WO2015144339A1 - Two-stage dc-to-dc converter having power scaling - Google Patents

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WO2015144339A1
WO2015144339A1 PCT/EP2015/051793 EP2015051793W WO2015144339A1 WO 2015144339 A1 WO2015144339 A1 WO 2015144339A1 EP 2015051793 W EP2015051793 W EP 2015051793W WO 2015144339 A1 WO2015144339 A1 WO 2015144339A1
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voltage
converter
low
designed
converters
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PCT/EP2015/051793
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David Tastekin
Stefan Butzmann
Tobias PRISTL
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Robert Bosch Gmbh
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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 electrical system to charge a battery of the vehicle at 12 V or to feed the low-voltage consumers.
  • a high-voltage network at several hundred volts
  • the voltages can fluctuate greatly, 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 designed to convert a high-voltage side applied DC voltage into a mean DC voltage, and which a first potential-separating
  • DC converter has, which receives the high-voltage side DC voltage and converts into the average DC voltage; with a high-voltage side control device, which is adapted to the first potential-separating DC-DC converter with a substantially fixed set
  • Circuit arrangement which is designed to convert the average DC voltage into a constant low-voltage side DC voltage, and which has a number N 2 of parallel-connected buck converters receiving the DC voltage and reducing it to the low-voltage DC voltage, wherein N 2 is 2; and with a low-voltage side control device, which is adapted to detect the average DC voltage and to control the step-down converter so that the low-voltage side DC voltage is kept at a constant value.
  • DC-DC converter contains, with a substantially fixed
  • Transmission ratio is operated and optimized in terms of efficiency, and which contains in a second stage a parallel circuit of a plurality of buck converters, which are operated in a regulated manner.
  • a considerable advantage of the solution according to the invention is that the power consumed by the DC-DC converter is divided between the parallel-connected buck converters. 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 can be designed to save space and cost.
  • Circuitry are operated regulated during the
  • Circuit arrangement is operated at a fixed frequency at an operating point having a substantially fixed transmission ratio.
  • the high-voltage side circuit arrangement can thus be optimized by choosing the frequency or the operating point in terms of efficiency.
  • Circuit arrangement possible to cover a wide input voltage range for the DC-DC converter. In the event that the high-voltage side DC voltage fluctuates, this can be compensated by an appropriate control of the buck converter, so that the output voltage can be kept at a constant value.
  • the transmission ratio is not only of the
  • the 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 an im
  • 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 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 buck converter is a non-constant function of the buck converter performance. In particular, there is typically a maximum in efficiency for a given power. In this development, therefore, only the number of buck converters can be switched on, which supplies the optimum efficiency of the DC-DC converter for the given output power. The remaining buck converters remain
  • the high-voltage side circuit arrangement can divide a number Ni second potential-separating DC-DC converter include. The inputs of each
  • potential-separating DC-DC converter can be connected in parallel to the input of the first potential-separating DC-DC converter, so as to receive the high-voltage side DC voltage and in the middle
  • Ni may be> 1.
  • the high-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 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
  • Resonant converter converted into a mean DC voltage 31 of 24 V, which then from the buck converters 6 on the low-voltage side
  • 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. 2 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 are both designed as resonant converters (LLC), the first DC-DC converter as a 1.2 kW resonant converter, the other as a 600 W resonant converter. Furthermore, 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 Regulating device 42 is designed to detect the average DC voltage 31 and to control the step-down converter 6 so that the low-voltage side
  • DC voltage 41 is kept at a constant value. It should be noted that the outputs of the two resonant converters are not connected in parallel. This allows the overall performance of the
  • 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.
  • 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 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 operated by a low-voltage side control device 42 with a substantially fixed transmission ratio.
  • the boost-buck converter 8 are controlled by a high-voltage side control device 22.
  • a high-voltage side 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
  • step-up / step-down controller here and below in each case either a step-up converter or a step-down converter or a step-up converter can be used.
  • the resonant converter is operated at a fixed / constant frequency of 250 kHz and with a substantially fixed (i.e.
  • DC-DC converter 1 may be provided, for example, to charge a 12 V battery. Accordingly, the middle
  • the boost-set-step controllers 8 are correspondingly readjusted by the high-voltage side control device 22, so that the low-voltage side DC voltage continues to be 12 V.
  • a significant advantage of this embodiment is that the power of the resonant converter is distributed to the buck converters 8 connected in parallel becomes. 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
  • Gleichharddlertyp be used with potential separation, for example, a push-pull flow converter.
  • Fig. 4 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 converter as 1.2 kW resonant converter, the other than 600 W resonant converter. Furthermore, the DC-DC converter comprises three step-up and step-down controllers 8, each with 600 W.
  • the resonant converter are from a low-voltage side control device 42 with the same in
  • 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 on this is a high-voltage DC 21 applied.
  • 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.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

The invention relates to a DC-to-DC converter, comprising: a high-voltage-side circuit assembly (2), which is designed to convert a direct voltage (21) applied on the high-voltage side into a medium direct voltage (31) and which has a first potential-isolating DC-to-DC converter (5), which receives the high-voltage-side direct voltage (21) and converts the high-voltage-side direct voltage into the medium direct voltage (31); a high-voltage-side control device (22), which is designed to operate the first potential-isolating DC-to-DC converter (5) at a substantially fixed transfer ratio; a low-voltage-side circuit assembly (4), which is designed to convert the medium direct voltage (31) into a constant low-voltage-side direct voltage (41) and which has a number N2 of buck converters (6) connected in parallel, which receive the medium direct voltage (31) and lower the medium direct voltage into the low-voltage-side direct voltage (41), wherein N2 is ≥ 2; and a low-voltage-side control device (42), which is designed to sense the medium direct voltage (31) and to control the buck converters (6) in such a way that the low-voltage-side direct voltage (41) is held at a constant value.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Zweistufiger Gleichspannungswandler mit Leistungsskalierung  Two-stage DC-DC converter with power scaling
Die Erfindung betrifft einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit The invention relates to a two-stage DC-DC converter
Leistungsskalierung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen zweistufigen Gleichspannungswandler mit einem Resonanzkonverter mit Potenzialtrennung. Power scaling. In particular, the invention relates to a two-stage DC-DC converter with a resonant converter with electrical isolation.
Stand der Technik State of the art
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. Although the present invention and its underlying problem will be explained with reference to a two-stage DC-DC converter, in which a galvanic isolation is achieved by means of a resonant converter, it is also applicable to any other two-stage DC-DC converter, in which a galvanic isolation is provided.
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 Niedervoltbordnetz 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 Among other things, in electric and hybrid vehicles, it is necessary to transfer energy from a high-voltage grid to a low-voltage grid. In this case, typically 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 electrical system to charge a battery of the vehicle at 12 V or to feed the low-voltage consumers. Both in the high-voltage network and in the low-voltage network, the voltages can fluctuate greatly, so that the DC-DC converter in typical applications must be designed for this, on the high-voltage side and / or on the
Niedervoltseite einen weiten Spannungsbereich abzudecken. Je nach Low voltage side to cover a wide voltage range. Depending on
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 Field of application, 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. Alternatively, this is for example also a
Resonanzkonverter mit Potenzialtrennung. Resonance converter with electrical isolation.
Die Druckschrift US 2011/0090717 AI beschreibt einen zweistufigen The document US 2011/0090717 AI describes a two-stage
bidirektionalen Gleichspannungswandler, welcher unter anderem einen bidirectional DC-DC converter, which includes a
Resonanzkonverter umfasst, der bei einem konstanten Arbeitspunkt betrieben wird. Weiterhin ist dem Resonanzkonverter ein bidirektionaler geregelter Gleichspannungswandler zugeschaltet, der in einer ersten Richtung als 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
Hochsetzsteller und in einer zweiten Richtung als Tiefsetzsteller betrieben wird. Step-up converter and operated in a second direction as a buck converter.
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. For the application in modern hybrid electric vehicles, however, a space-saving and simply designed and therefore cost-effective DC-DC converter is required, which covers a wide voltage range and at the same time has no disadvantages with regard to the efficiency.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
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 einen ersten potenzialtrennenden The present invention provides a DC-DC converter with a high-voltage side circuit arrangement which is designed to convert a high-voltage side applied DC voltage into a mean DC voltage, and which a first potential-separating
Gleichspannungswandler aufweist, der die hochvoltseitige Gleichspannung empfängt und in die mittlere Gleichspannung umsetzt; mit einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler mit einem im Wesentlichen fest eingestellten DC converter has, which receives the high-voltage side DC voltage and converts into the average DC voltage; with a high-voltage side control device, which is adapted to the first potential-separating DC-DC converter with a substantially fixed set
Übertragungsverhältnis zu betreiben; mit einer niedervoltseitigen To operate transmission ratio; with a low voltage side
Schaltungsanordnung, welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung in eine konstante niedervoltseitige Gleichspannung umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Tiefsetzstellern aufweist, die die mittlere Gleichspannung empfangen und in die niedervoltseitige Gleichspannung herabsetzen, wobei N2 ä 2 ist; und mit einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die mittlere Gleichspannung zu erfassen und die Tiefsetzsteller so zu regeln, dass die niedervoltseitige Gleichspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird. Vorteile der Erfindung Circuit arrangement, which is designed to convert the average DC voltage into a constant low-voltage side DC voltage, and which has a number N 2 of parallel-connected buck converters receiving the DC voltage and reducing it to the low-voltage DC voltage, wherein N 2 is 2; and with a low-voltage side control device, which is adapted to detect the average DC voltage and to control the step-down converter so that the low-voltage side DC voltage is kept at a constant value. Advantages of the invention
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher in einer ersten Stufe einen potenzialtrennenden It is an idea of the present invention to provide a DC-DC converter which in a first stage is a potential divider
Gleichspannungswandler enthält, der mit einem im Wesentlichen festen DC-DC converter contains, with a substantially fixed
Übertragungsverhältnis betrieben wird und hinsichtlich des Wirkungsgrads optimiert ist, und welcher in einer zweiten Stufe eine Parallelschaltung aus einer Vielzahl von Tiefsetzstellern enthält, die geregelt betrieben werden. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die durch den Gleichspannungswandler aufgenommene Leistung auf die parallel geschalteten Tiefsetzsteller 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.  Transmission ratio is operated and optimized in terms of efficiency, and which contains in a second stage a parallel circuit of a plurality of buck converters, which are operated in a regulated manner. A considerable advantage of the solution according to the invention is that the power consumed by the DC-DC converter is divided between the parallel-connected buck converters. 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 can be designed to save space and cost.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich durch die zweistufige Ausführung. Die Tiefsetzsteller der niedervoltseitigen Another advantage of the solution according to the invention results from the two-stage design. The buck converters of the low-voltage side
Schaltungsanordnung werden geregelt betrieben, während der Circuitry are operated regulated during the
potenzialtrennende Gleichspannungswandler der hochvoltseitigen Potential-separating DC-DC converters of the high-voltage side
Schaltungsanordnung mit einer festen Frequenz in einem Arbeitspunkt betrieben wird, der ein im Wesentlichen festes Übertragungsverhältnis aufweist. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung kann somit über die Wahl der Frequenz bzw. des Arbeitspunktes hinsichtlich des Wirkungsgrads optimiert werden.  Circuit arrangement is operated at a fixed frequency at an operating point having a substantially fixed transmission ratio. The high-voltage side circuit arrangement can thus be optimized by choosing the frequency or the operating point in terms of efficiency.
Gleichzeitig ist es durch die Regelung der niedervoltseitigen At the same time it is due to the regulation of low-voltage side
Schaltungsanordnung möglich, einen weiten Eingangsspannungsbereich für den Gleichspannungswandler abzudecken. Im Falle, dass die hochvoltseitige Gleichspannung schwankt, kann dies durch eine entsprechende Regelung der Tiefsetzsteller kompensiert werden, so dass die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.  Circuit arrangement possible to cover a wide input voltage range for the DC-DC converter. In the event that the high-voltage side DC voltage fluctuates, this can be compensated by an appropriate control of the buck converter, so that the output voltage can be kept at a constant value.
Bei Resonanzwandlern ist das Übertragungsverhältnis nicht nur von der In resonance converters, the transmission ratio is not only of the
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. Frequency dependent, but there is also a load dependency, ie if the load changes at a constant frequency, then in this case, the transmission ratio can change. For this reason, the 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.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann der erste According to a preferred embodiment, the first
Gleichspannungswandler als Resonanzwandler ausgebildet sein. Ein DC converter can be designed as a resonant converter. One
Resonanzwandler ist eine mögliche vorteilhafte Ausführung eines Resonance converter is a possible advantageous embodiment of a
Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung. Der Resonanzwandler wird in diesem Fall mit einer festen Frequenz betrieben, so dass ein im DC-DC converter with galvanic isolation. The resonant converter is operated in this case with a fixed frequency, so that an im
Wesentlichen festes Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und Substantially fixed transmission ratio between input and output
Ausgangsspannung vorliegt. Die Frequenz wird dabei hinsichtlich des optimalen Wirkungsgrads eingestellt. Output voltage is present. The frequency is set with regard to the optimum efficiency.
Alternativ kann der erste Gleichspannungswandler gemäß einer bevorzugten Weiterbildung als Gegentaktflusswandler ausgebildet sein. Ein Alternatively, the first DC-DC converter according to a preferred embodiment may be formed as push-pull flow converter. One
Gegentaktflusswandler ist eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, einen Push-pull type flux converter is another advantageous way to make a
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler zu gestalten, welche ebenso mit einem im Wesentlichen festen Übertragungsverhältnis betreibbar ist, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. to design potential-separating DC-DC converter, which is also operable with a substantially fixed transmission ratio in order to achieve optimum efficiency.
Vorzugsweise können die Tiefsetzsteller 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 Tiefsetzstellers ist eine nicht konstante Funktion der Leistung des Tiefsetzstellers. Insbesondere gibt es typischerweise ein Maximum im Wirkungsgrad für eine bestimmte Leistung. In dieser Weiterbildung kann also nur die Anzahl Tiefsetzsteller eingeschaltet werden, welche den optimalen Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebene Ausgangsleistung liefert. Die restlichen Tiefsetzsteller bleiben dabei Preferably, the 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 buck converter is a non-constant function of the buck converter performance. In particular, there is typically a maximum in efficiency for a given power. In this development, therefore, only the number of buck converters can be switched on, which supplies the optimum efficiency of the DC-DC converter for the given output power. The remaining buck converters remain
ausgeschaltet. switched off.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann die hochvoltseitige Schaltungsanordnung eine Anzahl Ni zweiter potenzialtrennender Gleichspannungswandler umfassen. Die Eingänge der jeweiligen According to a further preferred development, the high-voltage side circuit arrangement can divide a number Ni second potential-separating DC-DC converter include. The inputs of each
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler können parallel zu dem Eingang des ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlers geschaltet sein, um so die hochvoltseitige Gleichspannung zu empfangen und in die mittlere potential-separating DC-DC converter can be connected in parallel to the input of the first potential-separating DC-DC converter, so as to receive the high-voltage side DC voltage and in the middle
Gleichspannung umzusetzen. Hierbei kann Ni > 1 sein. Ferner kann die hochvoltseitige Regelvorrichtung dazu ausgebildet sein, die zweiten Convert DC voltage. Here, Ni may be> 1. Further, the high-voltage side control device may be configured to the second
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler mit demselben potential-separating DC-DC converter with the same
Übertragungsverhältnis wie den ersten potenzialtrennenden Transmission ratio as the first potential-separating
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. DC-DC converter to operate. With this development, one can divide the desired total power of the DC-DC converter to a plurality of potential-separating DC voltage converter smaller power, which are then advantageously correspondingly easier to carry out.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können auch die zweiten According to a preferred development, the second
Gleichspannungswandler als Resonanzwandler ausgebildet sein. Alternativ können die zweiten Gleichspannungswandler vorzugsweise auch als DC converter can be designed as a resonant converter. Alternatively, the second DC-DC converter preferably also as
Gegentaktflusswandler ausgebildet sein. Für beide Wandlertypen ergeben sich hierdurch ähnliche Vorteile wie für den ersten Gleichspannungswandler. Push-pull flow converter be formed. For both converter types, this results in similar advantages as for the first DC-DC converter.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können die zweiten According to a preferred embodiment, the second
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. potential-separating DC-DC converter can be individually switched on and off. As a result of this further development, 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.
Dementsprechend wird hierbei auch nur ein Anteil der Tiefsetzsteller Accordingly, only a portion of the buck converters will be used
angeschaltet. turned on.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the figures.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaftenShow it: Fig. 1 is a schematic representation of an exemplary
Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; DC-DC converter according to a first embodiment of the invention;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fig. 2 is a schematic representation of an exemplary
Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;  DC-DC converter according to a second embodiment of the invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fig. 3 is a schematic representation of an exemplary
Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten möglichen Abwandlung der Erfindung; und  DC-DC converter according to a first possible modification of the invention; and
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fig. 4 is a schematic representation of an exemplary
Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten möglichen Abwandlung der Erfindung.  DC-DC converter according to a second possible modification of the invention.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente. In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fig. 1 shows a schematic representation of an exemplary
Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. DC-DC converter according to a first embodiment of the invention.
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 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 In Fig. 1, 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
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 DC voltage 21 applied, which is converted by the resonant converter in a mean DC voltage 31, which in turn from the buck converters. 6 is reduced in a low-voltage DC 41. Of the
Resonanzwandler wird mit einer Ausgangsleistung Ρ0υτ betrieben und die Tiefsetzsteller jeweils mit einer Leistung PB, wobei PB = Ρουτ / N2 gilt. Resonant converter is operated with an output power Ρ 0 υτ and the buck converters each with a power P B , where P B = Ρουτ / N 2 applies.
Der Resonanzwandler wird mit einer festen Frequenz betrieben, d.h. er ist auf einen festen Arbeitspunkt mit einem im Wesentlichen festen The resonant converter is operated at a fixed frequency, i. he is on a fixed working point with a substantially fixed
Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung eingestellt. Die Frequenz ist so gewählt, dass der Resonanzwandler mit optimalem Transmission ratio between input and output voltage set. The frequency is chosen so that the resonant converter with optimal
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. Efficiency works. 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.
Beispielsweise wird der Resonanzwandler mit einer festen/konstanten Frequenz von 250 kHz betrieben und mit einem im Wesentlichen festen (d.h. For example, the resonant converter is operated at a fixed / constant frequency of 250 kHz and with a substantially fixed (i.e.
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 load-independent) transmission ratio of 10. 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
Resonanzwandler in eine mittlere Gleichspannung 31 von 24 V umgesetzt, welche daraufhin von den Tiefsetzstellern 6 auf die niedervoltseitige Resonant converter converted into a mean DC voltage 31 of 24 V, which then from the buck converters 6 on the low-voltage side
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 DC voltage 41 of 12 V is reduced. If the high-voltage-side DC voltage 21 moves away from this amount due to fluctuations, the buck converters 6 are correspondingly switched from the low-voltage side
Regelvorrichtung 42 nachgeregelt, so dass die niedervoltseitige Gleichspannung weiterhin bei 12 V liegt. Regulating device 42 readjusted so that the low-voltage DC voltage is still at 12 V.
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 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
Schaltungsanordnung 4 enthalten sein, welche jeweils 600 W Leistung haben. Alternativ zu dem Resonanzwandler kann auch ein anderer Circuit 4 may be included, each having 600 W power. Alternatively to the resonant converter can also another
Gleichspannungswandlertyp mit Potenzialtrennung verwendet werden, beispielsweise ein Gegentaktflusswandler. Gleichspannungswandlertyp be used with potential separation, for example, a push-pull flow converter.
Weiterhin ist vorgesehen, dass einzelne Tiefsetzsteller 6 durch die Furthermore, it is provided that individual buck converter 6 through the
niedervoltseitige Regelvorrichtung 42 individuell ein- bzw. ausgeschaltet werden. Hierdurch ist es beispielsweise für kleine Ausgangsleistungen des low-voltage side control device 42 individually switched on or off. This makes it possible, for example, for small output powers of
Gleichspannungswandlers 1 möglich, den Wirkungsgrad des DC-DC converter 1 possible, the efficiency of
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. 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. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fig. 2 shows a schematic representation of an exemplary
Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. DC-DC converter according to a second embodiment of the invention.
In Fig. 2 umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine hochvoltseitige In Fig. 2, the DC-DC converter 1 comprises a high-voltage side
Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die hochvoltseitige Schaltungsanordnung 2 enthält einen ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 5 und einen zweiten potenzialtrennenden Circuit arrangement 2 and a low-voltage side circuit arrangement 4. The high-voltage side circuit 2 includes a first potential-separating DC-DC converter 5 and a second potential-separating
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 DC-DC converters 7. These are both designed as resonant converters (LLC), the first DC-DC converter as a 1.2 kW resonant converter, the other as a 600 W resonant converter. Furthermore, 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
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 DC voltage 41 is lowered. The outputs of the buck converter 6 are connected in parallel. The frequency of both resonant converters is chosen so that they work with optimum efficiency. The low-voltage side Regulating device 42 is designed to detect the average DC voltage 31 and to control the step-down converter 6 so that the low-voltage side
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 DC voltage 41 is kept at a constant value. It should be noted that the outputs of the two resonant converters are not connected in parallel. This allows the overall performance of the
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 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
Gleichspannungswandlers 1 verbessern. Geregelt wird dies durch die  DC-DC converter 1 improve. This is regulated by the
hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 und die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42. high-voltage side control device 22 and the low-voltage side control device 42nd
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. 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.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fig. 3 shows a schematic representation of an exemplary
Gleichspannungswandlers gemäß einer ersten möglichen Abwandlung der Erfindung. DC-DC converter according to a first possible modification of the invention.
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 eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8, wobei N2 ä 2 ist, und die niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält einen In Fig. 3, 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
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. Resonance converter (LLC). The resonant converter is operated by a low-voltage side control device 42 with a substantially fixed transmission ratio. The boost-buck converter 8 are controlled by a high-voltage side control device 22. To the DC-DC converter 1, a high-voltage side 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 with an output power Ρ 0 υτ and the boost converter buckets each with a power P B , where P B = Ρουτ / N 2 applies.
Der Resonanzwandler wird mit einer festen Frequenz betrieben, d.h. er ist auf einen festen Arbeitspunkt mit einem im Wesentlichen festen The resonant converter is operated at a fixed frequency, i. he is on a fixed working point with a substantially fixed
Übertragungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung eingestellt. Die Frequenz ist so gewählt, dass der Resonanzwandler mit optimalem Transmission ratio between input and output voltage set. The frequency is chosen so that the resonant converter with optimal
Wirkungsgrad arbeitet. Die hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, die hochvoltseitige Gleichspannung 21 und/oder die Efficiency works. The high-voltage side control device 22 is adapted to the high-voltage side DC 21 and / or the
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-low-voltage DC to detect 41 and the Hochsetz-Tiefsetz- controller 6 to regulate so that the average DC voltage 41 is maintained at a constant value. As a step-up / step-down controller, here and below in each case either a step-up converter or a step-down converter or a step-up converter can be used.
Tiefsetz-Steller-Anordnung vorgesehen sein. Tiefsetz-controller arrangement may be provided.
Beispielsweise wird der Resonanzwandler mit einer festen/konstanten Frequenz von 250 kHz betrieben und mit einem im Wesentlichen festen (d.h. For example, the resonant converter is operated at a fixed / constant frequency of 250 kHz and with a substantially fixed (i.e.
lastunabhängigen) Übertragungsverhältnis von 10. Diese Ausführungsform desload-independent) transmission ratio of 10. This embodiment of the
Gleichspannungswandlers 1 kann zum Beispiel dafür vorgesehen sein, eine Batterie mit 12 V aufzuladen. Dementsprechend wird die mittlere DC-DC converter 1 may be provided, for example, to charge a 12 V battery. Accordingly, the middle
Gleichspannung 21 von der hochvoltseitigen Regelvorrichtung 22 durch DC voltage 21 from the high-voltage side control device 22 by
Regelung der Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 auf 120 V gehalten. Liegt Control of the boost-buck converter 8 held at 120 volts. Lies
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 For example, a high-voltage side DC voltage 21 of 200 V, this is reduced by the Hochsetz-Tiefsetz-Steller 8 in a mean DC voltage 31 of 120 V, which then from the resonant converter to the
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. low-voltage DC 41 of 12 V is implemented. If the high-voltage-side DC voltage 21 moves away from this amount due to fluctuations, the boost-set-step controllers 8 are correspondingly readjusted by the high-voltage side control device 22, so that the low-voltage side DC voltage continues to be 12 V.
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. A significant advantage of this embodiment is that the power of the resonant converter is distributed to the buck converters 8 connected in parallel becomes. 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.
Alternativ zu dem Resonanzwandler kann auch ein anderer Alternatively to the resonant converter can also another
Gleichspannungswandlertyp mit Potenzialtrennung verwendet werden, beispielsweise ein Gegentaktflusswandler. Gleichspannungswandlertyp be used with potential separation, for example, a push-pull flow converter.
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 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
Gleichspannungswandlers 1 möglich, den Wirkungsgrad des DC-DC converter 1 possible, the efficiency of
Gleichspannungswandlers 1 weiter zu verbessern, indem nur die Anzahl Hochsetz-Tiefsetz-Steller eingeschaltet wird, welche den optimalen DC converter 1 further by only the number Hochsetz-buck converter is turned on, which is the optimal
Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers für die gegebene Ausgangsleistung liefert. Die restlichen Hochsetz-Tiefsetz-Steller bleiben dabei ausgeschaltet. Efficiency of the DC-DC converter for the given output power delivers. The remaining Hochsetz-Tiefsetz-Steller remain switched off.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fig. 4 shows a schematic representation of an exemplary
Gleichspannungswandlers gemäß einer zweiten möglichen Abwandlung der Erfindung. DC-DC converter according to a second possible modification of the invention.
In Fig. 4 umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine hochvoltseitige In Fig. 4, the DC-DC converter 1 comprises a high-voltage side
Schaltungsanordnung 2 und eine niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4. Die niedervoltseitige Schaltungsanordnung 4 enthält einen ersten Circuit arrangement 2 and a low-voltage side circuit arrangement 4. The low-voltage side circuit 4 includes a first
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 5 und einen zweiten potential-separating DC-DC converter 5 and a second
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler 7. Diese sind beide als potential-separating DC-DC converters 7. These are both as
Resonanzwandler (LLC) ausgebildet, der erste potenzialtrennende Resonance converter (LLC) trained, the first potential separating
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 DC converter as 1.2 kW resonant converter, the other than 600 W resonant converter. Furthermore, the DC-DC converter comprises three step-up and step-down controllers 8, each with 600 W. The resonant converter are from a low-voltage side control device 42 with the same in
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 Substantially fixed transmission ratio operated. 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 on this is a high-voltage DC 21 applied. 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
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. DC voltage 41 is implemented. The outputs of the resonance converters are also connected in parallel. The frequency of both resonant converters is chosen so that they work with optimum efficiency. 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.
Zu beachten ist, dass die Eingänge der beiden Resonanzwandler nicht parallel verschaltet sind. Hierdurch lässt sich die Gesamtleistung des It should be noted that the inputs of the two resonant converters are not connected in parallel. This allows the overall performance of the
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 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
Gleichspannungswandlers 1 verbessern. Geregelt wird dies durch die DC-DC converter 1 improve. This is regulated by the
hochvoltseitige Regelvorrichtung 22 und die niedervoltseitige Regelvorrichtung 42. high-voltage side control device 22 and the low-voltage side control device 42nd
Die Verschaltung der Resonanzwandler mit den Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 sowie die hier gewählte Ausführung der Stufen sind beispielhaft zu sehen. The interconnection of the resonant converter with the step-up step-down regulators 8 and the embodiment of the steps selected here are to be seen by way of example.
Gleiches gilt auch für die Leistungen der einzelnen Bauteile. Die The same applies to the performance of the individual components. The
erfindungsgemäße Lösung sieht vielfältige Kombinationen aus einer Anzahl Ni von zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandlern 7 und einer Anzahl N2 von Hochsetz-Tiefsetz-Stellern 8 vor. 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.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Gleichspannungswandler, mit: 1. DC-DC converter, with:
einer hochvoltseitigen Schaltungsanordnung (2), welche dazu ausgelegt ist, eine hochvoltseitig anliegende Gleichspannung (21) in eine mittlere a high-voltage circuit arrangement (2), which is designed to convert a high-voltage DC voltage (21) into a medium one
Gleichspannung (31) umzusetzen, und welche einen ersten Implement direct voltage (31), and which a first
potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) aufweist, der die hochvoltseitige Gleichspannung (21) empfängt und in die mittlere has a potential-isolating DC-DC converter (5), which receives the high-voltage DC voltage (21) and into the middle one
Gleichspannung (31) umsetzt; direct voltage (31);
einer hochvoltseitigen Regelvorrichtung (22), welche dazu ausgebildet ist, den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) mit einem im Wesentlichen fest eingestellten Übertragungsverhältnis zu betreiben; a high-voltage control device (22), which is designed to operate the first potential-isolating DC-DC converter (5) with a substantially fixed transmission ratio;
einer niedervoltseitigen Schaltungsanordnung (4), welche dazu ausgelegt ist, die mittlere Gleichspannung (31) in eine konstante niedervoltseitige a low-voltage circuit arrangement (4), which is designed to convert the average direct voltage (31) into a constant low-voltage side
Gleichspannung (41) umzusetzen, und welche eine Anzahl N2 von parallel geschalteten Tiefsetzstellern (6) aufweist, die die mittlere Gleichspannung (31) empfangen und in die niedervoltseitige Gleichspannung (41) to implement DC voltage (41), and which has a number N 2 of step-down converters (6) connected in parallel, which receive the average DC voltage (31) and convert it into the low-voltage DC voltage (41).
herabsetzen, wobei N2 ä 2 ist; und reduce, where N 2 ä 2; and
einer niedervoltseitigen Regelvorrichtung (42), welche dazu ausgebildet ist, die mittlere Gleichspannung (31) zu erfassen und die Tiefsetzsteller (6) so zu regeln, dass die niedervoltseitige Gleichspannung (41) auf einem konstanten Wert gehalten wird. a low-voltage control device (42), which is designed to detect the average direct voltage (31) and to regulate the step-down converter (6) so that the low-voltage direct voltage (41) is kept at a constant value.
2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, 2. DC-DC converter according to claim 1,
wobei der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler (5) als wherein the first electrically isolating DC-DC converter (5) as
Resonanzwandler ausgebildet ist. Resonance converter is designed.
3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, 3. DC-DC converter according to claim 1,
wobei der erste potenzialtrennende Gleichspannungswandler (5) als wherein the first electrically isolating DC-DC converter (5) as
Gegentaktflusswandler ausgebildet ist. Push-pull flux converter is designed.
4. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. DC-DC converter according to one of claims 1 to 3,
wobei die Tiefsetzsteller where the buck converter
(6) individuell anschaltbar und ausschaltbar sind. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, (6) can be switched on and off individually. DC-DC converter according to one of claims 1 to 4,
wobei die hochvoltseitige Schaltungsanordnung (2) eine Anzahl Ni zweiter potenzialtrennender Gleichspannungswandler (7) umfasst, deren Eingänge jeweils parallel zu dem Eingang des ersten potenzialtrennenden wherein the high-voltage circuit arrangement (2) comprises a number of second electrically isolating DC-DC converters (7), whose inputs are each parallel to the input of the first electrically isolating
Gleichspannungswandlers (5) geschaltet sind, um die hochvoltseitige Gleichspannung (21) zu empfangen und in die mittlere Gleichspannung (31) umzusetzen, wobei Ni > 1 ist und die hochvoltseitige Regelvorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die zweiten potenzialtrennenden DC-DC converter (5) are connected to receive the high-voltage DC voltage (21) and convert it into the average DC voltage (31), where Ni > 1 and the high-voltage control device (22) is designed to control the second electrically isolating
Gleichspannungswandler (7) mit demselben Übertragungsverhältnis wie den ersten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (5) zu betreiben. Operate the DC-DC converter (7) with the same transmission ratio as the first electrically-isolating DC-DC converter (5).
Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, DC-DC converter according to claim 5,
wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) als Resonanzwandler ausgebildet sind. wherein the second potential-isolating DC-DC converters (7) are designed as resonance converters.
7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, 7. DC-DC converter according to claim 5,
wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) als Gegentaktflusswandler ausgebildet sind. wherein the second potential-isolating DC-DC converters (7) are designed as push-pull flux converters.
8. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, 8. DC-DC converter according to one of claims 5 to 7,
wobei die zweiten potenzialtrennenden Gleichspannungswandler (7) individuell anschaltbar und ausschaltbar sind. wherein the second potential-isolating DC-DC converters (7) can be switched on and off individually.
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