WO2015144337A1 - Zweistufiger gleichspannungswandler mit leistungsskalierung - Google Patents

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WO2015144337A1
WO2015144337A1 PCT/EP2015/051786 EP2015051786W WO2015144337A1 WO 2015144337 A1 WO2015144337 A1 WO 2015144337A1 EP 2015051786 W EP2015051786 W EP 2015051786W WO 2015144337 A1 WO2015144337 A1 WO 2015144337A1
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voltage
converter
low
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separating
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PCT/EP2015/051786
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David Tastekin
Stefan Butzmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a two-stage DC-DC converter
  • the invention relates to a two-stage DC-DC converter with a resonant converter with electrical isolation.
  • a DC-DC converter is used, by means of which, for example, from a high-voltage network (at several hundred volts) energy is fed into a low-voltage network to charge a battery of the vehicle at 12 V or to feed the low-voltage consumers.
  • the voltages can vary widely, so that the DC-DC converter in typical applications must be designed for this, on the high-voltage side and / or on the
  • a DC isolation between high and low voltage side is required for the DC-DC converter, so that it is sometimes advantageous, the DC-DC converter, for example, as a push-pull converter perform.
  • the DC-DC converter for example, as a push-pull converter perform.
  • this is for example also a
  • bidirectional DC-DC converter which includes a
  • Resonant converter which is operated at a constant operating point. Furthermore, the resonant converter is a bidirectional regulated DC-DC converter connected in a first direction as
  • Step-up converter and operated in a second direction as a buck converter Step-up converter and operated in a second direction as a buck converter.
  • the present invention provides a DC-DC converter with a high-voltage side circuit arrangement which is adapted to convert a high-voltage side applied DC voltage into a mean DC voltage, and which has a number N 2 of parallel-connected Hochsetz- Tiefsetz-Stations receiving the high-voltage DC voltage and in the increase or decrease average DC voltage, where N 2 is 2; with a high-voltage side control device which is adapted to detect the high-voltage side DC voltage and to regulate the boost-buck converter so that the average DC voltage is maintained at a constant value; with a low-voltage side circuit arrangement which is designed to convert the average DC voltage into a low-voltage DC voltage, and which a first potential-separating
  • DC converter which receives the average DC voltage and converts it into the low-voltage DC voltage; and with one
  • It is an idea of the present invention to provide a DC-DC converter comprising in a first stage a parallel circuit of a plurality of boost-buck-boost regulators which are operated in a controlled manner and which in a second stage is a potential-separating one
  • DC-DC converter contains, with a substantially fixed
  • a considerable advantage of the solution according to the invention is that the power consumed by the DC-DC converter is split between the parallel-connected boost-buck converter. For this reason, these can be realized with standard components, in particular passive components. This results in the considerable advantage that the DC-DC converter is split between the parallel-connected boost-buck converter.
  • Circuit arrangement is operated at a fixed frequency at an operating point having a substantially fixed transmission ratio.
  • the low-voltage side circuit arrangement can thus be optimized by selecting the frequency or the operating point in terms of efficiency.
  • Resonance converter operated at an operating point, which has only a very low load dependence.
  • the frequency is set to a fixed or constant value, so that the resonant converter is thus set to a "target transmission ratio" fixed, which remains substantially fixed even involving a load.
  • DC converter can be designed as a resonant converter.
  • the resonant converter is operated in this case with a fixed frequency, so that in the
  • Output voltage is present.
  • the frequency is set with regard to the optimum efficiency.
  • the first DC-DC converter may be formed as push-pull flow converter.
  • the boost-buck converter can be individually switched on and off.
  • This has the advantage that the efficiency can be further improved, for example, at low output powers of the DC-DC converter.
  • the efficiency of a boost-buck converter is a non-constant function of the power of the boost-buck converter. In particular, there is typically a maximum in efficiency for a given power. In this development, therefore, only the number Hochsetz-Tiefsetz- controller can be turned on, which the optimal efficiency of DC-DC converter for the given output power supplies. The remaining Hochsetz-Tiefsetz-Steller remain switched off.
  • the low-voltage side circuit arrangement can divide a number Ni second potential-separating
  • DC-DC converter include. The outputs of each
  • potential-separating DC-DC converter can be connected in parallel with the output of the first potential-separating DC-DC converter, so as to receive the average DC voltage and convert it into the low-voltage DC voltage.
  • Ni may be> 1.
  • the low-voltage side control device may be configured to the second
  • DC-DC converter to operate.
  • DC converter can be designed as a resonant converter.
  • the second DC-DC converter preferably also as
  • Push-pull flow converter be formed. For both converter types, this results in similar advantages as for the first DC-DC converter.
  • the DC-DC converter can advantageously be operated in a power-scaled fashion, in that, for example, only a portion of the second potential-separating DC-DC converter is switched on in accordance with the desired output power.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an exemplary
  • Fig. 2 is a schematic representation of an exemplary
  • Fig. 3 is a schematic representation of an exemplary
  • Fig. 4 is a schematic representation of an exemplary
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an exemplary
  • reference numeral 1 denotes the DC-DC converter.
  • This includes a high-voltage side circuit 2 and a low-voltage side circuit 4.
  • the high-voltage side circuit 2 includes a number N 2 of parallel-connected boost-bucking 8, where N 2 is 2, and the low-voltage side circuit 4 includes a
  • the resonant converter is powered by a low-voltage side Regulating device 42 operated with a substantially fixed transmission ratio.
  • the boost-buck converter 8 are controlled by a high-voltage side control device 22.
  • a high-voltage DC voltage 21 is applied, which is converted by the Hochsetz-Tiefsetz- actuators 8 in a mean DC voltage 31, which in turn is converted by the resonant converter in a low-voltage DC 41.
  • the resonant converter is operated at a fixed frequency, i. he is on a fixed working point with a substantially fixed
  • the frequency is chosen so that the resonant converter with optimal
  • the high-voltage side control device 22 is adapted to the high-voltage side DC 21 and / or the
  • the resonant converter is operated at a fixed / constant frequency of 250 kHz and with a substantially fixed (i.e.
  • This embodiment of the DC-DC converter 1 can be provided, for example, to charge a 12 V battery. Accordingly, the middle
  • step-up / step down regulators 8 are correspondingly shifted from the High-voltage side control device 22 readjusted so that the low-voltage DC voltage is still at 12 V.
  • a significant advantage of this embodiment is that the power of the resonant converter is split between the buck converters 8 connected in parallel. For this reason, these can be realized with standard components, in particular passive components. For example, for a 1.8 kW resonant converter, three step-up step-down regulators 8 may be included in the high-voltage side circuit arrangement 2, which each have a power of 600 W.
  • the resonant converter can also another
  • Gleichtenswandler typ be used with potential separation, for example, a push-pull flow converter. It is further provided that individual Hochsetz-Tiefsetz-actuator 8 by the high-voltage side control device 22 individually on or off. This makes it possible, for example, for small output powers of
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an exemplary
  • the DC-DC converter 1 comprises a high-voltage side
  • the low-voltage side circuit 4 includes a first
  • LLC Resonance converter
  • the DC-DC converter as 1.2 kW resonant converter, the other than 600 W resonant converter. Furthermore, the DC-DC converter comprises three
  • the boost-buck converter 8 are controlled by a high-voltage side control device 22.
  • the inputs of the boost-buck converter are connected in parallel, so that a high-voltage DC voltage 21 is applied to these.
  • This is converted by the Hochsetz-Tiefsetz-Stellern in a mean DC voltage 31, which in turn from the two resonant converters in a low-voltage side
  • the high-voltage side control device 22 is adapted to detect the high-voltage side DC voltage 21 and / or the low-voltage DC 41 and to regulate the boost-buck converter 8 so that the average DC voltage 31 is maintained at a constant value.
  • Scaling DC-DC converter 1 in steps of 600 W (600W, 1.2 kW and 1.8 kW) by switching off and on an appropriate combination of resonant converter and step-up / step down controller (s) 6. In addition, by switching on or off individual stages of the efficiency of the
  • DC-DC converter 1 improve. This is regulated by the
  • the inventive solution provides for a variety of combinations of a number Ni of second potential-separating DC-DC converters 7 and a number N 2 of boost-set-down converters 8.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an exemplary
  • reference numeral 1 denotes the DC-DC converter.
  • This includes a high-voltage side circuit 2 and a low-voltage side circuit 4.
  • the high-voltage side circuit 2 includes a resonant converter (LLC) and the low-voltage side circuit 4 includes a number N 2 of parallel-connected buckets 6, where N 2 is 2.
  • the resonant converter is operated by a high-voltage side control device 22 with a substantially fixed transmission ratio.
  • the buck converter 6 are controlled by a low-voltage side control device 42.
  • To the DC-DC converter 1 is a high-voltage side
  • the resonant converter is operated at a fixed frequency, i. he is on a fixed working point with a substantially fixed
  • the frequency is chosen so that the resonant converter with optimal
  • the low-voltage side control device 42 is adapted to detect the average DC voltage 31 and to regulate the buck converter 6 so that the low-voltage DC voltage 41 is maintained at a constant value.
  • the resonant converter is operated at a fixed / constant frequency of 250 kHz and with a substantially fixed (i.e.
  • This embodiment of the DC-DC converter 1 can be provided, for example, to charge a 12 V battery. Accordingly, the low-voltage DC voltage 41 is held by the low-voltage side control device 42 by controlling the buck converter 6 at this value. If, for example, a high-voltage DC voltage 21 of 240 V, this is from
  • Regulating device 42 readjusted so that the low-voltage DC voltage is still at 12 V.
  • a significant advantage of this embodiment is that the power of the resonant converter is distributed to the buck converters 6 connected in parallel. For this reason, these can be realized with standard components, in particular passive components. For example, for a 1.8 kW resonant converter three buck converter 6 in the low-voltage side
  • Circuit 4 may be included, each having 600 W power.
  • the resonant converter can also another
  • Gleichharddlertyp be used with potential separation, for example, a push-pull flow converter.
  • low-voltage side control device 42 individually switched on or off. This makes it possible, for example, for small output powers of
  • DC converter 1 further by only the number of buck converter is turned on, which provides the optimum efficiency of the DC-DC converter for the given output power. The remaining buck converters remain switched off.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of an exemplary
  • the DC-DC converter 1 comprises a high-voltage side
  • the high-voltage side circuit 2 includes a first potential-separating DC-DC converter 5 and a second potential-separating
  • DC / DC Converters 7 These are both resonant converters (LLC)
  • the first potential-isolating DC-DC converter was designed as a 1.2 kW resonant converter and the other as a 600 W resonant converter.
  • the DC-DC converter comprises three buck converters 6 each with 600 W.
  • the resonant converters are operated by a high-voltage-side control device 22 with the same substantially fixed transmission ratio.
  • the buck converter 6 are controlled by a low-voltage side control device 42.
  • the inputs of the two resonant converters are connected in parallel, so that a high-voltage DC voltage 21 is applied to both. This is converted by both resonant converters into a mean DC voltage 31, which in turn from the buck converters 6 in a low-voltage side
  • the low-voltage side control device 42 is adapted to detect the average DC voltage 31 and the buck converter 6 to regulate so that the low-voltage side
  • DC voltage 41 is kept at a constant value.
  • DC converter 1 in steps of 600 W scale (600W, 1.2 kW and 1.8 kW) by a corresponding combination of resonant converter and buck converter (s) 6 off or on. In addition, by switching on or off individual stages of the efficiency of the
  • DC-DC converter 1 improve. This is regulated by the
  • the interconnection of the resonant converter with the buck converters 6 and the embodiment of the stages selected here can be seen by way of example. The same applies to the performance of the individual components.
  • the solution according to the invention provides various combinations of a number Ni of second potential-separating DC-DC converters 7 and a number N 2 of buck-boosters 6.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit einer hochvoltseitigen Schaltungsanordnung (2), welche dazu ausgelegt ist, eine hochvoltseitig anliegende Gleichspannung (21) in eine mittlere Gleichspannung (31) umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Hochsetz-Tiefsetz-Stellern (8) aufweist, die die hochvoltseitige Gleichspannung (21) empfangen und in die mittlere Gleichspannung (31) heraufsetzen bzw. herabsetzen, wobei N2 ≥ 2 ist; mit einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung (22), welche dazu ausgebildet ist, die hochvoltseitige Gleichspannung (21) zu erfassen und die Hochsetz-Tiefsetz-Steller (8) so zu regeln, dass die mittlere Gleichspannung (31) auf einem konstanten Wert gehalten wird; mit einer niedervoltseitigen Schaltungsanordnung (4), welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung (31) in eine niedervoltseitige Gleichspannung (41) umzusetzen, und welche einen ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) aufweist, der die mittlere Gleichspannung (31) empfängt und in die niedervoltseitige Gleichspannung (41) umsetzt; und mit einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung (42), welche dazu ausgebildet ist, den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) mit einem im Wesentlichen fest eingestellten Übertragungsverhältnis zu betreiben.

Description

Beschreibung Titel
Zweistufiger Gleichspannungswandler mit Leistungsskalierung
Die Erfindung betrifft einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit
Leistungsskalierung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit einem Resonanzkonverter mit Potenzialtrennung.
Stand der Technik
Obwohl die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand eines zweistufigen Gleichspannungswandlers erläutert wird, bei welchem einen galvanische Trennung mittels eine Resonanzkonverters erreicht wird, ist sie auch auf beliebige andere zweistufige Gleichspannungswandler anwendbar, bei denen eine galvanische Trennung vorgesehen ist.
Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen ist es unter anderem notwendig, Energie von einem Hochvoltznetz in ein Niedervoltznetz zu übertragen. Hierbei kommt typischerweise ein Gleichspannungswandler zur Anwendung, mit Hilfe dessen beispielsweise aus einem Hochvoltnetz (bei mehreren hundert Volt) Energie in ein Niedervoltnetz eingespeist wird, um damit eine Batterie des Fahrzeugs bei 12 V aufzuladen bzw. die Niedervoltverbraucher zu speisen. Sowohl im
Hochvoltnetz als auch im Niedervoltnetz können die Spannungen stark schwanken, so dass der Gleichspannungswandler in typischen Anwendungen dafür ausgelegt werden muss, auf der Hochvoltseite und/oder auf der
Niedervoltseite einen weiten Spannungsbereich abzudecken. Je nach
Anwendungsgebiet wird für den Gleichspannungswandler eine galvanische Trennung zwischen Hoch- und Niedervoltseite gefordert, so dass es mitunter vorteilhaft ist, den Gleichspannungswandler beispielsweise als Gegentaktwandler auszuführen. Alternativ eignet sich hierzu beispielsweise auch ein
Resonanzkonverter mit Potenzialtrennung.
Die Druckschrift US 2011/0090717 AI beschreibt einen zweistufigen
bidirektionalen Gleichspannungswandler, welcher unter anderem einen
Resonanzkonverter umfasst, der bei einem konstanten Arbeitspunkt betrieben wird. Weiterhin ist dem Resonanzkonverter ein bidirektionaler geregelter Gleichspannungswandler zugeschaltet, der in einer ersten Richtung als
Hochsetzsteller und in einer zweiten Richtung als Tiefsetzsteller betrieben wird.
Für die Anwendung in modernen Hybridelektrofahrzeugen bedarf es jedoch eines platzsparenden sowie einfach ausgestalteten und damit kostengünstigen Gleichspannungswandlers, der einen weiten Spannungsbereich abdeckt und gleichzeitig keine Nachteile bezüglich des Wirkungsgrads aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler mit einer hochvoltseitigen Schaltungsanordnung, welche dazu ausgelegt ist, eine hochvoltseitig anliegende Gleichspannung in eine mittlere Gleichspannung umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Hochsetz- Tiefsetz-Stellern aufweist, die die hochvoltseitige Gleichspannung empfangen und in die mittlere Gleichspannung heraufsetzen bzw. herabsetzen, wobei N2 ä 2 ist; mit einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die hochvoltseitige Gleichspannung zu erfassen und die Hochsetz-Tiefsetz-Steller so zu regeln, dass die mittlere Gleichspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird; mit einer niedervoltseitigen Schaltungsanordnung, welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung in eine niedervoltseitige Gleichspannung umzusetzen, und welche einen ersten potenzialtrennenden
Gleichspannungswandler aufweist, der die mittlere Gleichspannung empfängt und in die niedervoltseitige Gleichspannung umsetzt; und mit einer
niedervoltseitigen Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler mit einem im Wesentlichen fest eingestellten Übertragungsverhältnis zu betreiben. Vorteile der Erfindung
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher in einer ersten Stufe eine Parallelschaltung aus einer Vielzahl von Hochsetz-Tiefsetz-Stellern enthält, die geregelt betrieben werden, und welcher in einer zweiten Stufe einen potenzialtrennenden
Gleichspannungswandler enthält, der mit einem im Wesentlichen festen
Übertragungsverhältnis betrieben wird und hinsichtlich des Wirkungsgrads optimiert ist. Als Hochsetz-Tiefsetz-Steller kann hier und im Folgenden jeweils entweder ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller oder eine Hochsetz- Tiefsetz-Steller-Anordnung vorgesehen sein.
Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die durch den Gleichspannungswandler aufgenommene Leistung auf die parallel geschalteten Hochsetz-Tiefsetz-Steller aufgeteilt wird. Aus diesem Grund können diese mit Standardkomponenten, insbesondere passiven Bauelementen, realisiert werden. Hierdurch ergibt sich der erhebliche Vorteil, dass der
Gleichspannungswandler platzsparend und kostengünstig gestaltbar ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich durch die zweistufige Ausführung. Die Hochsetz-Tiefsetz-Steller der hochvoltseitigen Schaltungsanordnung werden geregelt betrieben, während der
potenzialtrennende Gleichspannungswandler der niedervoltseitigen
Schaltungsanordnung mit einer festen Frequenz in einem Arbeitspunkt betrieben wird, der ein im Wesentlichen festes Übertragungsverhältnis aufweist. Die niedervoltseitige Schaltungsanordnung kann somit über die Wahl der Frequenz bzw. des Arbeitspunktes hinsichtlich des Wirkungsgrads optimiert werden.
Gleichzeitig ist es durch die Regelung der hochvoltseitigen Schaltungsanordnung möglich, einen weiten Eingangsspannungsbereich für den
Gleichspannungswandler abzudecken. Im Falle, dass die hochvoltseitige Gleichspannung schwankt, kann dies durch eine entsprechende Regelung der Hochsetz-Tiefsetz-Steller kompensiert werden, so dass die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten werden kann. Bei Resonanzwandlern ist das Übertragungsverhältnis nicht nur von der
Frequenz abhängig, sondern es besteht auch eine Lastabhängigkeit, d.h. wenn sich bei konstanter Frequenz die Last verändert, so kann sich in diesem Fall auch das Übertragungsverhältnis ändern. Aus diesem Grund wird der
Resonanzwandler an einem Arbeitspunkt betrieben, der nur eine sehr geringe Lastabhängigkeit aufweist. Die Frequenz wird auf einen festen bzw. konstanten Wert eingestellt, so dass der Resonanzwandler folglich auf ein„Soll- Übertragungsverhältnis" fest eingestellt wird, welches auch unter Einbeziehung einer Last im Wesentlichen fest bleibt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann der erste
Gleichspannungswandler als Resonanzwandler ausgebildet sein. Ein
Resonanzwandler ist eine mögliche vorteilhafte Ausführung eines
Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung. Der Resonanzwandler wird in diesem Fall mit einer festen Frequenz betrieben, damit ein im
Wesentlichen festes Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und
Ausgangsspannung vorliegt. Die Frequenz wird dabei hinsichtlich des optimalen Wirkungsgrads eingestellt.
Alternativ kann der erste Gleichspannungswandler gemäß einer bevorzugten Weiterbildung als Gegentaktflusswandler ausgebildet sein. Ein
Gegentaktflusswandler ist eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, einen
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler zu gestalten, welche ebenso mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betreibbar ist, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.
Vorzugsweise können die Hochsetz-Tiefsetz-Steller individuell anschaltbar und ausschaltbar sein. Dies hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad beispielsweise bei kleinen Ausgangsleistungen des Gleichspannungswandlers weiter verbessert werden kann. Der Wirkungsgrad eines Hochsetz-Tiefsetz-Stellers ist eine nicht konstante Funktion der Leistung des Hochsetz-Tiefsetz-Stellers. Insbesondere gibt es typischerweise ein Maximum im Wirkungsgrad für eine bestimmte Leistung. In dieser Weiterbildung kann also nur die Anzahl Hochsetz-Tiefsetz- Steller eingeschaltet werden, welche den optimalen Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebene Ausgangsleistung liefert. Die restlichen Hochsetz-Tiefsetz-Steller bleiben dabei ausgeschaltet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann die niedervoltseitige Schaltungsanordnung eine Anzahl Ni zweiter potenzialtrennender
Gleichspannungswandler umfassen. Die Ausgänge der jeweiligen
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler können parallel zu dem Ausgang des ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlers geschaltet sein, um so die mittlere Gleichspannung zu empfangen und in die niedervoltseitige Gleichspannung umzusetzen. Hierbei kann Ni > 1 sein. Ferner kann die niedervoltseitige Regelvorrichtung dazu ausgebildet sein, die zweiten
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler mit demselben
Übertragungsverhältnis wie den ersten potenzialtrennenden
Gleichspannungswandler zu betreiben. Mit dieser Weiterbildung kann man die erwünschte Gesamtleistung des Gleichspannungswandlers auf mehrere potenzialtrennende Gleichspannungswandler kleinerer Leistung aufteilen, die dann vorteilhafterweise entsprechend einfacher ausführbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können auch die zweiten
Gleichspannungswandler als Resonanzwandler ausgebildet sein. Alternativ können die zweiten Gleichspannungswandler vorzugsweise auch als
Gegentaktflusswandler ausgebildet sein. Für beide Wandlertypen ergeben sich hierdurch ähnliche Vorteile wie für den ersten Gleichspannungswandler.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können die zweiten
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler individuell anschaltbar und ausschaltbar sein. Durch diese Weiterbildung kann der Gleichspannungswandler vorteilhafterweise leistungsskaliert betrieben werden, indem entsprechend der erwünschten Ausgangsleistung beispielsweise nur ein Anteil der zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler angeschaltet wird.
Dementsprechend wird hierbei auch nur ein Anteil der Hochsetz-Tiefsetz-Steller angeschaltet.
Kurze Beschreibung der Zeichnun Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften
Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften
Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften
Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Abwandlung der Erfindung; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften
Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Abwandlung der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften
Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Gleichspannungswandler. Dieser umfasst eine hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 enthält eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8, wobei N2 ä 2 ist, und die niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält einen
Resonanzwandler (LLC). Der Resonanzwandler wird von einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 werden von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 geregelt. An den Gleichspannungswandler 1 ist eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 angelegt, welche von den Hochsetz-Tiefsetz- Stellern 8 in eine mittlere Gleichspannung 31 umgesetzt wird, welche wiederum vom Resonanzwandler in eine niedervoltseitige Gleichspannung 41 umgesetzt wird. Der Resonanzwandler wird mit einer Ausgangsleistung Ρ0υτ betrieben und die Hochsetz-Tiefsetz-Steller jeweils mit einer Leistung PB, wobei PB = Ρουτ / N2 gilt.
Der Resonanzwandler wird mit einer festen Frequenz betrieben, d.h. er ist auf einen festen Arbeitspunkt mit einem im Wesentlichen festen
Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung eingestellt. Die Frequenz ist so gewählt, dass der Resonanzwandler mit optimalem
Wirkungsgrad arbeitet. Die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, die hochvoltseitige Gleichspannung 21 und/oder die
niedervoltseitige Gleichspannung 41 zu erfassen und die Hochsetz-Tiefsetz- Steller 6 so zu regeln, dass die mittlere Gleichspannung 41 auf einem konstanten Wert gehalten wird. Als Hochsetz-Tiefsetz-Steller kann hier und im Folgenden jeweils entweder ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller oder eine Hochsetz- Tiefsetz-Steller-Anordnung vorgesehen sein.
Beispielsweise wird der Resonanzwandler mit einer festen/konstanten Frequenz von 250 kHz betrieben und mit einem im Wesentlichen festen (d.h.
lastunabhängigen) Übertragungsverhältnis von 10. Diese Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 1 kann zum Beispiel dafür vorgesehen sein, eine Batterie mit 12 V aufzuladen. Dementsprechend wird die mittlere
Gleichspannung 21 von der hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 durch
Regelung der Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 auf 120 V gehalten. Liegt
beispielsweise eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 von 200 V an, wird diese von den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 in eine mittlere Gleichspannung 31 von 120 V herabgesetzt, welche daraufhin vom Resonanzwandler auf die
niedervoltseitige Gleichspannung 41 von 12 V umgesetzt wird. Bewegt sich die hochvoltseitige Gleichspannung 21 aufgrund von Schwankungen von diesem Betrag weg, werden die Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 entsprechend von der hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 nachgeregelt, so dass die niedervoltseitige Gleichspannung weiterhin bei 12 V liegt.
Ein erheblicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Leistung des Resonanzwandlers auf die parallel geschalteten Tiefsetzsteller 8 aufgeteilt wird. Aus diesem Grund können diese mit Standardkomponenten, insbesondere passiven Bauelementen, realisiert werden. Beispielsweise können für einen 1,8 kW Resonanzwandler drei Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 in der hochvoltseitigen Schaltungsanordnung 2 enthalten sein, welche jeweils 600 W Leistung haben.
Alternativ zu dem Resonanzwandler kann auch ein anderer
Gleichspannungswandlertyp mit Potenzialtrennung verwendet werden, beispielsweise ein Gegentaktflusswandler. Weiterhin ist vorgesehen, dass einzelne Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 durch die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 individuell ein- bzw. ausgeschaltet werden. Hierdurch ist es beispielsweise für kleine Ausgangsleistungen des
Gleichspannungswandlers 1 möglich, den Wirkungsgrad des
Gleichspannungswandlers 1 weiter zu verbessern, indem nur die Anzahl Hochsetz-Tiefsetz-Steller eingeschaltet wird, welche den optimalen
Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebene Ausgangsleistung liefert. Die restlichen Hochsetz-Tiefsetz-Steller bleiben dabei ausgeschaltet.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften
Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 2 umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine hochvoltseitige
Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält einen ersten
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 5 und einen zweiten
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 7. Diese sind beide als
Resonanzwandler (LLC) ausgebildet, der erste potenzialtrennende
Gleichspannungswandler als 1,2 kW Resonanzwandler, der andere als 600 W Resonanzwandler. Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler drei
Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 mit jeweils 600 W. Die Resonanzwandler werden von einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 mit dem gleichen im
Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Hochsetz-Tiefsetz- Steller 8 werden von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 geregelt. Die Eingänge der Hochsetz-Tiefsetz-Steller sind parallel geschaltet, so dass an diesen eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 anliegt. Diese wird von den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern in eine mittlere Gleichspannung 31 umgesetzt, welche wiederum von den beiden Resonanzkonvertern in eine niedervoltseitige
Gleichspannung 41 umgesetzt wird. Auch die Ausgänge der Resonanzkonverter sind hierzu parallel geschaltet. Die Frequenz beider Resonanzwandler ist so gewählt, dass diese mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten. Die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, die hochvoltseitige Gleichspannung 21 und/oder die niedervoltseitige Gleichspannung 41 zu erfassen und die Hochsetz- Tiefsetz-Steller 8 so zu regeln, dass die mittlere Gleichspannung 31 auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Zu beachten ist, dass die Eingänge der beiden Resonanzwandler nicht parallel verschaltet sind. Hierdurch lässt sich die Gesamtleistung des
Gleichspannungswandlers 1 in Stufen von 600 W skalieren (600W, 1,2 kW und 1,8 kW), indem eine entsprechende Kombination aus Resonanzwandler und Hochsetz-Tiefsetz-Steller(n) 6 aus- bzw. eingeschaltet wird. Außerdem lässt sich durch Zu- bzw. Abschalten einzelner Stufen der Wirkungsgrad des
Gleichspannungswandlers 1 verbessern. Geregelt wird dies durch die
hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 und die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42.
Die Verschaltung der Resonanzwandler mit den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 sowie die hier gewählte Ausführung der Stufen sind beispielhaft zu sehen.
Gleiches gilt auch für die Leistungen der einzelnen Bauteile. Die
erfindungsgemäße Lösung sieht vielfältige Kombinationen aus einer Anzahl Ni von zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlern 7 und einer Anzahl N2 von Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 vor.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften
Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten möglichen Abwandlung der Erfindung. In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Gleichspannungswandler. Dieser umfasst eine hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 enthält einen Resonanzwandler (LLC) und die niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Tiefsetzstellern 6, wobei N2 ä 2 ist. Der Resonanzwandler wird von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Tiefsetzsteller 6 werden von einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 geregelt. An den Gleichspannungswandler 1 ist eine hochvoltseitige
Gleichspannung 21 angelegt, welche vom Resonanzwandler in eine mittlere Gleichspannung 31 umgesetzt wird, welche wiederum von den Tiefsetzstellern 6 in eine niedervoltseitige Gleichspannung 41 herabgesetzt wird. Der
Resonanzwandler wird mit einer Ausgangsleistung Ρ0υτ betrieben und die Tiefsetzsteller jeweils mit einer Leistung PB, wobei PB = Ρουτ / N2 gilt.
Der Resonanzwandler wird mit einer festen Frequenz betrieben, d.h. er ist auf einen festen Arbeitspunkt mit einem im Wesentlichen festen
Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung eingestellt. Die Frequenz ist so gewählt, dass der Resonanzwandler mit optimalem
Wirkungsgrad arbeitet. Die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42 ist dazu ausgebildet, die mittlere Gleichspannung 31 zu erfassen und die Tiefsetzsteller 6 so zu regeln, dass die niedervoltseitige Gleichspannung 41 auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Beispielsweise wird der Resonanzwandler mit einer festen/konstanten Frequenz von 250 kHz betrieben und mit einem im Wesentlichen festen (d.h.
lastunabhängigen) Übertragungsverhältnis von 10. Diese Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 1 kann zum Beispiel dafür vorgesehen sein, eine Batterie mit 12 V aufzuladen. Dementsprechend wird die niedervoltseitige Gleichspannung 41 von der niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 durch Regelung der Tiefsetzsteller 6 auf diesem Wert gehalten. Liegt beispielsweise eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 von 240 V an, wird diese vom
Resonanzwandler in eine mittlere Gleichspannung 31 von 24 V umgesetzt, welche daraufhin von den Tiefsetzstellern 6 auf die niedervoltseitige Gleichspannung 41 von 12 V herabgesetzt wird. Bewegt sich die hochvoltseitige Gleichspannung 21 aufgrund von Schwankungen von diesem Betrag weg, werden die Tiefsetzsteller 6 entsprechend von der niedervoltseitigen
Regelvorrichtung 42 nachgeregelt, so dass die niedervoltseitige Gleichspannung weiterhin bei 12 V liegt.
Ein erheblicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Leistung des Resonanzwandlers auf die parallel geschalteten Tiefsetzsteller 6 aufgeteilt wird. Aus diesem Grund können diese mit Standardkomponenten, insbesondere passiven Bauelementen, realisiert werden. Beispielsweise können für einen 1,8 kW Resonanzwandler drei Tiefsetzsteller 6 in der niedervoltseitigen
Schaltungsanordnung 4 enthalten sein, welche jeweils 600 W Leistung haben.
Alternativ zu dem Resonanzwandler kann auch ein anderer
Gleichspannungswandlertyp mit Potenzialtrennung verwendet werden, beispielsweise ein Gegentaktflusswandler.
Weiterhin ist vorgesehen, dass einzelne Tiefsetzsteller 6 durch die
niedervoltseitige Regelvorrichtung 42 individuell ein- bzw. ausgeschaltet werden. Hierdurch ist es beispielsweise für kleine Ausgangsleistungen des
Gleichspannungswandlers 1 möglich, den Wirkungsgrad des
Gleichspannungswandlers 1 weiter zu verbessern, indem nur die Anzahl Tiefsetzsteller eingeschaltet wird, welche den optimalen Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebene Ausgangsleistung liefert. Die restlichen Tiefsetzsteller bleiben dabei ausgeschaltet.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften
Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten möglichen Abwandlung der Erfindung.
In Fig. 4 umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine hochvoltseitige
Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 enthält einen ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 5 und einen zweiten potenzialtrennenden
Gleichspannungswandler 7. Diese sind beide als Resonanzwandler (LLC) ausgebildet, der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler als 1,2 kW Resonanzwandler, der andere als 600 W Resonanzwandler. Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler drei Tiefsetzsteller 6 mit jeweils 600 W. Die Resonanzwandler werden von einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 mit dem gleichen im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betrieben. Die Tiefsetzsteller 6 werden von einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung 42 geregelt. Die Eingänge der beiden Resonanzwandler sind parallel geschaltet, so dass an beiden eine hochvoltseitige Gleichspannung 21 anliegt. Diese wird von beiden Resonanzwandlern in eine mittlere Gleichspannung 31 umgesetzt, welche wiederum von den Tiefsetzstellern 6 in eine niedervoltseitige
Gleichspannung 41 herabgesetzt wird. Auch die Ausgänge der Tiefsetzsteller 6 sind hierzu parallel geschaltet. Die Frequenz beider Resonanzwandler ist so gewählt, dass diese mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten. Die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42 ist dazu ausgebildet, die mittlere Gleichspannung 31 zu erfassen und die Tiefsetzsteller 6 so zu regeln, dass die niedervoltseitige
Gleichspannung 41 auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Zu beachten ist, dass die Ausgänge der beiden Resonanzwandler nicht parallel verschaltet sind. Hierdurch lässt sich die Gesamtleistung des
Gleichspannungswandlers 1 in Stufen von 600 W skalieren (600W, 1,2 kW und 1,8 kW), indem eine entsprechende Kombination aus Resonanzwandler und Tiefsetzsteller(n) 6 aus- bzw. eingeschaltet wird. Außerdem lässt sich durch Zu- bzw. Abschalten einzelner Stufen der Wirkungsgrad des
Gleichspannungswandlers 1 verbessern. Geregelt wird dies durch die
hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 und die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42.
Die Verschaltung der Resonanzwandler mit den Tiefsetzstellern 6 sowie die hier gewählte Ausführung der Stufen sind beispielhaft zu sehen. Gleiches gilt auch für die Leistungen der einzelnen Bauteile. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vielfältige Kombinationen aus einer Anzahl Ni von zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlern 7 und einer Anzahl N2 von Tiefsetzstellern 6 vor.

Claims

Ansprüche
1. Gleichspannungswandler, mit:
einer hochvoltseitigen Schaltungsanordnung (2), welche dazu ausgelegt ist, eine hochvoltseitig anliegende Gleichspannung (21) in eine mittlere
Gleichspannung (31) umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Hochsetz-Tiefsetz-Stellern (8) aufweist, die die hochvoltseitige Gleichspannung (21) empfangen und in die mittlere Gleichspannung (31) heraufsetzen bzw. herabsetzen, wobei N2 ä 2 ist;
einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung (22), welche dazu ausgebildet ist, die hochvoltseitige Gleichspannung (21) zu erfassen und die Hochsetz-Tiefsetz- Steller (8) so zu regeln, dass die mittlere Gleichspannung (31) auf einem konstanten Wert gehalten wird;
einer niedervoltseitigen Schaltungsanordnung (4), welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung (31) in eine niedervoltseitige Gleichspannung (41) umzusetzen, und welche einen ersten potenzialtrennenden
Gleichspannungswandler (5) aufweist, der die mittlere Gleichspannung (31) empfängt und in die niedervoltseitige Gleichspannung (41) umsetzt; und einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung (42), welche dazu ausgebildet ist, den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) mit einem im Wesentlichen fest eingestellten Übertragungsverhältnis zu betreiben.
2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1,
wobei der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler (5) als
Resonanzwandler ausgebildet ist.
3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1,
wobei der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler (5) als
Gegentaktflusswandler ausgebildet ist.
4. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Hochsetz-Tiefsetz-Steller (8) individuell anschaltbar und ausschaltbar sind. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die niedervoltseitige Schaltungsanordnung (4) eine Anzahl Ni zweiter potenzialtrennender Gleichspannungswandler (7) umfasst, deren Ausgänge jeweils parallel zu dem Ausgang des ersten potenzialtrennenden
Gleichspannungswandlers (5) geschaltet sind, um die mittlere
Gleichspannung (31) zu empfangen und in die niedervoltseitige
Gleichspannung (41) umzusetzen, wobei Ni > 1 ist und die niedervoltseitige Regelvorrichtung (42) dazu ausgebildet ist, die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) mit demselben Übertragungsverhältnis wie den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) zu betreiben.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 5,
wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) als Resonanzwandler ausgebildet sind.
7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5,
wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) als Gegentaktflusswandler ausgebildet sind.
8. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) individuell anschaltbar und ausschaltbar sind.
PCT/EP2015/051786 2014-03-26 2015-01-29 Zweistufiger gleichspannungswandler mit leistungsskalierung WO2015144337A1 (de)

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