hierauf abgestimm ten Tastgrad der Halbleiterschalter T1 bis T4, ein Null-Spannungs-Schalten (ZVS- Schalten), wobei erheblich Schaltverluste reduziert, Abwärme vermieden und Wir kungsgrad erhöht werden kann. Die Kapazität des bzw. der Umschwingkondensatoren kann je nach Schaltungsart und zu übertragender Leistung angepasst werden. Separat bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Umschwingkondensator als explizites und baulich getrenntes Bauteil mit einer Kapazität, die größer als eine typische Sperr schichtkapazität eines Halbleiterschalters, bereitgestellt ist, bzw. in Kombination mit dieser Sperrschichtkapazität eine genügend große ZVS- Kapazität bereitstellt. In other words, a DC/DC converter is proposed which, in principle, can be viewed as a series connection of two synchronous converters. To implement a ZVS concept, a separate reversing capacitor C zvs, C zvs+, C zvs -, C zvs++, C zvs+ -, C zvs-+, C zvs - is connected to the center tap of each half-bridge, each of which defines a synchronous converter. The reversing capacitor(s) enable zero-voltage switching (ZVS switching) in conjunction with a tuned circuit, especially a duty factor of the semiconductor switches T1 to T4 that is tuned to this, with switching losses being significantly reduced, waste heat being avoided and efficiency being increased can. The capacitance of the reversing capacitor(s). can be adjusted depending on the type of circuit and the power to be transmitted. In this context, separately means that the reversing capacitor is provided as an explicit and structurally separate component with a capacitance that is greater than a typical junction capacitance of a semiconductor switch, or in combination with this junction capacitance provides a sufficiently large ZVS capacitance.
Die eingangsseitige Zwischenkreisspannung UZk kann beispielsweise von einem vorge lagerten bidirektionalen Umrichter oder einem unidirektionalen Gleichrichter erdsym metrisch bereitgestellt werden. Beispielhaft kann die Spannung auch von einem, oder mehreren, in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen mit erdsymmetrischem Ausgang bereitgestellt werden. Mithilfe der in Reihe geschalteten Halbbrücken H1, H2 kann eine erdsymmetrische Ausgangsspannung mit den beiden Teilspannungen DC+ und DC- bereitgestellt werden. Dies hat Vorteile in Bezug auf die elektrische Sicherheit im Be trieb, und sorgt für eine reduzierte Belastung der Isolation, insbesondere für Ladestati onen für Batterien, insbesondere Fahrzeug-T raktionsbatterien, oder für die Ansteue rung von DC-Energiewandlern. So können bei elektrischen Antrieben durch erdsym metrische Herabsetzung der Zwischenkreisspannungen Motoren für eine niedrigere Isolationsspannung zwischen den Phasen und gegen Erde ausgelegt werden. In einem Fehlerfall, beispielsweise bei Erdschluss, kann der Ausgang zuverlässig abgeschaltet und eine Zerstörung des Leistungsteils verhindert werden, was bei einem vorgelager ten Wechselrichter nicht möglich wäre, da über die Freilaufdioden der Halbleiterschal ter weiter Strom fließen würde. The input-side intermediate circuit voltage U Zk can be provided, for example, by an upstream bidirectional converter or a unidirectional rectifier that is balanced to ground. For example, the voltage can also be provided by one or more photovoltaic modules connected in series with a balanced-to-earth output. With the help of the series-connected half-bridges H1, H2, a ground-symmetrical output voltage with the two partial voltages DC+ and DC- can be provided. This has advantages in terms of electrical safety during operation and ensures reduced stress on the insulation, in particular for charging stations for batteries, in particular vehicle traction batteries, or for controlling DC energy converters. In the case of electrical drives, motors can be designed for a lower insulation voltage between the phases and to earth by reducing the intermediate circuit voltages sym metrically to earth. In the event of a fault, for example a ground fault, the output can be reliably switched off and the power unit prevented from being destroyed, which would not be possible with an upstream inverter, since current would continue to flow via the freewheeling diodes of the semiconductor switch.
Durch die an den Mittelabgriffen M1, M2 der Halbbrücken H1, H2 angeschlossenen Umschwingkondensatoren Czvs kann eine Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt reduziert und damit das EMV-Verhalten deutlich verbessert werden, da rasche Span nungssprünge vermieden werden. Überspannungen an den Halbleitern können deut lich reduziert werden, da ein weiches Schalten bzw. ein ZVS-Schalten ermöglicht wird. Die zulässige Zwischenkreisspannung UZk kann auf annähernd das Doppelte der Sperrspannung eines Halbleiters ausgelegt werden, sodass für eine hohe Zwischen kreisspannung UZk von 900-1000 V oder höher Halbleiterschalter mit Sperrspannungen von 900 V oder weniger, insbesondere kleiner oder gleich 750 V oder weniger, einge setzt werden können. Dies kann beispielsweise durch SiC-Mosfets erreicht werden. Dabei ist auch eine Sperrspannung bis hinab zu 650 V möglich. Dadurch wird es er möglicht, bei entsprechend hohen Eingangsspannungen UZk große Ausgangsspan- nungsbereiche U0ut von unter 200 V bis zu 920 V DC abzudecken. Da die zulässige Sperrspannung von Si-MOSFETs stark temperaturabhängig ist, kann mit SiC- Mosfets selbst bei extrem tiefen Temperaturen eine Ausgangsspannung U0ut von 920 V zuver lässig bereitgestellt werden. A voltage rise rate du/dt can be reduced by the reversing capacitors C zvs connected to the center taps M1, M2 of the half-bridges H1, H2, and the EMC behavior can thus be significantly improved since rapid voltage jumps are avoided. Overvoltages on the semiconductors can be significantly reduced, since soft switching or ZVS switching is enabled. The permissible intermediate circuit voltage U Zk can be designed for almost twice the blocking voltage of a semiconductor, so that for a high intermediate circuit voltage U Zk of 900-1000 V or higher, semiconductor switches with blocking voltages of 900 V or less, in particular less than or equal to 750 V or less, can be used. This can be achieved, for example, with SiC MOSFETs. A blocking voltage down to 650 V is also possible. This makes it possible for correspondingly high input voltages U Zk to produce large output voltages. voltage ranges U 0ut from below 200 V up to 920 V DC. Since the permissible blocking voltage of Si MOSFETs is highly temperature-dependent, an output voltage U 0ut of 920 V can be reliably provided with SiC MOSFETs even at extremely low temperatures.
Durch die Umsetzung des ZVS-Schaltprinzips können Reverse Recovery Effekte ver mieden werden, da keine Sperrspannung auf eine leitende Diode aufgeschaltet wird. Durch ein praktisch spannungsloses Einschalten treten keine Reverse Recovery Ver luste auf und durch einen abreißenden Diodenstrom resultierende EMV-Probleme kön nen verhindert werden. Hierdurch treten praktisch keine Einschaltverluste mehr auf, wobei auch Ausschaltverluste reduziert werden können. Letztlich wird durch die vorge schlagene Schalttopologie der Wirkungsgrad deutlich erhöht, sowie das EMV- Verhalten verbessert. Auftretende Spannungen gegenüber Erde können minimiert werden, sowie Schaltüberspannungen begrenzt werden. Insbesondere können Leis tungen bis zu 22 kW, insbesondere beim Einsatz als Ladegerät für ein Elektrofahrzeug oder als Zwischenkreis-Spannungswandler für Elektroantriebe bereitgestellt werden. Gegenüber herkömmlichen DC/DC-Wandlern kann ein verminderter Aufwand bezüg lich des EMV-Ausgangsfilters und eine hohe Materialersparnis durch einen Verzicht auf einen Wandlertransformator erreicht werden. Der Wirkungsgrad wird derart verbessert, dass über die Laufzeit eine hohe Energieeinsparung bei der Anwendung, beispielswei se in privaten Haushalten, erreicht werden kann. By implementing the ZVS switching principle, reverse recovery effects can be avoided because no blocking voltage is applied to a conductive diode. Since it is switched on with virtually no voltage, there are no reverse recovery losses and EMC problems resulting from a diode current failure can be prevented. As a result, there are practically no more turn-on losses, and turn-off losses can also be reduced. Ultimately, the proposed switching topology significantly increases efficiency and improves EMC behavior. Voltages that occur relative to ground can be minimized and switching overvoltages can be limited. In particular, powers of up to 22 kW can be provided, especially when used as a charger for an electric vehicle or as an intermediate circuit voltage converter for electric drives. Compared to conventional DC/DC converters, the effort required for the EMC output filter can be reduced and a large amount of material can be saved by doing without a converter transformer. The efficiency is improved in such a way that a high level of energy savings can be achieved over the service life, for example in private households.
Die Speicherdrosseln können getrennt ausgeführt und magnetisch ungekoppelt einge setzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform können die beiden Speicherdros seln LS+, LS- als Speichertransformator Ts magnetisch gekoppelt ausgeführt sein. Da bei sind die beiden Speicherdrosseln LS+, LS- jedes Synchronwandlers nach Art eines Speichertransformators Ts auf einem gemeinsamen magnetischen Kern angeordnet und magnetisch gekoppelt. Dadurch ist eine Kosteneinsparung erreichbar, auch kann eine Bauplatzersparnis auf der Schaltungsplatine erreicht werden. The storage chokes can be designed separately and used in a magnetically uncoupled manner. In an advantageous embodiment, the two storage inductors LS+, LS- can be designed as a storage transformer T s magnetically coupled. The two storage inductors LS+, LS- of each synchronous converter are arranged in the manner of a storage transformer Ts on a common magnetic core and are magnetically coupled. As a result, cost savings can be achieved, and space can also be saved on the circuit board.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Speicherkondensator Cs zwischen den Ausgangsseiten der beiden Speicherdrosseln l_s+, Ls- zur gemeinsamen Nutzung der beiden in Reihe geschalteten bidirektionalen Synchronwandler geschaltet werden. Durch den Speicherkondensator Cs, der die Ausgangsseiten in Richtung der Aus gangspotentialabgriffe DC+, DC- die beiden Ausgänge der Speicherdrosseln LS+, LS- verbindet, kann die Ausgangsspannung U0ut stabilisiert und Schaltfrequenzanteile un terdrückt werden. In an advantageous embodiment, a storage capacitor C s can be connected between the output sides of the two storage chokes l_s + , Ls- for sharing the use of the two series-connected bidirectional synchronous converters. Through the storage capacitor C s , which connects the output sides in the direction of the output potential taps DC+, DC- the two outputs of the storage chokes LS+, LS- connects, the output voltage U 0 ut can be stabilized and switching frequency components can be suppressed.
In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Halbleiterschalter T 1 , T2, T3, T4 als Hochspannungs-MOSFET-Schalttransistoren mit einer niedrigen Sperrspannung < 900 V, insbesondere < 750 V ausgeführt werden. Hierdurch ist es möglich, eine Ausgangs spannung Uo t von 920 V oder mehr zu erreichen. Derartige Halbleiter mit niedriger Sperrspannung, z. B. Halbleiter der Serie INFINEON CoolMOS können kostengünstig und mit geringen Schaltverlusten eingesetzt werden. In an advantageous embodiment, the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 can be designed as high-voltage MOSFET switching transistors with a low blocking voltage <900 V, in particular <750 V. This makes it possible to achieve an output voltage U ot of 920 V or more. Such semiconductors with a low blocking voltage, e.g. B. Semiconductors from the INFINEON CoolMOS series can be used cost-effectively and with low switching losses.
Vorteilhaft, insbesondere für die vorgenannte Ausführungsform, können als Halbleiter schalter SiC-FETs verwendet werden, die einen SiC-JFET mit einem Si-MOSFET in einer Kaskodenschaltung kombinieren, beispielsweise das Modell UJ4C075018K4S von UnitedSiC. Die SiC-Kaskode bietet das Schaltverhalten eines selbstsperrenden MOSFETs mit den positiven elektrischen Eigenschaften eines Siliziumcarbid- Transistors. Derartige Halbleiterschalter können vorteilhaft für Sperrspannungen bis zu 750 V ausgelegt sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform können jeweils zwei kor respondierende Halbleiterschalter T1 & T4 bzw. T2 & T3 der beiden Halbbrücken H1 , H2 gleichzeitig geschaltet werden, insbesondere mit einer identischen Einschaltverzö gerung gleichzeitig geschaltet werden. Die Einschaltverzögerung dient dazu, die Span nung an den Umschwingkondensatoren umschwingen zu lassen. Dabei kann eine symmetrische Modulation der Ansteuersignale der Halbleiterschalter T1 & T4 bzw. T2 & T3 erreicht werden. Advantageously, in particular for the aforementioned embodiment, SiC-FETs can be used as semiconductor switches, which combine a SiC-JFET with a Si-MOSFET in a cascode circuit, for example the model UJ4C075018K4S from UnitedSiC. The SiC cascode offers the switching behavior of a self-locking MOSFET with the positive electrical properties of a silicon carbide transistor. Such semiconductor switches can advantageously be designed for blocking voltages of up to 750 V. In an advantageous embodiment, two corresponding semiconductor switches T1 & T4 or T2 & T3 of the two half-bridges H1, H2 can be switched simultaneously, in particular with an identical switch-on delay. The switch-on delay is used to allow the voltage at the reversing capacitors to reverse. A symmetrical modulation of the control signals of the semiconductor switches T1 & T4 or T2 & T3 can be achieved.
In einer hierzu weitergehenden Ausführungsform ist es möglich, dass die Halbleiter schalter T1, T2, T3, T4 zur steuerbaren Symmetrierung der Mittelspannung UZK+, UZK- des Zwischenkreises mit unterschiedlichen Ausschaltverzögerungen schaltbar sind, sodass Uzk+ und Uzk- um ZM symmetrierbar sind. Darauf aufbauend kann durch die symmetrische Modulation von H1 und H2 eine steuerbare Symmetrierung der Aus gangsspannung Uout an den beiden Ausgangspotentialabgriffen DC+, DC- gegenüber ZM und dadurch gegenüber Erde erreicht werden. Hierdurch ist es möglich die Sym metrierung der Ausgangsspannung Uout zu erreichen. So können Unsymmetrien in den Bauteilparametern wie z. B. unterschiedliche Schaltgeschwindigkeiten kompensiert werden. ln einer vorteilhaften Ausführungsform können die Halbleiterschalter T 1 , T2, T3, T4 zur Erzeugung eines Speicherdrosselstroms bzw. Speichertransformatorstroms mit einer Rippleamplitude größer als ein Mittelwert des DC-Stroms schaltbar sein, so dass der Drosselstrom zwischen zwei Schaltvorgängen jeweils einen Nulldurchgang aufweist. So kann ein ZVS-Einschalten stets sichergestellt werden. Die Ripplestromamplitude ist dabei höher als der Mittelwert des Drosselstroms, somit hat ein Drosselstrom zwischen zwei Schaltvorgängen stets einen Nulldurchgang erfahren, was Voraussetzung für ein ZVS-Einschalten ist. Insbesondere kann durch eine Stromregelung, beispielsweise ei nen Hysterese-Stromregler, der die Schaltung der Halbleiterschalter steuert, ein Maxi mal- und ein Minimalwert des Drosselstroms derart gesteuert werden, so dass jeweili ge Halbleiterschalter ausgeschaltet werden, wenn der Maximalwert bzw. Minimalwert erreicht wird. Ziel dabei ist es, jeweils genug Energie in der Speicherdrossel zu spei chern, um die Umschwingkondensatoren umzuladen, hieraus ergibt sich dann die an gestrebte Regelung des Mittelwerts des Drosselstroms. In an embodiment that goes further in this regard, it is possible for the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 to be switchable with different switch-off delays for the controllable balancing of the medium voltage UZK+, UZK- of the intermediate circuit, so that Uzk+ and Uzk- can be balanced by ZM. Based on this, the symmetrical modulation of H1 and H2 can be used to achieve controllable balancing of the output voltage U out at the two output potential taps DC+, DC- with respect to ZM and thus to ground. This makes it possible to balance the output voltage Uout. In this way, asymmetries in the component parameters such as e.g. B. different switching speeds can be compensated. In an advantageous embodiment, the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 can be switched to generate a storage inductor current or storage transformer current with a ripple amplitude greater than a mean value of the DC current, so that the inductor current has a zero crossing between two switching processes. In this way, ZVS switch-on can always be ensured. The ripple current amplitude is higher than the mean value of the inductor current, so an inductor current has always experienced a zero crossing between two switching processes, which is a prerequisite for ZVS switching on. In particular, a maximum and minimum value of the inductor current can be controlled by a current controller, for example a hysteresis current controller that controls the switching of the semiconductor switches, so that the respective semiconductor switches are switched off when the maximum or minimum value is reached. The aim is to store enough energy in the storage choke to charge the reversing capacitors, which then results in the desired control of the mean value of the choke current.
Somit können die Halbleiterschalterpaare T 1 und T4 bzw. T2 und T3 entweder mit identischen oder mit voneinander verschiedenen Einschaltzeiten geschaltet werden, wobei Einschaltverluste vernachlässigbar sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Halbleiterschalter T 1 , T2, T3, T4 im Zusammenspiel mit dem Umschwing kondensator Czvs, Czvs+, Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- ZVS-schaltbar (Zero Voltage Swit ching) sein, insbesondere spannungslos, nahezu verlustfrei einschaltbar, sowie mit be grenzter Spannungsanstiegsgeschwindigkeit verlustarm ausschaltbar sein. Ein verlust armes Ausschalten kann sich dabei durch eine Begrenzung der Spannungsanstiegs geschwindigkeit ergeben, wobei die Halbleiterschalter, insbesondere Schalttransistoren schneller ausschalten, als sich eine Spannung aufbauen kann. Durch Umsetzen des ZVS-Schaltprinzips werden der Wirkungsgrad deutlich erhöht, thermische Abwärme des DC/DC-Wandlers minimiert und die Lebensdauer stark verlängert, sodass sowohl Energiekosten minimiert als auch die Lebenseinsatzdauer des DC/DC-Wandlers deut lich erhöht werden können. The semiconductor switch pairs T1 and T4 or T2 and T3 can thus be switched either with identical switch-on times or with different switch-on times, with switch-on losses being negligible. In an advantageous embodiment, the semiconductor switches T 1 , T2 , T3 , T4 can be switched in conjunction with the resonant capacitor Czvs, Czvs+, Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- ZVS (Zero Voltage Switching) in particular, it can be switched on with almost no loss of voltage and switched off with low losses with a limited voltage rise rate. Low-loss turn-off can result from limiting the voltage rise rate, with the semiconductor switches, in particular switching transistors, turning off faster than a voltage can build up. By implementing the ZVS switching principle, the efficiency is significantly increased, thermal waste heat from the DC/DC converter is minimized and the service life is greatly extended, so that both energy costs are minimized and the service life of the DC/DC converter can be significantly increased.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein Umschwingkondensator Czvs+, Czvs- pro Halbbrücke H1, H2 zugeordnet sein, bevorzugt jeweils ein Umschwing kondensator Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- pro Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4 parallel ge schaltet sein. Somit ist jedem Halbleiterschalter ein Umschwingkondensator zugeord net, so dass eine Schaltüberspannung beim Ausschalten minimiert wird. Der Um- schwingkondensator ist insbesondere für ein Ausschalten relevant. Durch zusätzliche Umschwingkondensatoren an den Halbbrückenausgängen bzw. parallel zu den Halb leiterschaltern T1, T2, T3, T4 kann ein verlustarmes Ausschalten erreicht werden. Durch eine leicht abweichende Ausschaltverzögerung kann gleichwohl eine Symmet rierung der Mittelspannung UZk+, UZk-erreicht werden. Alternativ kann bereits durch ei nen einzigen Kondensator Czvs zwischen den beiden Halbbrückenausgängen M1 , M2 bereits ein weiches Schalten erreicht werden. Selbst bei Verzicht auf einen Um schwingkondensator können die Schaltverluste beim ZVS-Schalten kleiner ausfallen als bei einem harten Schalten, da die Drain/Source-Kapazität, d. h. Sperrschichtkapazi tät der Halbleiter als Umschwingkondensator verwendet werden kann. In einer vorteil haften Ausführungsform kann ein Stromregler Coni zur Erfassung zumindest eines Drosselstroms ILS zumindest einer Speicherdrossel Ls+, Ls- umfasst sein, insbesondere zur Erfassung aller Drosselströme ILS+, ILS- der beiden Speicherdrosseln Ls+, L s. Der Stromregler Coni kann eingerichtet sein, auf Basis des erfassten Drosselstroms ILS Schaltsignale ST1, ST2, ST3, ST4 der Halbleiterschalter T 1 , T2, T3, T4 insbesondere zur Regelung eines Maximal- und eines Minimalwertes des Drosselstroms ILS, ZU er zeugen. Durch eine Regelung des Maximalwertes und des Minimalwertes des bzw. der Drosselströme wird eine Ripplestromregelung erreicht, wodurch zusätzlich der Mittel wert des Drosselstroms einstellbar ist. In der Regel sind die Schaltsignale ST1 & ST 4 sowie ST2 & ST 3 synchron zueinander, wodurch eine Gleichtaktspannung am Aus gang unter Berücksichtigung der ZVS-Anforderungen an die Schaltvorgänge vermie den werden kann. Die Einschaltverzögerung dient dazu, die Spannung an den Um schwingkondensatoren, d. h. den ZVS-Kondensatoren umschwingen zu lassen. Der Stromregler arbeitet somit als Hystereseregler zur Bestimmung der Einschaltverzöge rung. Durch eine leichte Variation einer Ausschaltverzögerung der einzelnen Schaltsig nale kann zudem eine aktive Symmetrierung der Mittelspannung UZk+, UZk- erreicht wer den. Die Generierung der Schaltsignale kann auf Basis des Drosselstroms I LS zumin dest einer, bevorzugt beider Speicherdrosseln +, Ls-, erfolgen, sodass eine geregelte Bereitstellung der Ausgangsspannung Uout ermöglicht werden kann. Eine Überschrei tung eines Maximalwertes bzw. Unterschreiten eines Minimalwertes eines Drossel stroms kann durch den bevorzugt als Hystereseregler ausgeführten Stromregler das Ausschalten bzw. Einschalten entsprechender Halbleiterschalter bewirken. Dessen Schalthysterese wird somit durch einen Maximal- und Minimalwert des Drosselstroms, die zumindest einen Nulldurchgang des Drosselstroms je Schaltperiode sicherstellen sollten, definiert. In an advantageous embodiment, at least one reversing capacitor Czvs+, Czvs- per half-bridge H1, H2 can be assigned, preferably one reversing capacitor Czvs++, C zvs +-, Czvs-+, Czvs- per semiconductor switch T1, T2, T3, T4 connected in parallel be. A resonant capacitor is thus assigned to each semiconductor switch, so that a switching overvoltage when switching off is minimized. the oscillating capacitor is especially relevant for turning off. Low-loss turn-off can be achieved by additional reversing capacitors at the half-bridge outputs or parallel to the semiconductor switches T1, T2, T3, T4. A balancing of the medium voltage U Zk+, U Zk - can nevertheless be achieved by a slightly different switch-off delay. Alternatively, soft switching can already be achieved by a single capacitor C zvs between the two half-bridge outputs M1, M2. Even if there is no oscillating capacitor, the switching losses in ZVS switching can be lower than with hard switching, since the drain/source capacitance, ie the junction capacitance of the semiconductors, can be used as an oscillating capacitor. In an advantageous embodiment, a current controller Coni for detecting at least one inductor current ILS of at least one storage choke Ls + , Ls- can be included, in particular for detecting all inductor currents ILS+, ILS- of the two storage chokes Ls + , Ls. The current controller Coni can be set up , On the basis of the detected inductor current ILS switching signals ST1, ST2, ST3, ST4 of the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 in particular for controlling a maximum and a minimum value of the inductor current ILS , ZU he testify. Ripple current control is achieved by controlling the maximum value and the minimum value of the inductor current(s), whereby the mean value of the inductor current can also be adjusted. As a rule, the switching signals ST1 & ST 4 as well as ST2 & ST 3 are synchronous with one another, which means that a common-mode voltage at the output can be avoided, taking into account the ZVS requirements for the switching processes. The switch-on delay is used to allow the voltage to swing around the capacitors, ie the ZVS capacitors. The current controller thus works as a hysteresis controller to determine the switch-on delay. By slightly varying the turn-off delay of the individual switching signals, active balancing of the mean voltage U Zk+, U Zk - can also be achieved. The switching signals can be generated on the basis of the inductor current I LS at least one, preferably both storage inductors + , Ls-, so that the output voltage U out can be made available in a regulated manner. If an inductor current exceeds a maximum value or falls below a minimum value, the current controller, which is preferably designed as a hysteresis controller, can cause corresponding semiconductor switches to be switched on or off. Its switching hysteresis is thus determined by a maximum and minimum value of the inductor current, which ensure at least one zero crossing of the inductor current per switching period should, defined.
Vorteilhaft kann der Stromregler Coni alle Drosselströme Ls+, ILS- der Speicherdrosseln Ls+, Ls- separat erfassen, wodurch die Schaltimpulse ST1, ST2, ST3, ST4 in Abhängig keit der Drosselströme Ls+, s- einstellbar sind. Daneben kann vorteilhaft durch eine Stromdifferenzbildung der Drosselströme Ls+ - Ls-, zumindest bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Stro m d iff e re nzbetrag es ein Differenzstromfehler, insbesondere ein Stromversorgungsfehler, z.B. ein Leckstrom, erkannt werden, wonach beispielsweise der Stromregler Coni oder eine übergeordnete Steuereinheit Schaltimpulse unterbin den und somit den Gleichspannungswandler 20 abschalten kann. Alternativ oder er gänzend können andere Abschalteinrichtungen, insbesondere Schütze, zum Abschal ten genutzt werden, wenn durch eine Stromdifferenzbildung der Drosselströme Ls+ - Ls- zumindest bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Stromdifferenzbetrages ein Dif ferenzstromfehler, insbesondere ein Leckstrom, erkannt wird. Advantageously, the current controller Coni all inductor currents Ls +, ILS- of the storage inductors Ls + , Ls- can be detected separately, whereby the switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 are adjustable as a function of the inductor currents Ls +, s-. In addition, a differential current error, in particular a power supply error, e.g. a leakage current, can advantageously be detected by a current difference formation of the inductor currents Ls + - Ls- , at least when a predeterminable current difference amount is exceeded, after which, for example, the current regulator Coni or a higher-level control unit switching pulses unterbin the and thus the DC-DC converter 20 can turn off. Alternatively or in addition, other switch-off devices, in particular contactors, can be used for switching off if a differential current error, in particular a leakage current, is detected by forming a current difference between the inductor currents Ls + - Ls- at least when a predeterminable current difference amount is exceeded.
In der Regel können die Speicherdrossel +, L s- separat und baulich getrennt ausge führt sein, und magnetisch nicht verkoppelt sein. Bevorzugt sind dabei die Speicher drosselen Ls+, L s- mit gleicher Induktivität ausgeführt. Durch eine vorteilhafte Weiterbil dung der Erfindung kann der Speichertransformator Ts zwei symmetrische Wicklungen der beiden Speicherdrosseln Ls+, L s- mit gleicher Windungszahl auf einem gemeinsa men Magnetkern umfassen. Dabei kann bei Hochleistungsanwendungen bevorzugt der Speichertransformator Ts eine Gesamtinduktivität von 20 pH oder weniger und/oder eine Gesamtwindungszahl mit neun Windungen oder weniger aufweisen. Bei einer Anwendung mit geringer Leistungsanforderung, beispielsweise einer Ladestation mit geringer Leistung kleiner 10 kW können auch höhere Gesamtinduktivitäten >20 pH und größere Windungszahlen eingesetzt werden. Bei einem großen Ripplestrom, der zu mindest Nulldurchgänge im Drosselstrom erzeugt, kann der Speichertransformator Ts eine geringe Induktivität und wenige Windungen aufweisen. Dadurch treten geringe Kupferverluste und vernachlässigbare parasitäre Windungskapazitäten auf. Geringe Windungskapazitäten sind wiederum günstig in Bezug auf das EMV-Verhalten, insbe sondere können unerwünschte kapazitive Ableitströme in den Ausgängen vermieden werden und ein ausgangsseitiger Gleichtaktfilter kann entfallen oder einfach ausgestal tet sein. Bei einer herkömmlichen Auslegung des Speichertransformators Ts auf einen Ripplestromeffektivwert von zehn Prozent des DC-Stroms würde man hingegen eine praktisch neunfache Gesamtinduktivität bis zu 180 pH, d. h. bis zu 90 pH pro Spei- cherdrossel Ls+, Ls-, und eine dreifache Windungszahl bis zu 27 Windungen oder mehr benötigen. Bei angenommen unveränderten Wickelfensterquerschnitten mit gleichem Füllfaktor wäre der Kupferwiderstand um den Faktor neun höher. Dies zeigt, dass bei der Auslegung auf einen hohen Ripplestrom mit Nulldurchgängen trotz des ca. 30 % höheren Drosselstromeffektivwerts die Kupferverluste in der Drossel massiv gesenkt werden können, wobei diese Einsparungen in der Realität nicht ganz so dramatisch ausfallen, da der Einfluss eines Skineffektes bei hohen Schaltfrequenzen nicht berück sichtigt ist, der bei einem hohen Ripplestrom nicht zu vernachlässigen ist. Jedenfalls sind die Kernverluste deutlich geringer als die Kupferverluste und diese können bei ein fach ausgeführten Speicherdrosselkonfigurationen deutlich herabgesetzt werden. Ins besondere können bei gestapelten Ferritkernen die erforderlichen Innenquerschnitte durch den für die Wicklung benötigten Kupferquerschnitt bestimmt werden. As a rule, the storage choke + , L s- can be designed separately and structurally separate, and not magnetically coupled. The storage chokes Ls + , Ls- are preferably designed with the same inductance. As a result of an advantageous further development of the invention, the storage transformer Ts can comprise two symmetrical windings of the two storage chokes Ls + , L s- with the same number of turns on a common magnetic core. In the case of high-power applications, the storage transformer Ts can preferably have a total inductance of 20 pH or less and/or a total number of turns of nine turns or less. In an application with a low power requirement, for example a charging station with a low power of less than 10 kW, higher total inductances >20 pH and a larger number of turns can also be used. With a large ripple current, which produces at least zero crossings in the inductor current, the storage transformer Ts can have a low inductance and few turns. This results in low copper losses and negligible parasitic winding capacitances. In turn, low winding capacitances are favorable with regard to the EMC behavior; in particular, undesired capacitive leakage currents in the outputs can be avoided and a common-mode filter on the output side can be omitted or simply designed. With a conventional design of the storage transformer Ts for an effective ripple current value of ten percent of the DC current, on the other hand, a practically nine-fold total inductance of up to 180 pH, ie up to 90 pH per storage chokes need Ls + , Ls-, and a triple number of turns up to 27 turns or more. Assuming unchanged winding window cross sections with the same fill factor, the copper resistance would be nine times higher. This shows that when designed for a high ripple current with zero crossings, the copper losses in the choke can be massively reduced despite the approx. 30% higher rms choke current value, although these savings are not quite as dramatic in reality, since the influence of a skin effect at high Switching frequencies is not taken into account, which is not negligible with a high ripple current. In any case, the core losses are significantly lower than the copper losses and these can be significantly reduced with simple storage choke configurations. In particular, in the case of stacked ferrite cores, the required internal cross-sections can be determined by the copper cross-section required for the winding.
Im Vergleich zum hartschaltenden Betrieb der aus dem Stand der Technik bekannten DC/DC-Wandler gestaltet sich ein höherer Ripplestrom für die die Zwischenkreiskon densatoren CZK oder Ausgangskondensatoren, insbesondere Cs, unproblematisch, da verlustarme Folienkondensatoren eingesetzt werden können. Für die Umschwingkon densatoren Czvs können vorzugsweise verlustarme Keramikkondensatoren in SMD- Ausführung eingesetzt werden. Die Ripplestrombelastung des Zwischenkreises ist nur geringfügig höher als im hartschaltenden Betrieb. Compared to the hard-switching operation of the DC/DC converters known from the prior art, a higher ripple current for the intermediate circuit capacitors CZK or output capacitors, in particular Cs, is unproblematic since low-loss film capacitors can be used. Low-loss ceramic capacitors in SMD design can preferably be used for the reversing capacitors Czvs. The ripple current load of the intermediate circuit is only slightly higher than in hard-switching operation.
Sowohl der Maximal- und Minimalwert des Drosselstroms, und somit der Drossel strommittelwert als auch die Ripplestromamplitude können durch den Strom regier Coni geregelt werden, insbesondere derart, dass die Halbleiterschalter derart geschaltet werden, dass sich Nulldurchgänge im Drosselstrom einstellen. Der Mittelwert des Drosselstroms ILS bestimmt den Wirk-Energie-T ransfer und die Energieflussrichtung. Die Ripplestromamplitude bestimmt die für das ZVS-Schalten im DC/DC-Wandler zir kulierende Blindenergie, wobei so viel Energie in der Drosselspule gespeichert bleibt, dass die Umschwingkondensatoren umgeladen werden können. Both the maximum and minimum value of the inductor current, and thus the mean inductor current value and the ripple current amplitude can be regulated by the current governor Coni, in particular such that the semiconductor switches are switched in such a way that zero crossings occur in the inductor current. The mean value of the inductor current ILS determines the active energy transfer and the energy flow direction. The ripple current amplitude determines the reactive energy circulating in the DC/DC converter for ZVS switching, with so much energy remaining stored in the choke coil that the reversing capacitors can be recharged.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann zwischen dem Speicherkon densator Cs und dem ausgangsseitigen Ausgangspotentialabgriffs DC+, DC- eine Fil terstufe FIS nachgeschaltet sein. Insbesondere kann diese Filterstufe FIS zumindest eine stromkompensierte Drossel Us und eine Kondensatorbrücke HC mit zwei in Reihe geschalteten Mittelspannungs-Filterkondensatoren Cis+, Cis- umfassen, die hochfre- quente Spannungsanteile der Ausgangsspannung U0ut herausfiltern können. Bevorzugt kann am Mittelabgriff der Kondensatorbrücke HC ein Erdungs-Filterkondensator CISG mit einem Erd potential verbunden sein, um wiederum eine hochfrequente Erdung des DC-Ausgangs zu erreichen. Gleichwohl kann jeweils ein Filterkondensator zwischen DC+ bzw. DC- und Erde geschaltet sein, und ein weiterer Filterkondensator zwischen DC+ und DC- geschaltet sein. Gleichwohl kann auch ein abweichendes Filterkonden satornetzwerk eingesetzt werden. In an advantageous development of the invention, a filter stage FIS can be connected downstream between the storage capacitor C s and the output potential tap DC+, DC- on the output side. In particular, this filter stage FIS can include at least one current-compensated choke Us and a capacitor bridge HC with two series-connected medium-voltage filter capacitors Cis + , Cis-, which have high-frequency can filter out quente voltage components of the output voltage U 0 ut. A grounding filter capacitor CISG can preferably be connected to a ground potential at the center tap of the capacitor bridge HC, in order in turn to achieve high-frequency grounding of the DC output. Nevertheless, one filter capacitor can be connected between DC+ or DC- and ground, and another filter capacitor can be connected between DC+ and DC-. However, a different filter capacitor network can also be used.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Zwischenkreisspannung UZK 950 V oder höher sein, um einen Bereich der Ausgangsspannung L t von zumindest zwi schen 200 V bis 920 V einzustellen. In an advantageous embodiment, the intermediate circuit voltage UZK can be 950 V or higher in order to set a range of the output voltage L t of at least between 200 V and 920 V's.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann jeder Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4 eine Parallelschaltung von zwei oder mehreren Schalttransistoren umfas sen. Durch diese Parallelschaltung können der Halbleiterwirkungsgrad in gewissen Grenzen erhöht, sowie höhere Ausgangsleistungen zur Verfügung gestellt werden. Die Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4 weisen aufgrund des ZVS-Schaltverhaltens lediglich Durchlassverluste und keine Einschaltverluste sowie geringe Ausschaltverluste auf, wobei weiterhin die Durchlassverluste durch ein Parallelschalten von Halbleitern wei terhin minimiert und die Effizienz gesteigert werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, each semiconductor switch T1, T2, T3, T4 can include a parallel connection of two or more switching transistors. This parallel connection allows the semiconductor efficiency to be increased within certain limits and higher output powers to be made available. Due to the ZVS switching behavior, the semiconductor switches T1, T2, T3, T4 only have on-state losses and no turn-on losses and low turn-off losses, with the on-state losses being further minimized and efficiency increased by connecting semiconductors in parallel.
In einem nebengeordneten Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines vorgenannten bidirektionalen DC/DC-Wandlers vorgeschlagen, wobei die Halbleiterschalter T 1 bis T4 zum Betrieb zweier Synchronwandler im Zusammenspiel mit den beiden Speicher drosseln LS+, LS+ und dem Speicherkondensator Cs zur Umwandlung einer ein gangsseitigen Zwischenkreisspannung UZK in eine Ausgangsspannung Uout und umge kehrt geschaltet werden. Hierzu wird zumindest ein am Mittelabgriff jeder Halbbrücke H1, H2 angeschalteter separater Umschwingkondensator Czvs derart genutzt, um einen ZVS- Betrieb unter Bereitstellung einer erdsymmetrischen Ausgangsspannung zu er möglichen. Das Verfahren wird durch Vorgabe von Schaltsignalen eines Stromreglers Coni durchgeführt, der den Tastgrad der Halbleiterschalter T1 bis T4 entsprechend ein stellt, um eine verlustarme und mittelpunktsymmetrische Spannungswandlung bereit zustellen. Dazu können beispielsweise Strom- oder Spannungsmesswerte, wie z. B. Drosselstromwerte herangezogen werden. So kann beispielswerte auf Basis zumindest eines Drosselstroms s, der einen Ripp- lestrom mit einer Amplitude höher als ein Mittelwert des Drosselstroms zur Erzeugung von Nulldurchgängen aufweist, eine Steuerung des Tastgrades der Halbleiterschalter T1 , T2, T3 und T4 vorgenommen werden. Hierzu kann der Stromregler Coni vier Schal timpulse ST1, ST2, ST3, ST4 als Gate-Spannung der Halbleiterschalter T 1 , T2, T3, T4 erzeugen. Diese können so eingestellt werden, dass jeweilige Halbleiterschalter aus geschaltet werden, wenn ein Maximal- bzw. Minimalwert erreicht ist, wobei ausrei chend Energie in der Speicherdrossel gespeichert ist, um ein Umladen der Um schwingkondensatoren zu ermöglichen. In a secondary aspect, a method for operating an aforementioned bidirectional DC/DC converter is proposed, with the semiconductor switches T1 to T4 for operating two synchronous converters in conjunction with the two storage chokes LS+, LS+ and the storage capacitor Cs for converting an input-side intermediate circuit voltage UZK can be switched into an output voltage U out and vice versa. For this purpose, at least one separate reversing capacitor C zvs connected to the center tap of each half-bridge H1, H2 is used in such a way as to enable ZVS operation while providing an output voltage balanced to ground. The method is carried out by specifying switching signals from a current regulator Coni, which adjusts the duty cycle of the semiconductor switches T1 to T4 accordingly in order to provide low-loss and center-symmetrical voltage conversion. For this purpose, for example, measured current or voltage values, such as e.g. B. inductor current values can be used. For example, based on at least one inductor current s, which has a ripple current with an amplitude higher than a mean value of the inductor current for generating zero crossings, the duty cycle of the semiconductor switches T1, T2, T3 and T4 can be controlled. For this purpose, the current regulator Coni can generate four switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 as the gate voltage of the semiconductor switches T1, T2, T3, T4. These can be set in such a way that the respective semiconductor switches are switched off when a maximum or minimum value is reached, with sufficient energy being stored in the storage inductor in order to enable the resonant capacitors to be recharged.
Auch kann der Stromregler Coni zur Sicherheits-Stromüberwachung beide Drossel ströme ILS+, Ls- der Speicherdrosseln Ls+, - separat erfassen. Sofern ein Differenz strom ungleich Null auftritt, kann der Gleichspannungswandler abgeschaltet werden. The current controller Coni for safety current monitoring can also record both inductor currents ILS+, Ls- of the storage inductors Ls +, - separately. If a differential current not equal to zero occurs, the DC-DC converter can be switched off.
ZEICHNUNGEN DRAWINGS
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Further advantages result from the present description of the drawings. Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into further meaningful combinations.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 ein DC/DC-Synchronwandler aus dem Stand der Technik; Fig. 2 die Grundkonfiguration eines ZVS-Schaltkonzeptes einer Halbbrücke; Fig. 3a, 3b ein erstes und zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers; 1 shows a DC/DC synchronous converter from the prior art; 2 shows the basic configuration of a ZVS switching concept of a half-bridge; 3a, 3b show a first and second exemplary embodiment of a DC/DC converter according to the invention;
Fig. 4a, 4b weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer DC/DC-Wandler;4a, 4b further exemplary embodiments of the DC/DC converter according to the invention;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen DC/DC- Wandlers. ln den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. 5 shows a further exemplary embodiment of a DC/DC converter according to the invention. Elements of the same type are denoted by the same reference symbols in the figures. The figures only show examples and are not to be understood as limiting.
In der Fig. 1 ist ein bidirektionaler Synchronwandler 12 des Stands der Technik darge stellt. Eine Eingangsspannung UZK, die über einen Zwischenkreiskondensator CZK sta bilisiert wird, liegt an einer Halbbrücke umfassend zwei Halbleiterschalter T1, T2, die als MOSFET -T ransistoren ausgelegt sind, an. Am Mittelabgriff der Halbbrücke ist eine Speicherdrossel Ls angeschlossen, wobei am Ausgangspotentialabgriff DC+, DC- ein Speicherkondensator Cs parallel geschaltet ist. In der Speicherdrossel Ls wird durch zyklisches Schalten der Halbleiterschalter T 1 , T2 Energie gespeichert, wobei die über dem stabilisierenden Speicherkondensator Cs liegende Ausgangsspannung L t aus gegeben werden kann. Im Grunde kann der Synchronwandler 12 als Kombination ei nes Aufwärts- und eines Abwärtswandlers angesehen werden, wobei je nach T rans- formationsrichtung von der Eingangsspannung UZK zur Ausgangsspannung U0ut der Abwärtswandler und von der Ausgangsspannung Uout zur Eingangsspannung UZK der Aufwärtswandler arbeitet. Die Höhe der zu wandelnden Spannung wird über den Tast grad, d. h. die Ein- und Ausschaltzeit der T ransistoren T1, T2 bestimmt. Die beiden T ransistoren werden dabei im Gegentakt betrieben, wobei, abgesehen von einer klei nen Totzeit, zu jedem Zeitpunkt nur einer der beiden T ransistoren T1, T2 schaltet, um ein Kurzschluss zu verhindern. Durch die bidirektionale Energieübertragung ist sowohl ein Laden als auch ein Entladen beispielsweise als Ladegerät eines elektrochemischen Speichers möglich. In elektromotorischen Anwendungen kann sowohl Antriebsenergie zugeführt als auch generatorische Energie abgenommen werden. Insoweit weist der in der Fig. 1 dargestellte Synchronwandler 12 Betriebsverluste auf, die es zu minimieren gilt. In Fig. 1, a bidirectional synchronous converter 12 of the prior art is Darge. An input voltage UZK, which is stabilized via an intermediate circuit capacitor CZK, is applied to a half-bridge comprising two semiconductor switches T1, T2, which are designed as MOSFET transistors. A storage choke Ls is connected to the center tap of the half-bridge, with a storage capacitor Cs being connected in parallel to the output potential tap DC+, DC-. Energy is stored in the storage choke Ls by cyclically switching the semiconductor switches T1, T2, it being possible for the output voltage Lt across the stabilizing storage capacitor Cs to be output. Basically, the synchronous converter 12 can be viewed as a combination of a step-up converter and a step-down converter, with the step-down converter operating from the input voltage UZK to the output voltage U 0ut and the step-up converter operating from the output voltage U out to the input voltage UZK, depending on the transformation direction. The level of the voltage to be converted is determined by the keying degree, ie the switch-on and switch-off time of the transistors T1, T2. The two transistors are operated in push-pull mode, with only one of the two transistors T1, T2 switching at any time, apart from a small dead time, in order to prevent a short circuit. Both charging and discharging, for example as a charging device for an electrochemical store, are possible due to the bidirectional energy transmission. In electromotive applications, both drive energy can be supplied and regenerative energy can be taken off. In this respect, the synchronous converter 12 shown in FIG. 1 has operating losses that must be minimized.
Die Fig. 2 zeigt eine typische Konfiguration 14 eines Zero Voltage Switching Konzepts einer Halbbrücke, umfassend zwei Halbleiterschalter T 1 , T2. Die ZVS-Schalttopologie 14 der Fig. 2 stellt einen Teil der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsform eines DC/DC-Wandlers 10 dar. Dabei kann die in der Drossel zum Ausschaltzeitpunkt des einen Halbleiterschalters gespeicherte Energie den Umschwingkondensator auf das jeweils andere Zwischenkreispotential umladen, so dass der andere Halbleiterschalter spannungslos und verlustfrei einschalten kann. Somit kann praktisch spannungslos und verlustarm eingeschaltet werden, und mit reduziertem Spannungsanstieg ausge schaltet werden. Gerade bei Stromversorgungen oder Ladestationen im Bereich der Elektromobilität spielt der Wirkungsgrad eines DC/DC-Spannungswandlers eine ent scheidende Rolle. Durch ein ZVS-Schalten der Halbleiterschalter können praktisch die Einschaltverluste zu Null gesetzt werden, und eine unerwünschte thermische Erwär mung kann minimiert werden. 2 shows a typical configuration 14 of a zero-voltage switching concept of a half-bridge, comprising two semiconductor switches T1, T2. The ZVS switching topology 14 of FIG. 2 represents part of the first specific embodiment of a DC/DC converter 10 shown in FIG , so that the other semiconductor switch can turn on without voltage and loss. This means that it can be switched on with virtually no voltage and low losses, and switched off with a reduced voltage rise. Especially with power supplies or charging stations in the area of The efficiency of a DC/DC voltage converter plays a crucial role in electromobility. By ZVS switching the semiconductor switches, the turn-on losses can be practically set to zero, and undesirable thermal heating can be minimized.
Die Fig. 3a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel 10 eines bidirektionalen DC/DC- Wandlers, der eine Eingangsspannung UZK eines symmetrischen Zwischenkreises ZK mit den beiden Zwischenkreis-Mittelspannungen UZK+, UZK- und einer Zwischenkreis- Mittelpotentialschiene ZM in eine Ausgangsspannung Uout an den Ausgangspotential abgriffen DC+, DC- wandelt. Hierzu ist zwischen den Zwischenkreis-Potentialschienen ZK+, ZK- und der Mittelpotentialschiene ZM jeweils eine Halbbrücke H1 bzw. H2 geschaltet. Jede Halbbrücke umfasst zwei Halbleiterschalter, die Halbbrücke H1 die Halbleiterschalter T 1 und T2, und die Halbbrücke H2 die Halbleiterschalter T3 und T4.3a shows a first exemplary embodiment 10 of a bidirectional DC/DC converter, which taps an input voltage UZK of a symmetrical intermediate circuit ZK with the two intermediate circuit medium voltages UZK+, UZK- and an intermediate circuit medium potential rail ZM into an output voltage U out at the output potential DC+, DC- converts. For this purpose, a half bridge H1 or H2 is connected between the intermediate circuit potential rails ZK+, ZK- and the medium potential rail ZM. Each half-bridge comprises two semiconductor switches, half-bridge H1 the semiconductor switches T1 and T2, and half-bridge H2 the semiconductor switches T3 and T4.
Zwischen der Zwischenkreis-Potentialschiene ZK+ bzw. ZK- und der Mittelpotential schiene ZM sind zwei Stabilisierungskondensatoren CZK+ bzw. CZK- zur Mittelpoten tialstabilisierung und zur Stützung der Zwischenkreisspannung UZK geschaltet. An den jeweiligen Mittelabgriffen M1, M2 der Halbbrücken H1 bzw. H2 sind zwei symmetrische Speicherdrosseln + und Ls- angeschlossen, die als Speichertransformator Ts ma gnetisch über ein Magnetkern miteinander gekoppelt sind. Alternativ können auch zwei einzelne, magnetisch nicht gekoppelte Drosseln verwendet werden. Am Eingang des Speichertransformators Ts sind zwei Umschwingkondensatoren Czvs+ bzw. Czvs- ge genüber der Mittelpotentialschiene ZM geschaltet, um ein ZVS-Schalten bzw. weiches Schalten der Halbleiterschalter der Dreipunkt-Brücke mit den beiden Halbbrücken H1 & H2 zu ermöglichen. Am Ausgang des T ransformators Ts ist ein Speicherkondensator Cs parallel geschaltet und stabilisiert die Ausgangsspannung Uout an die beiden Aus gangspotentialabgriffe DC+ und DC-. Durch die Kombination der beiden Speicherdros seln l_s+, Ls- in einem Speichertransformator Ts als Speicherdrossel mit geteilter Wick lung und der Schaltung von Umschwingkondensatoren Czvs an den Mittelabgriffen M1 , M2 der beiden Halbbrücken H1, H2 wird eine erhebliche Verbesserung des Wirkungs grades und eine geringere Störaussendung ermöglicht, wobei hohe Leistungen über 20 kW übertragen werden können. Two stabilization capacitors CZK+ and CZK- are connected between the intermediate circuit potential rail ZK+ and ZK- and the medium potential rail ZM for the purpose of central potential stabilization and for supporting the intermediate circuit voltage UZK. Two symmetrical storage chokes + and Ls- are connected to the respective center taps M1, M2 of the half-bridges H1 and H2, which are magnetically coupled to one another as a storage transformer Ts via a magnetic core. Alternatively, two individual chokes that are not magnetically coupled can also be used. At the input of the storage transformer Ts, two resonant capacitors Czvs + and Czvs-ge are connected across from the mid-potential rail ZM in order to enable ZVS switching or soft switching of the semiconductor switches of the three-point bridge with the two half-bridges H1 and H2. A storage capacitor Cs is connected in parallel at the output of the transformer Ts and stabilizes the output voltage U out at the two output potential taps DC+ and DC-. The combination of the two storage chokes l_s +, Ls- in a storage transformer Ts as a storage choke with a split winding and switching reversing capacitors Czvs at the center taps M1, M2 of the two half-bridges H1, H2 results in a significant improvement in efficiency and a lower one Emission of interference allows, with high power over 20 kW can be transmitted.
Der Strom durch eine Speicherdrossel Ls+ und/oder Ls- wird als Drosselstrom Ls von einem Stromregler Coni erfasst. Auf Basis des Drosselstroms Ls, der einen Ripp- lestrom mit einer Amplitude höher als ein Mittelwert des Drosselstroms zur Erzeugung von Nulldurchgängen aufweist, erfolgt eine Steuerung des Tastgrades der Halbleiter schalter T1, T2, T3 und T4. Hierzu erzeugt der Stromregler Coni vier Schaltimpulse ST1, ST2, ST3, ST4 als Gate-Spannung der Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4. Diese sind so eingestellt, dass jeweilige Halbleiterschalter ausgeschaltet werden, wenn ein Maximal- bzw. Minimalwert erreicht ist, wobei ausreichend Energie in der Speicher drossel gespeichert ist, um ein Umladen der Umschwingkondensatoren zu ermögli chen. The current through a storage choke Ls + and/or Ls- is recorded as the choke current Ls by a current controller Coni. Based on the inductor current Ls, which has a ripple Lestrom having an amplitude higher than an average value of the inductor current for generating zero crossings, the duty cycle of the semiconductor switches T1, T2, T3 and T4 is controlled. For this purpose, the current controller Coni generates four switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 as the gate voltage of the semiconductor switches T1, T2, T3, T4. These are set in such a way that the respective semiconductor switches are switched off when a maximum or minimum value is reached, with sufficient energy being stored in the storage inductor in order to enable the reversing capacitors to be recharged.
In der Regel werden jeweils zwei Halbleiterschalter T1 & T4 sowie T2 & T3 gleichzeitig geschaltet, wobei die Halbleiterschalter T1 & T4 im Gegentakt zu T2 & T3 geschaltet werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Dabei werden identische Einschaltverzöge rungen angenommen. Die Einschaltverzögerung dient dazu, die Spannung an den Umschwingkondensatoren umschwingen zu lassen. Durch leicht unterschiedliche Aus schaltverzögerungen kann daneben eine aktive Symmetrierung der Ausgangsspan nung Uout erfolgen, insbesondere um einen erdsymmetrischen Ausgang Uout zu ge währleisten. In der Regel ist im Stromreglern Coni die Stromregelung als Software ver fahren hinterlegt. Um ein sehr schnelles Reglerverhalten zu erreichen, kann der Strom regelung Coni zumindest teilweise, insbesondere vollständig in Hardware ausgebildet sein. Der Stromregler Coni kann weiterhin eine I/O-Schnittstelle P-l/O zu einer überge ordneten Prozessorsteuerung , beispielsweise einer Ladeelektronik für einen elektro chemischen Speicher, aufweisen. As a rule, two semiconductor switches T1 & T4 and T2 & T3 are switched simultaneously, with the semiconductor switches T1 & T4 being switched in push-pull to T2 & T3 in order to avoid short circuits. Identical switch-on delays are assumed here. The switch-on delay is used to allow the voltage at the reversing capacitors to reverse. Slightly different switch-off delays can also be used to actively balance the output voltage Uout, in particular to ensure a balanced-to-earth output Uout . As a rule, the current control is stored as a software process in the Coni current controller. In order to achieve very fast controller behavior, the current controller Coni can be designed at least partially, in particular completely, in hardware. The current controller Coni can also have an I/O interface Pl/O to a superordinate processor controller, for example charging electronics for an electrochemical storage device.
Ein zweites Ausführungsbeispiel 20 ist in Fig. 3b dargestellt, dass im Wesentlichen dem Gleichspannungswandler 10 der Fig. 3a gleicht. Abweichend davon sind die bei den Speicherdrosseln +, Ls- mit gleicher Induktivität und magnetisch unabhängig und baulich getrennt voneinander angeordnet, und nicht in einem Speichertransformator Ts zusammengeführt. Zudem erfasst der Stromregler Coni beide Drosselströme ILS+, ILS- der Speicherdrosseln Ls+, Ls- separat. Sofern ein Differenzstrom ungleich Null auftritt, kann der Gleichspannungswandler 20 abgeschaltet werden. A second exemplary embodiment 20 is shown in FIG. 3b, which is essentially the same as the DC/DC converter 10 in FIG. 3a. Notwithstanding this, the storage chokes +, Ls- have the same inductance and are magnetically independent and structurally separate from one another and are not combined in a storage transformer Ts. In addition, the current controller Coni records both inductor currents ILS+, ILS- of the storage inductors Ls +, Ls- separately. If a residual current not equal to zero occurs, the DC-DC converter 20 can be switched off.
In den Figuren 4a, 4b sind zwei weitere Ausführungsbeispiele 30, 40 von erfindungs gemäßen DC/DC-Wandlern dargestellt, die im Wesentlichen der Konfiguration der Fig. 3 entsprechen. Abweichend zur Fig. 3 ist in Fig. 4a der Gleichspannungswandler 30 an den Mittelabgriffen M1, M2 der beiden Halbbrücken H1, H2 mit einem gemeinsamen Umschwingkondensator Czvs verbunden. Analog wie im Ausführungsbeispiel des Gleichspannungswandlers 20 erfolgt eine Erfassung beider Drosselströme ks+, ILS- durch den Stromregler Coni, so dass das hierzu gesagte auch für diesen gilt. Es kann allerdings auch genügen, nur einen der beiden Drosselströme ILS+ oder ks- zur Rege lung des Ripplestroms zu erfassen. Two further exemplary embodiments 30, 40 of DC/DC converters according to the invention, which essentially correspond to the configuration of FIG. 3, are shown in FIGS. 4a, 4b. Deviating from FIG. 3, in FIG. 4a the DC voltage converter 30 is connected to a common one at the center taps M1, M2 of the two half-bridges H1, H2 Reversing capacitor Czvs connected. Analogous to the exemplary embodiment of the DC-DC converter 20, both inductor currents ks+, ILS- are detected by the current regulator Coni, so that what was said in this regard also applies to this. However, it can also be sufficient to record only one of the two inductor currents ILS+ or ks- to regulate the ripple current.
In der Fig. 4b ist jedem Halbleiterschalter T1, T2, T3, T4 des Gleichspannungswand lers 40 ein Umschwingkondensator Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- parallel geschaltet. Eine Erfassung des Drosselstroms erfolgt analog zur Ausführungsform des Gleichspan nungswandlers 10. In FIG. 4b, each semiconductor switch T1, T2, T3, T4 of the DC voltage converter 40 has a resonant capacitor Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- connected in parallel. The inductor current is detected analogously to the embodiment of the DC voltage converter 10.
Durch die unterschiedlichen Konfigurationen des Umschwingkondensators Czvs wer den wahlweise die Zahl der Bauteile oder die Schaltüberspannungen minimiert. The different configurations of the reversing capacitor Czvs either minimize the number of components or the switching overvoltages.
Schließlich zeigt die Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel 50 eines DC/DC- Wandlers, das ebenfalls im Wesentlichen der Ausführungsform 10 der Fig. 3 ent spricht. Analog wie im Ausführungsbeispiel des Gleichspannungswandlers 20 und 30 erfolgt entweder eine Erfassung eines der beiden oder beider Drosselströme ILS+, ks- durch den Stromregler Coni, so dass das hierzu gesagte auch hier gilt. Am Speicher kondensator Cs ist vor dem Ausgangspotentialabgriff DC+, DC- eine Filterstufe FIS zwischengeschaltet. Die Filterstufe FIS umfasst eine stromkompensierte Drossel Us. Den Ausgangspotentialabgriffen DC+, DC- parallel geschaltet ist eine Halbbrücke aus zwei Mittelspannungs-Filterkondensatoren Cis+, Cis-, die als Kondensatorbrücke HC be zeichnet wird. Am Mittelabgriff der Kondensatorbrücke HC ist ein weiterer Erdungs- Filterkondensator CISG gegenüber Erde geschaltet, um die Ableitung von Gleichtakt strömen zu ermöglichen. Die Filterstufe FIS ermöglicht eine Funkentstörung und eine Verbesserung der EMV-Robustheit des DC/DC-Wandlers 50. Es gibt mehrere Möglich keiten dieses Filter aufzubauen, so können auch ein Kondensator Cis und zwei Kon densatoren CISG vorgesehen sein, wobei jeweils ein Kondensator CISG von DC+ nach Erde und/oder von DC- nach Erde geschaltet ist. Bezugszeichenliste Finally, FIG. 5 shows a further exemplary embodiment 50 of a DC/DC converter, which likewise essentially corresponds to the exemplary embodiment 10 in FIG. Analogous to the exemplary embodiment of the DC-DC converters 20 and 30, either one of the two or both inductor currents ILS+, ks- is detected by the current regulator Coni, so that what was said in this regard also applies here. A filter stage FIS is interposed on the storage capacitor Cs before the output potential tap DC+, DC-. The filter stage FIS includes a current-compensated choke Us. A half-bridge made up of two medium-voltage filter capacitors Cis+, Cis-, which is referred to as a capacitor bridge HC, is connected in parallel with the output potential taps DC+, DC-. Another grounding filter capacitor CISG is connected to ground at the center tap of the capacitor bridge HC in order to allow common-mode currents to be dissipated. The filter stage FIS enables radio interference suppression and an improvement in the EMC robustness of the DC/DC converter 50. There are several possibilities to build this filter, a capacitor Cis and two capacitors CISG can also be provided, each with a capacitor CISG of DC+ to ground and/or DC- to ground. Reference List
10 Bidirektionaler DC/DC-Wandler 10 Bidirectional DC/DC converter
12 Bidirektionaler Synchronwandler 12 Bidirectional synchronous converter
14 ZVS-Schalttopologie 14 ZVS switching topology
20 Bidirektionaler DC/DC-Wandler 20 Bidirectional DC/DC converter
30 Bidirektionaler DC/DC-Wandler 30 Bidirectional DC/DC converter
40 Bidirektionaler DC/DC-Wandler 40 Bidirectional DC/DC converter
50 Bidirektionaler DC/DC-Wandler 50 Bidirectional DC/DC Converter
UZK Zwischenkreisspannung UZK intermediate circuit voltage
UZK+, UZK- Zwischenkreis-Mittelspannung UZK+, UZK- intermediate circuit medium voltage
Uout Ausgangsspannung Uout output voltage
ZK+, ZK- Zwischenkreis-Potentialschiene ZM Zwischenkreis-MittelpotentialschieneZK+, ZK- Intermediate circuit potential busbar ZM Intermediate circuit middle potential busbar
H 1 , H2 Halbbrücke M1, M2 Mittelabgriff der Halbbrücke H 1 , H2 half bridge M1, M2 center tap of the half bridge
T1, T2, T3, T4 Halbleiterschalter ST1 , ST2, ST3, ST4 Schaltsignal CZK+, CZK- Zwischenkreiskondensator Czvs Umschwingkondensator T1, T2, T3, T4 semiconductor switches ST1, ST2, ST3, ST4 switching signal CZK+, CZK- intermediate circuit capacitor Czvs resonant capacitor
Czvs+, Czvs- Mittelspannungs-Umschwingkondensator Czvs++, Czvs+-, Schalterbezogene UmschwingkondensatorCzvs+, Czvs- medium voltage reversing capacitor Czvs++, Czvs+-, switch related reversing capacitor
Czvs-+, Czvs-Czvs-+, Czvs-
Cs Speicherkondensator Cs storage capacitor
Ls Speicherdrossel Ls storage choke
Ls+, Ls+ Symmetrische Speicherdrossel Ls + , Ls+ Symmetrical storage choke
Ts Speichertransformator T s storage transformer
DC+, DC- Ausgangspotentialabgriff DC+, DC- output potential tap
Coni Stromregler Coni current controller
FIS Filterstufe FIS filter stage
ILS Drosselstrom ILS inductor current
HC Kondensatorbrücke HC capacitor bridge
Cis+, Cis- Mittelspannungs-FilterkondensatorCis+, Cis- medium voltage filter capacitor
ClSG Erdungs-Filterkondensator ClSG grounding filter capacitor
Lis stromkompensierte Drossel Lis common mode choke
P-l/O I/O-Schnittstelle zur Prozessorsteuerung P-I/O I/O interface for processor control

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) zur Umwandlung einer ein gangsseitigen Zwischenkreisspannung (UZk) in eine Ausgangsspannung (U0ut) und umgekehrt, insbesondere für eine transformatorlose Ladestation oder für einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung von Energie eines Servoantriebes, um fassend eine Reihenschaltung zweier Halbbrücken (H1, H2) mit vier Halbleiter schaltern (T1, T2, T3, T4), wobei jede Halbbrücke (H1, H2) zwischen einer ein gangsseitigen Zwischenkreis-Potentialschiene (ZK+, ZK-) mit Zwischenkreisspan nung (Uzk) und einer Mittelpotentialschiene (ZM) mit symmetrischer, insbesondere erdsymmetrischer, Mittelspannung (UZK+, UZK-) geschaltet ist, und wobei jeder Mit telabgriff (M1, M2) der Halbbrücke (H1, H2) mit einer Speicherdrossel (Ls+, Ls.) und einem Speicherkondensator (Cs) zusammenwirkt, so dass zwei bidirektionale Synchronwandler in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Mittelabgriff (M1, M2) jeder Halbbrücke (H1, H2) zumindest ein separaten Um schwingkondensator (Czvs, Czvs+, Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs-) angeschlos sen ist. 1 . Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) for converting an input-side intermediate circuit voltage (U Zk ) into an output voltage (U 0 ut) and vice versa, in particular for a transformer-less charging station or for an energy store for the temporary storage of Energy of a servo drive, comprising a series connection of two half-bridges (H1, H2) with four semiconductor switches (T1, T2, T3, T4), with each half-bridge (H1, H2) between an input-side DC link busbar (ZK+, ZK-) with an intermediate circuit voltage (Uzk) and a medium-potential rail (ZM) with a symmetrical, in particular earth-symmetrical, medium voltage (UZK+, UZK-) is connected, and each center tap (M1, M2) of the half-bridge (H1, H2) is connected to a storage choke (L s + , L s. ) And a storage capacitor (Cs) interacts, so that two bidirectional synchronous converters are connected in series, characterized in that the center tap (M1, M2) of each half-bridge (H1, H2) at least at least a separate reversing capacitor (Czvs, Czvs+, Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs-) is connected.
2. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Speicherdrosseln (Ls+, Ls.) als Speichertrans formator (Ts) magnetisch gekoppelt ausgeführt sind. 2. Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to claim 1, characterized in that the two storage chokes (L s+ , L s. ) are designed as magnetically coupled storage transformers (Ts).
3. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherkondensator (Cs) zwischen den Ausgangsseiten der beiden Speicherdrosseln (Ls+, Ls-) zur gemeinsamen Nutzung der beiden in Reihe geschalteten bidirektionalen Synchronwandler geschaltet ist. 3. Bidirectional DC / DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to claim 1 or 2, characterized in that a storage capacitor (Cs) between the output sides of the two storage inductors (L s + , L s -) to the common Use of the two series-connected bidirectional synchronous converter is connected.
4. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) als Hochspannungs-MOSFET-Schalttransistoren mit einer niedrigen Sperrspannung kleiner gleich 900 V, insbesondere kleiner oder gleich 750V aus geführt sind. 4. Bidirectional DC / DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to any one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (T1, T2, T3, T4) as high-voltage MOSFET switching transistors with a low Reverse voltage less than or equal to 900 V, in particular less than or equal to 750V are performed.
5. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter SiC-FETs sind, die einen SiC-JFET mit einem Si-MOSFET in einer Kaskodenschaltung kom binieren. 5. Bidirectional DC / DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to any one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches are SiC-FETs, which are a SiC-JFET with a Si-MOSFET in a cascode circuit combine.
6. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei korrespondierende Halbleiterschalter (T1 & T4 sowie T2 & T3) der beiden Halbbrücken (H1, H2) gleichzeitig schaltbar sind, insbesondere mit einer identischen Einschaltverzöge rung schaltbar sind. 6. Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to one of the preceding claims, characterized in that two corresponding semiconductor switches (T1 & T4 and T2 & T3) of the two half-bridges (H1, H2 ) can be switched at the same time, in particular with an identical switch-on delay.
7. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) zur steuerbaren Symmetrierung der Zwischenkreisspannung (UZK+, UZK-) und/oder der Ausgangsspannung (U0ut) mit unterschiedlichen Ausschaltverzöge rungen schaltbar sind. 7. Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (T1, T2, T3, T4) for the controllable balancing of the intermediate circuit voltage (UZK+, UZK -) and/or the output voltage (U 0 ut) can be switched with different switch-off delays.
8. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) eine Parallelschaltung von zwei oder mehreren Schalttransistoren umfasst. 8. Bidirectional DC / DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to any one of the preceding claims, characterized in that each semiconductor switch (T1, T2, T3, T4) comprises a parallel connection of two or more switching transistors.
9. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) zur Erzeugung eines Rippelstroms mit einer Rippeiamplitude größer als ein Mittelwert des Drosselstroms schaltbar sind, so dass der Drosselstrom zwi schen zwei Schaltvorgängen jeweils einen Nulldurchgang aufweist. 9. Bidirectional DC / DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to any one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (T1, T2, T3, T4) for generating a ripple current with a Rippeiamplitude greater than an average value of the inductor current can be switched, so that the inductor current has a zero crossing between two switching processes.
10. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) in Zusammenspiel mit dem Umschwingkondensator (Czvs, Czvs+, Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs-) ZVS-schaltbar (zero voltage switching) sind, insbe sondere spannungslos, nahezu verlustfrei einschaltbar, sowie mit begrenzter Spannungsanstiegsgeschwindigkeit verlustarm ausschaltbar sind. 10. Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (T1, T2, T3, T4) in interaction with the resonant capacitor (Czvs, Czvs + , Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs-) ZVS-switchable (zero voltage switching) can be switched on almost without loss, in particular without voltage, and can be switched off with low loss with a limited voltage rise rate.
11 . Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Umschwingkon densator (Czvs+, Czvs-) pro Halbbrücke (H1, H2) zugeordnet ist, bevorzugt ein Um schwingkondensator (Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs-) pro Halbleiterschalter (T1 , T2, T3, T4) parallel geschaltet ist. 11 . Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one reversing capacitor (Czvs + , Czvs-) is assigned to each half-bridge (H1, H2), preferably a To oscillating capacitor (Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs-) per semiconductor switch (T1, T2, T3, T4) is connected in parallel.
12. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromregler (Coni) zur Erfas sung zumindest eines Drosselstroms (ILS, ILS+, ILS-) zumindest einer Speicherdrossel (Ls+, Ls.) umfasst ist, der eingerichtet ist, auf Basis des Drosselstroms (Ls, Ls+, Ls-) Schaltsignale (ST1, ST2, ST3, ST4) der Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4), insbe sondere zur Regelung eines Maximal- und eines Minimalwertes des Drossel stroms (Ls, Ls+, Ls-), zu erzeugen. 12. Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to one of the preceding claims, characterized in that a current controller (Coni) for detecting at least one inductor current (ILS, ILS+, ILS-) at least a storage inductor (L s+ , L s. ) is included, which is set up based on the inductor current (Ls , Ls +, Ls-) switching signals (ST1, ST2, ST3, ST4) of the semiconductor switches (T1, T2, T3, T4 ), in particular to regulate a maximum and a minimum value of the inductor current (Ls, Ls+, Ls-) to generate.
13. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speichertransformator (Ts) zwei symmetrische Wicklungen der beiden Speicherdrosseln (Ls+, Ls.) mit gleicher Windungszahl auf einem gemeinsamen Magnetkern umfasst, wobei bevorzugt der Speichertransformator (Ts) eine Selbstinduktivität von 20mH oder weniger und/oder eine Gesamtwindungszahl mit neun Windungen oder weniger aufweist. 13. Bidirectional DC / DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to any one of the preceding claims, characterized in that the storage transformer (Ts) has two symmetrical windings of the two storage inductors (L s + , L s. ) With same number of turns on a common magnetic core, the storage transformer (Ts) preferably having a self-inductance of 20 mH or less and/or a total number of turns of nine turns or less.
14. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Speicherkonden sator (Cs) und einem ausgangsseitigen Ausgangspotentialabgriffs (DC+, DC-) eine Filterstufe (FIS) nachgeschaltet ist. 14. Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to one of the preceding claims, characterized in that a filter stage ( FIS) is connected downstream.
15. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe (FIS) zumindest eine stromkompensierte Drossel Us und eine Kondensatorbrücke (HC) mit zwei in Reihe geschalteten Mit- telspannungs-Filterkondensatoren (Cis+, Cis-) umfasst, wobei bevorzugt am Mittel abgriff der Kondensatorbrücke (HC) ein Erdungs-Filterkondensator (CISG) gegen über einem Erdpotential geschaltet ist, oder jeweils ein ausgangsseitiger Aus gangspotentialabgriff (DC+, DC-) über einen Filterkondensator mit dem Erdpoten tial verbunden ist, und ein weiterer Filterkondensator zwischen den ausgangsseiti gen Ausgangspotentialabgriffen (DC+, DC-) geschaltet ist. 15. Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to claim 14, characterized in that the filter stage (FIS) has at least one current-compensated choke Us and a capacitor bridge (HC) with two series-connected medium-voltage filter capacitors (Cis + , Cis-), with a grounding filter capacitor (CISG) preferably being connected to a ground potential at the center tap of the capacitor bridge (HC), or an output potential tap (DC+, DC-) on the output side via a Filter capacitor is connected to the ground potential, and another filter capacitor is connected between the output potential taps on the output side (DC+, DC-).
16. Bidirektionaler DC/DC-Wandler (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (UZK) 950 V oder höher ist, und dass ein Bereich der Ausgangsspannung (L t) zumindest zwischen 200 V bis 920 V einstellbar ist. 16. Bidirectional DC/DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate circuit voltage (UZK) is 950 V or higher, and that a range of the output voltage (L t ) is adjustable at least between 200 V and 920 V.
17. Verfahren zum Betrieb eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers (10, 20, 30, 40, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) zum Betrieb zweier Synchronwandler im Zusammenspiel mit den beiden Speicherdrosseln (Ls+, Ls-) und dem Speicherkondensator (CS) zur Umwandlung einer eingangsseitigen Zwischenkreisspannung (Uzk) in eine Ausgangsspannung (Uout) und umgekehrt geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumin dest ein am Mittelabgriff (M1, M2) jeder Halbbrücke (H1, H2) angeschalteter sepa rater Umschwingkondensator (CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, CZVS-) eine ZVS- Betrieb unter Bereitstellung einer erdsymmetrischen Ausgangs spannung ermöglicht. 17. A method for operating a bidirectional DC / DC converter (10, 20, 30, 40, 50) according to any one of the preceding claims, wherein the semiconductor switches (T1, T2, T3, T4) for operating two synchronous converters in interaction with the two storage chokes (Ls+, Ls-) and the storage capacitor (CS) for converting an input-side intermediate circuit voltage (Uzk) into an output voltage (Uout) and vice versa, characterized in that at least one at the center tap (M1, M2) of each half-bridge (H1 , H2) connected separate resonant capacitor (CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, CZVS-) enables ZVS operation while providing a balanced output voltage.
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