WO2024114985A1 - Isolated cuk dc-to-dc converter as pfc and/or serial input and serial output converter - Google Patents

Isolated cuk dc-to-dc converter as pfc and/or serial input and serial output converter Download PDF

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WO2024114985A1
WO2024114985A1 PCT/EP2023/077671 EP2023077671W WO2024114985A1 WO 2024114985 A1 WO2024114985 A1 WO 2024114985A1 EP 2023077671 W EP2023077671 W EP 2023077671W WO 2024114985 A1 WO2024114985 A1 WO 2024114985A1
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converter
terminal
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input
transformer
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PCT/EP2023/077671
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Inventor
Johann W. Kolar
Jannik Robin SCHAEFER
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H02M3/33523—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters with galvanic isolation between input and output of both the power stage and the feedback loop

Definitions

  • the present invention relates to a DC-DC converter, in particular a DC-DC converter with a galvanic isolation between input and output.
  • the present invention further relates to a DC-DC converter arrangement with several such DC-DC converters and a charging circuit for an electric vehicle with one or more such DC-DC converters.
  • the present invention is described below in connection with a DC-DC converter for charging the traction battery in an electric vehicle, the present invention is not limited to such an application. Rather, the principle according to the invention can be applied to any DC-DC converter with a galvanic isolation between input and output and the circuit topology used here.
  • DC-DC converters especially DC-DC converters with galvanic isolation between input and output
  • Modern DC-DC converters can transmit high electrical power in a very small installation space.
  • DC-DC converters can be used in charging circuits for electric vehicles.
  • a single-phase or multi-phase alternating voltage provided by a power supply network can first be rectified, and then the DC voltage can be converted into another DC-DC voltage using a DC-DC converter. converted into direct current, the voltage level of which is suitable for charging a connected traction battery of an electric vehicle.
  • the publication DE 10 2011 077 716 A1 describes, for example, a charging device for charging an electrical energy storage device, in which an alternating voltage provided by an alternating voltage source is first rectified and then converted by means of a direct voltage converter circuit into a further direct voltage that can be provided to an electrical energy storage device.
  • the present invention provides a DC-DC converter, a DC-DC converter arrangement and a charging circuit for an electric vehicle with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.
  • a DC-DC converter having an input terminal and an output terminal.
  • the DC-DC converter further comprises a transformer, a first inductor, a second inductor, a first capacitor, a second capacitor, a semiconductor switching element, a diode and a transformer.
  • the input terminal comprises a positive terminal and a negative terminal.
  • the positive terminal of the input terminal is designed to be connected to a positive terminal of a DC voltage source.
  • the negative terminal of the input terminal is designed to be connected to a negative terminal of a DC voltage source.
  • the output terminal comprises a positive terminal and a negative terminal.
  • the transformer comprises a primary side with a first terminal and a second terminal and a secondary side with a first terminal and a second terminal. The first terminal of the primary side is connected to the negative terminal of the input terminal.
  • the first terminal of the secondary side is connected to the positive terminal of the output terminal.
  • the first inductance is arranged between the positive terminal of the input terminal and a first node.
  • the first capacitor is arranged between the first node and the second terminal of the primary side of the transformer.
  • the semiconductor switching element is arranged between the first node and the negative terminal of the input terminal.
  • the second capacitor is arranged between the second terminal of the secondary side of the transformer and a second node.
  • the second inductance is arranged between the second node and the negative terminal of the output terminal.
  • the diode is arranged between the second node and the positive terminal of the output terminal.
  • a DC-DC converter arrangement with several DC-DC converters according to the invention.
  • the input connections and the output connections of the several DC-DC converters are each coupled in series with one another.
  • the series connection of the input connections is designed to be connected to the DC voltage source.
  • An electrical DC voltage with a predetermined voltage level can be provided between the outer connection points of the series connection of the output connections.
  • a charging circuit for an electric vehicle with at least one DC-DC converter according to the invention.
  • the input connection of the DC-DC converter is designed to be connected to an electrical energy source.
  • the output connection of the DC-DC converter is designed to provide electrical energy to a traction battery of the electric vehicle.
  • the charging circuit for the electric vehicle comprises several DC-DC converters, the input connections of the individual DC-DC converters can be connected in series. coupled to one another, whereby an input DC voltage can be provided at this series connection of the input terminals.
  • the output terminals of the multiple DC-DC converters can also be coupled to one another in series.
  • the traction battery of the electric vehicle can be coupled to this series connection of the output terminals.
  • the present invention is based on the finding that transformers, such as those used in DC-DC converters with galvanic isolation between input and output, have a parasitic coupling capacitance between the primary side and the secondary side.
  • a parasitic coupling capacitance can assume significantly large values, particularly in transformers with so-called foil windings.
  • the transformer has a relatively low impedance for high-frequency signals, such as high-frequency common-mode noise between the primary side and the secondary side.
  • the invention provides for deviating from this approach and leaving the inductance and capacitor in the positive path on one side only, while on the other side the inductance and capacitor are provided in the path between the transformer and the negative connection.
  • the inductance and capacitor can be left between the positive connection point and the connection of the transformer, while on the output side the inductance and capacitor are between the negative connection point of the output connection and the Connection of the transformer.
  • Such an inventive modification of the circuit arrangement for a DC-DC converter makes it possible to efficiently counteract high-frequency common-mode interference and, in the best case, to compensate for it almost completely. This makes it possible to avoid excessive voltage increases. This reduces the risk of errors due to overvoltage. Furthermore, the individual components of the DC-DC converter can be designed for a lower maximum expected overvoltage, which also reduces costs and/or allows the DC-DC converter to be used for higher voltage levels.
  • the transformer has a transformation ratio of 1:1 or at least approximately 1:1.
  • Transformers with such a transformation ratio of 1:1 offer a very good compromise between minimal electrical losses, small installation space and low stray inductance.
  • such a transformation ratio of 1:1 enables very good compensation of common-mode interference by the circuit structure according to the invention.
  • the transformer comprises foil windings.
  • Transformers with foil windings or foil winding transformers are very well suited for use in such DC-DC converters.
  • significant parasitic coupling capacitances occur here precisely because of the foil windings, which can lead to low impedances for high-frequency common-mode interference.
  • the circuit arrangement according to the invention can efficiently can be minimized or even compensated so that such transformers with foil winding can be used without major problems.
  • the DC-DC converter comprises a control device.
  • the control device is designed to periodically open and close the semiconductor switching element on the primary side of the transformer at a predetermined clock frequency.
  • the predetermined clock frequency can be set using a predetermined target voltage for the DC voltage at the output terminal of the DC-DC converter.
  • the diode between the second node and the positive connection point of the output connection is designed as a body diode of a further semiconductor switching element or as an external diode parallel to the further semiconductor switching element.
  • the semiconductor switching element can also be actively controlled in a suitable manner to further reduce the electrical losses.
  • the rectifier comprises a rectifier circuit.
  • the rectifier circuit is designed to rectify an alternating electrical voltage provided on the input side. Furthermore, the rectifier circuit is designed to provide the rectified electrical voltage between the positive connection point and the negative connection point of the input connection of the DC-DC converter. In this way, a single-phase or multi-phase electrical voltage provided at the rectifier circuit can be converted into a direct voltage of the desired voltage level.
  • the rectifier circuit comprises a power factor correction circuit (PFC).
  • PFC power factor correction circuit
  • the power factor at the input of the rectifier circuit can be adjusted.
  • impairments to the AC voltage network at the input connection of the rectifier circuit can be adjusted or minimized.
  • Fig. 1 a basic circuit diagram of a DC-DC converter according to an embodiment
  • Fig. 2 a basic circuit diagram of a DC-DC converter with a rectifier circuit according to an embodiment
  • Fig. 3 a basic circuit diagram of a DC-DC converter arrangement according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a DC-DC converter 1 according to an embodiment.
  • the DC-DC converter 1 comprises an input terminal 10, at which a DC voltage can be provided on the input side.
  • the DC-DC converter 1 comprises a negative connection point 11 and a positive connection point 12.
  • the negative connection point 11 can be connected to a corresponding negative connection of a DC voltage source, and the positive connection point 12 can be connected to a corresponding positive terminal of the DC voltage source.
  • the DC-DC converter 1 On the output side, the DC-DC converter 1 comprises an output connection 20 with a negative connection point 21 and a positive connection point 22.
  • the two connection points 21 and 22 of the output connection 20 can be connected to a load, for example.
  • a traction battery of an electric vehicle can be charged using the DC voltage provided at the output connection 20.
  • any other application for using the DC voltage provided at the output connection 20 is of course also possible.
  • the DC-DC converter 1 further comprises a transformer T.
  • the input connection 10 and the output connection 20 can be galvanically isolated from one another.
  • the transformer T comprises a primary side and a secondary side.
  • a first connection of the primary side of the transformer T is electrically connected to the negative connection point 11 of the input connection 10.
  • a series circuit comprising a first inductance L1 and a first capacitor C1 is arranged between the positive connection point 12 and the second connection of the secondary side of the transformer T.
  • the inductance L1 can be provided between the second connection point 12 of the input connection 10 and a first node K1.
  • the first capacitor C1 is arranged between this first node K1 and the second connection of the primary side of the transformer T.
  • a switching element in particular a semiconductor switching element M1 is provided between the first node K1 and the first connection point 11 of the input connection 10.
  • This semiconductor switching element M1 can be opened and closed periodically at a predetermined frequency during operation of the DC-DC converter 1.
  • a corresponding control signal can be provided to the semiconductor switching element M1, for example by a control device.
  • a series circuit comprising a second capacitor C2 and a second inductance L2 is arranged between the first connection of the secondary winding of the transformer T and the negative, first connection point 21 of the output connection 20.
  • the second capacitor C2 can be provided between the first connection of the secondary side of the transformer T and a second node K2, and the second inductance L2 between the second node K2 and the first connection point 21 of the output connection 20.
  • the second connection of the secondary side of the transformer T can be directly electrically connected to the positive, second connection point 22 of the output connection 20.
  • a diode D is provided between the second node point K2 and the second connection point 22 of the output connection 20.
  • This diode D can be, for example, an internal body diode of a further semiconductor switching element M2.
  • an external diode can also be provided, if necessary, in parallel with the further semiconductor switching element M2.
  • the DC-DC converter 1 thus comprises a series circuit comprising the first inductance L1 and the first capacitor C1 between the second, positive connection point 12 of the input connection 10 and a connection on the primary side of the transformer T. Furthermore, the series circuit comprising the second inductance L2 and the second capacitor C2 is not provided on the positive side between the secondary winding of the transformer T and the positive output connection point 22, as is usual in conventional DC-DC converters of this type, but rather between the first, negative connection point 21 of the output connection 20 and the corresponding first connection on the secondary side of the transformer T.
  • the transformer T can, for example, be a transformer with a transformation ratio of 1:1 or at least approximately 1:1. In addition, however, transformers with a different transformation ratio are also possible.
  • the transformer T can be a transformer with so-called foil winding.
  • Such transformers with foil winding have numerous advantageous properties, but usually have a relatively high parasitic stray capacitance.
  • the capacitive properties of such transformers with foil winding are roughly comparable to film capacitors. Due to the high parasitic capacitive properties, relatively low impedances with regard to high-frequency common-mode interference can occur. This can be effectively reduced or eliminated by the inventive structure described above.
  • FIG. 2 shows a basic circuit diagram of a DC-DC converter 1 with an upstream rectifier circuit 2.
  • the structure of the DC-DC converter 1 corresponds to the circuit concept already described in connection with Figure 1.
  • An alternating voltage can be provided at an alternating voltage input of the rectifier circuit 2.
  • rectifier circuits for rectifying multi-phase alternating voltages are also possible in principle.
  • An alternating voltage input of the rectifier circuit 2 can, for example, be coupled to a single-phase or multi-phase alternating voltage network 3.
  • a circuit 21 for correcting a power factor can be provided between the alternating voltage input and a passive or, if appropriate, active rectifier arrangement 20.
  • such a circuit can have two capacitors Ca and Cb, as shown in Figure 2. and two inductors La and Lb. In principle, however, any other suitable power correction circuits are also possible.
  • the electrical voltage rectified by the rectifier circuit 20 can then be provided at the input terminal 10 of the rectifier 1.
  • FIG 3 shows a basic circuit diagram of a DC-DC converter arrangement 100 according to an embodiment.
  • the DC-DC converter arrangement 100 can comprise several DC-DC converters 1, as previously described in connection with Figure 1.
  • the input connections 10 of the individual rectifier circuits 1 are connected in series.
  • a negative, first input connection point 11 of a DC-DC converter 1 is connected to a positive, second connection point 12 of an adjacent
  • the two outer negative, first and positive, second connection points 11, 12 can be connected to a DC voltage source or a rectifier circuit 2.
  • the output connections 20 of the individual rectifiers 1 are also connected in series.
  • a first, negative output connection point 21 is connected to a positive, second connection point 22 of an adjacent DC-DC converter 1.
  • a desired DC output voltage can be provided between the two outer first, negative and second, positive connection points 21, 22.
  • DC-DC converter arrangement 100 can also be used for converting high electrical DC voltages, wherein the individual DC-DC converters 1 each only have to be designed for a relatively low maximum electrical voltage.
  • the present invention relates to a DC-DC converter for the galvanically isolated conversion of an input DC voltage into an output DC voltage.
  • a circuit concept is provided which is suitable for transmitting to effectively prevent high-frequency common-mode interference from an input terminal to an output terminal.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The invention relates to a DC-to-DC converter for galvanically isolated conversion of a DC input voltage into a DC output voltage. The circuit design according to the invention is suitable to effectively avoid the transfer of high-frequency common-mode interferences of an input terminal to an output terminal.

Description

Beschreibung Description
Titel Title
ISOLIERTER CUK DC/DC WANDLER ALS PFC UND/ODER SERIENEINGANGSUND SERIENAUSGANS-WANDLER ISOLATED CUK DC/DC CONVERTER AS PFC AND/OR SERIES INPUT AND SERIES OUTPUT CONVERTER
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen Gleichspannungswandler mit einer galvanischen Trennung zwischen Eingang und Ausgang. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Gleichspannungswandleranordnung mit mehreren solchen Gleichspannungswandlern sowie eine Ladeschaltung für ein Elektrofahrzeug mit einem oder mehreren solchen Gleichspannungswandlern. The present invention relates to a DC-DC converter, in particular a DC-DC converter with a galvanic isolation between input and output. The present invention further relates to a DC-DC converter arrangement with several such DC-DC converters and a charging circuit for an electric vehicle with one or more such DC-DC converters.
Stand der Technik State of the art
Obwohl die vorliegende Erfindung nachfolgend in Zusammenhang mit einem Gleichspannungswandler für das Aufladen der Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen solchen Anwendungsfall beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Prinzip auf beliebige Gleichspannungswandler mit einer galvanischen Trennung zwischen Eingang und Ausgang und der hierbei verwendeten Schaltungstopologie angewendet werden. Although the present invention is described below in connection with a DC-DC converter for charging the traction battery in an electric vehicle, the present invention is not limited to such an application. Rather, the principle according to the invention can be applied to any DC-DC converter with a galvanic isolation between input and output and the circuit topology used here.
Gleichspannungswandler, insbesondere Gleichspannungswandler mit einer galvanischen Trennung zwischen Eingang und Ausgang finden in zahlreichen Anwendungsgebieten Einsatz. Moderne Gleichspannungswandler können dabei bereits auf sehr geringem Bauraum hohe elektrische Leistungen übertragen. Beispielsweise können solche Gleichspannungswandler in Ladeschaltungen für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Dabei kann beispielsweise eine von einem Energieversorgungsnetz bereitgestellte ein- oder mehrphasige Wechselspannung zunächst gleichgerichtet werden, und anschließend kann die Gleichspannung mittels eines Gleichspannungswandlers in eine weitere Gleichspannung konvertiert werden, deren Spannungshöhe dazu geeignet ist, eine angeschlossene Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs aufzuladen. DC-DC converters, especially DC-DC converters with galvanic isolation between input and output, are used in numerous applications. Modern DC-DC converters can transmit high electrical power in a very small installation space. For example, such DC-DC converters can be used in charging circuits for electric vehicles. For example, a single-phase or multi-phase alternating voltage provided by a power supply network can first be rectified, and then the DC voltage can be converted into another DC-DC voltage using a DC-DC converter. converted into direct current, the voltage level of which is suitable for charging a connected traction battery of an electric vehicle.
Die Druckschrift DE 10 2011 077 716 A1 beschreibt beispielsweise eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, bei welchem eine von einer Wechselspannungsquelle bereitgestellte Wechselspannung zunächst gleichgerichtet und anschließend mittels einer Gleichspannungswandlerschaltung in eine weitere Gleichspannung konvertiert wird, die an einem elektrischen Energiespeicher bereitgestellt werden kann. The publication DE 10 2011 077 716 A1 describes, for example, a charging device for charging an electrical energy storage device, in which an alternating voltage provided by an alternating voltage source is first rectified and then converted by means of a direct voltage converter circuit into a further direct voltage that can be provided to an electrical energy storage device.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler, eine Gleichspannungswandleranordnung sowie eine Ladeschaltung für ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. The present invention provides a DC-DC converter, a DC-DC converter arrangement and a charging circuit for an electric vehicle with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.
Demgemäß ist vorgesehen: Accordingly, it is envisaged:
Ein Gleichspannungswandler mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss. Der Gleichspannungswandler umfasst ferner einen Transformator, eine erste Induktivität, eine zweite Induktivität, einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, ein Halbleiterschaltelement, eine Diode und einen Transformator. Der Eingangsanschluss umfasst einen positiven Anschlusspunkt und einen negativen Anschlusspunkt. Der positive Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses ist dazu ausgelegt, mit einem positiven Anschluss einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Der negative Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses ist dazu ausgelegt, mit einem negativen Anschluss einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Der Ausganganschluss umfasst einen positiven Anschlusspunkt und einen negativen Anschlusspunkt. Der Transformator umfasst eine Primärseite mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss sowie eine Sekundärseite mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss. Der erste Anschluss der Primärseite ist mit dem negativen Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses elektrisch verbunden. Der erste Anschluss der Sekundärseite ist mit dem positiven Anschlusspunkt des Ausgangsanschlusses verbunden. Die erste Induktivität ist zwischen dem positiven Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses und einem ersten Knotenpunkt angeordnet. Der erste Kondensator ist zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Anschluss der Primärseite des Transformators angeordnet. Das Halbleiterschaltelement ist zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem negativen Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses angeordnet. Der zweite Kondensator, ist zwischen dem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet. Die zweite Induktivität ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem negativen Anschlusspunkt des Ausgangsanschlusses angeordnet. Die Diode ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem positiven Anschlusspunkt des Ausgangsanschlusses angeordnet. A DC-DC converter having an input terminal and an output terminal. The DC-DC converter further comprises a transformer, a first inductor, a second inductor, a first capacitor, a second capacitor, a semiconductor switching element, a diode and a transformer. The input terminal comprises a positive terminal and a negative terminal. The positive terminal of the input terminal is designed to be connected to a positive terminal of a DC voltage source. The negative terminal of the input terminal is designed to be connected to a negative terminal of a DC voltage source. The output terminal comprises a positive terminal and a negative terminal. The transformer comprises a primary side with a first terminal and a second terminal and a secondary side with a first terminal and a second terminal. The first terminal of the primary side is connected to the negative terminal of the input terminal. electrically connected. The first terminal of the secondary side is connected to the positive terminal of the output terminal. The first inductance is arranged between the positive terminal of the input terminal and a first node. The first capacitor is arranged between the first node and the second terminal of the primary side of the transformer. The semiconductor switching element is arranged between the first node and the negative terminal of the input terminal. The second capacitor is arranged between the second terminal of the secondary side of the transformer and a second node. The second inductance is arranged between the second node and the negative terminal of the output terminal. The diode is arranged between the second node and the positive terminal of the output terminal.
Weiterhin ist vorgesehen: Furthermore, it is planned:
Eine Gleichspannungswandleranordnung mit mehreren erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlern. Hierbei sind die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse der mehreren Gleichspannungswandler jeweils in Serie miteinander gekoppelt. Insbesondere ist die Serienschaltung der Eingangsanschlüsse dazu ausgelegt, mit der Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Zwischen den äußeren Anschlusspunkten der Serienschaltung der Ausgangsanschlüsse kann hierbei eine elektrische Gleichspannung mit einer vorbestimmten Spannungshöhe bereitgestellt werden. A DC-DC converter arrangement with several DC-DC converters according to the invention. The input connections and the output connections of the several DC-DC converters are each coupled in series with one another. In particular, the series connection of the input connections is designed to be connected to the DC voltage source. An electrical DC voltage with a predetermined voltage level can be provided between the outer connection points of the series connection of the output connections.
Schließlich ist vorgesehen: Finally, it is planned:
Eine Ladeschaltung für ein Elektrofahrzeug mit mindestens einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Hierbei ist der Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers dazu ausgelegt, mit einer elektrischen Energiequelle verbunden zu werden. Ferner ist der Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers dazu ausgelegt, elektrische Energie an einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs bereitzustellen. Umfasst die Ladeschaltung für das Elektrofahrzeug mehrere Gleichspannungswandler, so können die Eingangsanschlüsse der einzelnen Gleichspannungswandler in Serie miteinander gekoppelt werden, wobei eine Eingangsgleichspannung an dieser Serienschaltung der Eingangsanschlüsse bereitgestellt werden kann. Ferner können in diesem Fall auch die Ausgangsanschlüsse der mehreren Gleichspannungswandler in Serie miteinander gekoppelt werden. Dabei kann die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs mit dieser Serienschaltung der Ausgangsanschlüsse gekoppelt werden. A charging circuit for an electric vehicle with at least one DC-DC converter according to the invention. The input connection of the DC-DC converter is designed to be connected to an electrical energy source. Furthermore, the output connection of the DC-DC converter is designed to provide electrical energy to a traction battery of the electric vehicle. If the charging circuit for the electric vehicle comprises several DC-DC converters, the input connections of the individual DC-DC converters can be connected in series. coupled to one another, whereby an input DC voltage can be provided at this series connection of the input terminals. Furthermore, in this case the output terminals of the multiple DC-DC converters can also be coupled to one another in series. The traction battery of the electric vehicle can be coupled to this series connection of the output terminals.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Transformatoren, wie sie in Gleichspannungswandlern mit einer galvanischen Trennung zwischen Eingang und Ausgang verwendet werden, eine parasitäre Koppelkapazität zwischen Primärseite und Sekundärseite aufweisen. Eine solche parasitäre Koppelkapazität kann insbesondere bei Transformatoren mit sogenannten Folienwickel signifikant große Werte annehmen. Hierdurch weist der Transformator für hochfrequente Signale, wie beispielsweise ein hochfrequentes Gleichtaktrauschen zwischen Primärseite und Sekundärseite, eine relativ geringe Impedanz auf. The present invention is based on the finding that transformers, such as those used in DC-DC converters with galvanic isolation between input and output, have a parasitic coupling capacitance between the primary side and the secondary side. Such a parasitic coupling capacitance can assume significantly large values, particularly in transformers with so-called foil windings. As a result, the transformer has a relatively low impedance for high-frequency signals, such as high-frequency common-mode noise between the primary side and the secondary side.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Schaltungstopologie für einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher ein verbessertes Verhalten bezüglich elektromagnetischer Störungen, insbesondere hochfrequenter Gleichtaktstörungen aufweist. It is therefore an idea of the present invention to take this finding into account and to create a circuit topology for a DC-DC converter which has an improved behavior with regard to electromagnetic interference, in particular high-frequency common-mode interference.
Während bei konventionellen Gleichspannungswandleranordnungen in der Regel Induktivität und Kondensator in dem elektrischen Strompfad zwischen positivem Eingangs- bzw. Ausgangsanschluss und dem Transformator angeordnet sind, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, von diesem Ansatz abzuweichen und lediglich auf einer Seite die Induktivität und den Kondensator im positiven Pfad zu belassen, während auf der anderen Seite Induktivität und Kondensator im Pfad zwischen Transformator und negativem Anschluss vorgesehen sind. Somit kann beispielsweise auf der Eingangsseite die Induktivität und der Kondensator zwischen dem positiven Anschlusspunkt und dem Anschluss des Transformators belassen werden, während auf der Ausgangsseite Induktivität und Kondensator zwischen dem negativen Anschlusspunkt des Ausgangsanschlusses und dem Anschluss des Transformators vorgesehen sind. Grundsätzlich ist auch eine alternative Variante denkbar, bei welcher auf der Primärseite Induktivität und Kondensator zwischen dem negativen Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses und dem Anschluss auf der Primärseite des Transformators vorgesehen sind, während auf der Sekundärseite Induktivität und Kondensator zwischen dem Anschluss des Transformators und dem positiven Anschlusspunkt des Ausgangsanschlusses vorgesehen sind. While in conventional DC-DC converter arrangements the inductance and capacitor are usually arranged in the electrical current path between the positive input or output connection and the transformer, the invention provides for deviating from this approach and leaving the inductance and capacitor in the positive path on one side only, while on the other side the inductance and capacitor are provided in the path between the transformer and the negative connection. Thus, for example, on the input side the inductance and capacitor can be left between the positive connection point and the connection of the transformer, while on the output side the inductance and capacitor are between the negative connection point of the output connection and the Connection of the transformer. In principle, an alternative variant is also conceivable in which on the primary side inductance and capacitor are provided between the negative connection point of the input connection and the connection on the primary side of the transformer, while on the secondary side inductance and capacitor are provided between the connection of the transformer and the positive connection point of the output connection.
Durch eine solche erfindungsgemäße Abwandlung der Schaltungsanordnung für einen Gleichspannungswandler ist es möglich, hochfrequenten Gleichtaktstörungen effizient entgegenzuwirken, und diese im besten Fall nahezu vollständig zu kompensieren. Hierdurch können übermäßige Spannungserhöhungen vermieden werden. Somit sinkt die Gefahr von Fehlern durch Überspannung. Ferner können die einzelnen Komponenten des Gleichspannungswandlers auf eine geringere maximal zu erwartende Überspannung ausgelegt werden, wodurch sich beispielsweise auch die Kosten reduzieren und/oder der Gleichspannungswandler auch für höhere Spannungsniveaus eingesetzt werden kann. Such an inventive modification of the circuit arrangement for a DC-DC converter makes it possible to efficiently counteract high-frequency common-mode interference and, in the best case, to compensate for it almost completely. This makes it possible to avoid excessive voltage increases. This reduces the risk of errors due to overvoltage. Furthermore, the individual components of the DC-DC converter can be designed for a lower maximum expected overvoltage, which also reduces costs and/or allows the DC-DC converter to be used for higher voltage levels.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Transformator ein Übersetzungsverhältnis von 1 :1 oder zumindest annähernd 1 :1 auf. Transformatoren mit einem solchen Übersetzungsverhältnis von 1 :1 bieten einerseits einen sehr guten Kompromiss zwischen minimalen elektrischen Verlusten, geringem Bauraumvolumen und geringer Streu Induktivität. Darüber hinaus ermöglicht gerade auch ein solches Übersetzungsverhältnis von 1 :1 eine sehr gute Kompensation der Gleichtaktstörungen durch die erfindungsgemäße Schaltungsstru ktu r. According to one embodiment, the transformer has a transformation ratio of 1:1 or at least approximately 1:1. Transformers with such a transformation ratio of 1:1 offer a very good compromise between minimal electrical losses, small installation space and low stray inductance. In addition, such a transformation ratio of 1:1 enables very good compensation of common-mode interference by the circuit structure according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Transformator Folienwickel. Transformatoren mit Folienwickel oder Folienwickeltransformatoren sind sehr gut für den Einsatz in solchen Gleichspannungswandlern geeignet. Hierbei treten jedoch gerade aufgrund der Folienwickel signifikante parasitäre Koppelkapazitäten auf, die zu geringen Impedanzen für hochfrequente Gleichtaktstörungen führen können. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung können diese Gleichtaktstörungen jedoch effizient minimiert oder gar kompensiert werden, sodass derartige Transformatoren mit Folienwickel ohne größere Probleme eingesetzt werden können. According to one embodiment, the transformer comprises foil windings. Transformers with foil windings or foil winding transformers are very well suited for use in such DC-DC converters. However, significant parasitic coupling capacitances occur here precisely because of the foil windings, which can lead to low impedances for high-frequency common-mode interference. However, the circuit arrangement according to the invention can efficiently can be minimized or even compensated so that such transformers with foil winding can be used without major problems.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, das Halbleiterschaltelement auf der Primärseite des Transformators mit einer vorgegebenen Taktfrequenz periodisch zu öffnen und zu schließen. Insbesondere kann die vorgegebene Taktfrequenz hierbei unter Verwendung einer vorgegebenen Sollspannung für die Gleichspannung am Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers eingestellt werden. According to one embodiment, the DC-DC converter comprises a control device. The control device is designed to periodically open and close the semiconductor switching element on the primary side of the transformer at a predetermined clock frequency. In particular, the predetermined clock frequency can be set using a predetermined target voltage for the DC voltage at the output terminal of the DC-DC converter.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Diode zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem positiven Anschlusspunkt des Ausgangsanschlusses als Bodydiode eines weiteren Halbleiterschaltelements oder als externe Diode parallel zu dem weiteren Halbleiterschaltelement ausgebildet. In einem solchen Fall kann gegebenenfalls auch das Halbleiterschaltelement für eine weitere Verringerung der elektrischen Verluste in geeigneter Weise aktiv angesteuert werden. According to one embodiment, the diode between the second node and the positive connection point of the output connection is designed as a body diode of a further semiconductor switching element or as an external diode parallel to the further semiconductor switching element. In such a case, the semiconductor switching element can also be actively controlled in a suitable manner to further reduce the electrical losses.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichrichter eine Gleichrichterschaltung. Die Gleichrichterschaltung ist dazu ausgelegt, eine eingangsseitig bereitgestellte elektrische Wechselspannung gleichzurichten. Ferner ist die Gleichrichterschaltung dazu ausgelegt, die gleichgerichtete elektrische Spannung zwischen dem positiven Anschlusspunkt und dem negativen Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses des Gleichspannungswandlers bereitzustellen. Auf diese Weise kann eine an der Gleichrichterschaltung bereitgestellte ein- oder auch mehrphasige elektrische Spannung in eine Gleichspannung gewünschter Spannungshöhe konvertiert werden. According to one embodiment, the rectifier comprises a rectifier circuit. The rectifier circuit is designed to rectify an alternating electrical voltage provided on the input side. Furthermore, the rectifier circuit is designed to provide the rectified electrical voltage between the positive connection point and the negative connection point of the input connection of the DC-DC converter. In this way, a single-phase or multi-phase electrical voltage provided at the rectifier circuit can be converted into a direct voltage of the desired voltage level.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichrichterschaltung eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (englisch Power Factor Correction, PFC). Auf diese Weise kann der Leistungsfaktor am Eingang der Gleichrichterschaltung angepasst werden. Hierdurch können Beeinträchtigungen auf das Wechselspannungsnetz an dem Eingangsanschluss der Gleichrichterschaltung angepasst bzw. minimiert werden. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen. According to one embodiment, the rectifier circuit comprises a power factor correction circuit (PFC). In this way, the power factor at the input of the rectifier circuit can be adjusted. As a result, impairments to the AC voltage network at the input connection of the rectifier circuit can be adjusted or minimized. The above embodiments and developments can be combined with one another as desired, provided this makes sense. Further embodiments, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Short description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen: Further features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures.
Fig. 1 : ein Prinzipschaltbild, wie es einem Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt; Fig. 1 : a basic circuit diagram of a DC-DC converter according to an embodiment;
Fig. 2: ein Prinzipschaltbild, wie es einem Gleichspannungswandler mit einer Gleichrichterschaltung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt; und Fig. 2: a basic circuit diagram of a DC-DC converter with a rectifier circuit according to an embodiment; and
Fig. 3: ein Prinzipschaltbild, wie es einer Gleichspannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Fig. 3: a basic circuit diagram of a DC-DC converter arrangement according to an embodiment.
Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments
Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild, wie es einem Gleichspannungswandler 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Der Gleichspannungswandler 1 umfasst einen Eingangsanschluss 10, an dem eine Gleichspannung eingangsseitig bereitgestellt werden kann. Der Gleichspannungswandler 1 umfasst dabei einen negativen Anschlusspunkt 11 und einen positiven Anschlusspunkt 12. Der negative Anschlusspunkt 11 kann mit einem korrespondierenden negativen Anschluss einer Gleichspannungsquelle verbunden werden, und der positive Anschlusspunkt 12 kann mit einem korrespondierenden positiven Anschluss der Gleichspannungsquelle verbunden werden. Figure 1 shows a basic circuit diagram of a DC-DC converter 1 according to an embodiment. The DC-DC converter 1 comprises an input terminal 10, at which a DC voltage can be provided on the input side. The DC-DC converter 1 comprises a negative connection point 11 and a positive connection point 12. The negative connection point 11 can be connected to a corresponding negative connection of a DC voltage source, and the positive connection point 12 can be connected to a corresponding positive terminal of the DC voltage source.
Ausgangsseitig umfasst der Gleichspannungswandler 1 einen Ausgangsanschluss 20 mit einem negativen Anschlusspunkt 21 und einem positiven Anschlusspunkt 22. Die beiden Anschlusspunkte 21 und 22 des Ausgangsanschlusses 20 können zum Beispiel mit einer Last verbunden werden. Insbesondere kann zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs über die am Ausgangsanschluss 20 bereitgestellte Gleichspannung aufgeladen werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Anwendungsfälle zur Nutzung der am Ausgangsanschluss 20 bereitgestellten Gleichspannung möglich. On the output side, the DC-DC converter 1 comprises an output connection 20 with a negative connection point 21 and a positive connection point 22. The two connection points 21 and 22 of the output connection 20 can be connected to a load, for example. In particular, a traction battery of an electric vehicle can be charged using the DC voltage provided at the output connection 20. In addition, any other application for using the DC voltage provided at the output connection 20 is of course also possible.
Der Gleichspannungswandler 1 umfasst ferner einen Transformator T. Mittels dieses Transformators T kann der Eingangsanschluss 10 und der Ausgangsanschluss 20 galvanisch voneinander getrennt werden. Der Transformator T umfasst eine Primärseite und eine Sekundärseite. Ein erster Anschluss der Primärseite des Transformators T ist elektrisch mit dem negativen Anschlusspunkt 11 des Eingangsanschlusses 10 verbunden. Zwischen dem positiven Anschlusspunkt 12 und dem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators T ist eine Serienschaltung aus einer ersten Induktivität L1 und einem ersten Kondensator C1 angeordnet. Insbesondere kann zwischen dem zweiten Anschlusspunkt 12 des Eingangsanschlusses 10 und einem ersten Knotenpunkt K1 die Induktivität L1 vorgesehen sein. Ferner ist der erste Kondensator C1 zwischen diesem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Anschluss der Primärseite des Transformators T angeordnet. The DC-DC converter 1 further comprises a transformer T. By means of this transformer T, the input connection 10 and the output connection 20 can be galvanically isolated from one another. The transformer T comprises a primary side and a secondary side. A first connection of the primary side of the transformer T is electrically connected to the negative connection point 11 of the input connection 10. A series circuit comprising a first inductance L1 and a first capacitor C1 is arranged between the positive connection point 12 and the second connection of the secondary side of the transformer T. In particular, the inductance L1 can be provided between the second connection point 12 of the input connection 10 and a first node K1. Furthermore, the first capacitor C1 is arranged between this first node K1 and the second connection of the primary side of the transformer T.
Darüber hinaus ist zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und dem ersten Anschlusspunkt 11 des Eingangsanschlusses 10 ein Schaltelement, insbesondere ein Halbleiterschaltelement M1 vorgesehen. Dieses Halbleiterschaltelement M1 kann während des Betriebs des Gleichspannungswandlers 1 periodisch mit einer vorbestimmten Frequenz geöffnet und geschlossen werden. Hierzu kann zum Beispiel von einer Steuereinrichtung ein entsprechendes Ansteuersignal an dem Halbleiterschaltelement M1 bereitgestellt werden. Auf der Sekundärseite des Transformators T ist zwischen dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Transformators T und dem negativen, ersten Anschlusspunkt 21 des Ausgangsanschlusses 20 eine Serienschaltung aus einem zweiten Kondensator C2 und einer zweiten Induktivität L2 angeordnet Insbesondere kann zwischen dem ersten Anschluss der Sekundärseite des Transformators T und einem zweiten Knotenpunkt K2 der zweite Kondensator C2 vorgesehen sein und zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem ersten Anschlusspunkt 21 des Ausgangsanschlusses 20 die zweite Induktivität L2. Weiterhin kann der zweite Anschluss der Sekundärseite des Transformators T direkt elektrisch mit dem positiven, zweiten Anschlusspunkt 22 des Ausgangsanschlusses 20 verbunden werden. In addition, a switching element, in particular a semiconductor switching element M1, is provided between the first node K1 and the first connection point 11 of the input connection 10. This semiconductor switching element M1 can be opened and closed periodically at a predetermined frequency during operation of the DC-DC converter 1. For this purpose, a corresponding control signal can be provided to the semiconductor switching element M1, for example by a control device. On the secondary side of the transformer T, a series circuit comprising a second capacitor C2 and a second inductance L2 is arranged between the first connection of the secondary winding of the transformer T and the negative, first connection point 21 of the output connection 20. In particular, the second capacitor C2 can be provided between the first connection of the secondary side of the transformer T and a second node K2, and the second inductance L2 between the second node K2 and the first connection point 21 of the output connection 20. Furthermore, the second connection of the secondary side of the transformer T can be directly electrically connected to the positive, second connection point 22 of the output connection 20.
Ferner ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und dem zweiten Anschlusspunkt 22 des Ausgangsanschlusses 20 eine Diode D vorgesehen. Bei dieser Diode D kann es sich zum Beispiel um eine interne Bodydiode eines weiteren Halbleiterschaltelements M2 handeln. Alternativ kann auch eine externe Diode gegebenenfalls parallel zu dem weiteren Halbleiterschaltelement M2 vorgesehen sein. Furthermore, a diode D is provided between the second node point K2 and the second connection point 22 of the output connection 20. This diode D can be, for example, an internal body diode of a further semiconductor switching element M2. Alternatively, an external diode can also be provided, if necessary, in parallel with the further semiconductor switching element M2.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler 1 umfasst somit zwischen dem zweiten, positiven Anschlusspunkt 12 des Eingangsanschlusses 10 und einem Anschluss der Primärseite des Transformators T eine Serienschaltung aus der ersten Induktivität L1 und dem ersten Kondensator C1. Ferner ist die Serienschaltung aus der zweiten Induktivität L2 und dem zweiten Kondensator C2 nicht wie bei konventionellen Gleichspannungswandlern dieser Bauart üblich ebenfalls auf der positiven Seite zwischen Sekundärwicklung des Transformators T und positivem Ausgangsanschlusspunkt 22 vorgesehen, sondern abweichend hiervon zwischen dem ersten, negativen Anschlusspunkt 21 des Ausgangsanschlusses 20 und dem entsprechenden ersten Anschluss auf der Sekundärseite des Transformators T. The DC-DC converter 1 according to the invention thus comprises a series circuit comprising the first inductance L1 and the first capacitor C1 between the second, positive connection point 12 of the input connection 10 and a connection on the primary side of the transformer T. Furthermore, the series circuit comprising the second inductance L2 and the second capacitor C2 is not provided on the positive side between the secondary winding of the transformer T and the positive output connection point 22, as is usual in conventional DC-DC converters of this type, but rather between the first, negative connection point 21 of the output connection 20 and the corresponding first connection on the secondary side of the transformer T.
Auf diese Weise kann eine wirksame, effiziente Minimierung oder gegebenenfalls nahezu vollständige Unterdrückung der Übertragung von Gleichtaktstörungen von der Eingangsseite zu der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers 1 erzielt werden. In this way, an effective, efficient minimization or, if necessary, almost complete suppression of the transmission of common mode interference from the input side to the output side of the DC-DC converter 1.
Bei dem Transformator T kann es sich beispielsweise um einen Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 :1 oder zumindest annähernd 1 :1 handeln. Darüber hinaus sind jedoch grundsätzlich auch Transformatoren mit einem hiervon abweichenden Übersetzungsverhältnis möglich. The transformer T can, for example, be a transformer with a transformation ratio of 1:1 or at least approximately 1:1. In addition, however, transformers with a different transformation ratio are also possible.
Insbesondere kann es sich bei dem Transformator T um einen Transformator mit sogenannten Folienwickel handeln. Derartige Transformatoren mit Folienwickel weisen zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften auf, haben jedoch in der Regel eine relativ hohe parasitäre Streukapazität. Insbesondere sind die kapazitiven Eigenschaften derartiger Transformatoren mit Folienwickel (englisch Foil Winding Transformers) in etwa vergleichbar mit Folienkondensatoren. Aufgrund der hohen parasitären kapazitiven Eigenschaften kann es dabei zu relativ geringen Impedanzen hinsichtlich hochfrequenter Gleichtaktstörungen kommen. Diese können durch den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau wirksam verringert oder eliminiert werden. In particular, the transformer T can be a transformer with so-called foil winding. Such transformers with foil winding have numerous advantageous properties, but usually have a relatively high parasitic stray capacitance. In particular, the capacitive properties of such transformers with foil winding (English Foil Winding Transformers) are roughly comparable to film capacitors. Due to the high parasitic capacitive properties, relatively low impedances with regard to high-frequency common-mode interference can occur. This can be effectively reduced or eliminated by the inventive structure described above.
Figur 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Gleichspannungswandlers 1 mit einer vorgeschalteten Gleichrichterschaltung 2. Der Aufbau des Gleichspannungswandlers 1 entspricht dabei dem zuvor bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Schaltungskonzept. Figure 2 shows a basic circuit diagram of a DC-DC converter 1 with an upstream rectifier circuit 2. The structure of the DC-DC converter 1 corresponds to the circuit concept already described in connection with Figure 1.
An einem Wechselspannungseingang der Gleichrichterschaltung 2 kann eine elektrische Wechselspannung bereitgestellt werden. Neben der hier dargestellten Ausführungsform zum Gleichrichten einer einphasigen elektrischen Wechselspannung sind jedoch grundsätzlich auch Gleichrichterschaltungen zur Gleichrichtung von mehrphasigen elektrischen Wechselspannungen möglich. Ein Wechselspannungseingang der Gleichrichterschaltung 2 kann beispielsweise mit einem ein- oder mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetz 3 gekoppelt werden. Zwischen dem Wechselspannungseingang und einer passiven oder gegebenenfalls auch aktiven Gleichrichteranordnung 20 kann eine Schaltung 21 zur Korrektur eines Leistungsfaktors vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine solche Schaltung, wie in Figur 2 dargestellt, zwei Kondensatoren Ca und Cb sowie zwei Induktivitäten La und Lb umfassen. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebige andere geeignete Leistungskorrekturschaltungen möglich. An alternating voltage can be provided at an alternating voltage input of the rectifier circuit 2. In addition to the embodiment shown here for rectifying a single-phase alternating voltage, rectifier circuits for rectifying multi-phase alternating voltages are also possible in principle. An alternating voltage input of the rectifier circuit 2 can, for example, be coupled to a single-phase or multi-phase alternating voltage network 3. A circuit 21 for correcting a power factor can be provided between the alternating voltage input and a passive or, if appropriate, active rectifier arrangement 20. For example, such a circuit can have two capacitors Ca and Cb, as shown in Figure 2. and two inductors La and Lb. In principle, however, any other suitable power correction circuits are also possible.
Die von der Gleichrichterschaltung 20 gleichgerichtete elektrische Spannung kann daraufhin am Eingangsanschluss 10 des Gleichrichters 1 bereitgestellt werden. The electrical voltage rectified by the rectifier circuit 20 can then be provided at the input terminal 10 of the rectifier 1.
Figur 3 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Gleichspannungswandleranordnung 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Gleichspannungswandleranordnung 100 kann hierbei mehrere Gleichspannungswandler 1 umfassen, wie sie zuvor bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben worden sind. Die Eingangsanschlüsse 10 der einzelnen Gleichrichterschaltungen 1 sind in Serie miteinander verschaltet. Mit anderen Worten, es ist jeweils ein negativer, erster Eingangsanschlusspunkt 11 eines Gleichspannungswandlers 1 mit einem positiven, zweiten Anschlusspunkt 12 eines benachbartenFigure 3 shows a basic circuit diagram of a DC-DC converter arrangement 100 according to an embodiment. The DC-DC converter arrangement 100 can comprise several DC-DC converters 1, as previously described in connection with Figure 1. The input connections 10 of the individual rectifier circuits 1 are connected in series. In other words, a negative, first input connection point 11 of a DC-DC converter 1 is connected to a positive, second connection point 12 of an adjacent
Gleichspannungswandlers 1 verbunden. Die beiden äußeren negativen, ersten sowie positiven, zweiten Anschlusspunkte 11 , 12 können mit einer Gleichspannungsquelle oder einer Gleichrichterschaltung 2 verbunden sein. DC-DC converter 1. The two outer negative, first and positive, second connection points 11, 12 can be connected to a DC voltage source or a rectifier circuit 2.
Analog sind auch die Ausgangsanschlüsse 20 der einzelnen Gleichrichter 1 in Serie miteinander verbunden. Es ist also jeweils ein erster, negativer Ausgangsanschlusspunkt 21 mit einem positiven, zweiten Anschlusspunkt 22 eines benachbarten Gleichspannungswandlers 1 verbunden. Zwischen den beiden äußeren ersten, negativen und zweiten, positiven Anschlusspunkten 21 , 22 kann eine gewünschte Ausgangsgleichspannung bereitgestellt werden. Analogously, the output connections 20 of the individual rectifiers 1 are also connected in series. In each case, a first, negative output connection point 21 is connected to a positive, second connection point 22 of an adjacent DC-DC converter 1. A desired DC output voltage can be provided between the two outer first, negative and second, positive connection points 21, 22.
Auf diese Weise kann eine solche Gleichspannungswandleranordnung 100 auch für die Konvertierung hoher elektrischer Gleichspannungen genutzt werden, wobei die einzelnen Gleichspannungswandler 1 jeweils nur für eine relativ geringe maximale elektrische Spannung ausgelegt sein müssen. In this way, such a DC-DC converter arrangement 100 can also be used for converting high electrical DC voltages, wherein the individual DC-DC converters 1 each only have to be designed for a relatively low maximum electrical voltage.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler zur galvanisch getrennten Konvertierung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung. Hierbei ist ein Schaltungskonzept vorgesehen, welches dazu geeignet ist, eine Übertragung von hochfrequenten Gleichtaktstörungen von einem Eingangsanschluss zu einem Ausgangsanschluss wirksam zu unterbinden. In summary, the present invention relates to a DC-DC converter for the galvanically isolated conversion of an input DC voltage into an output DC voltage. A circuit concept is provided which is suitable for transmitting to effectively prevent high-frequency common-mode interference from an input terminal to an output terminal.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Gleichspannungswandler (1) , mit: einem Eingangsanschluss (10), der dazu ausgelegt ist, an einem positiven Anschlusspunkt (12) mit einem positiven Anschluss einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden und an einem negativen Anschlusspunkt (11) mit einem negativen Anschluss einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden; einem Ausganganschluss (20), mit einem positiven Anschlusspunkt (22) und einem negativen Anschlusspunkt (21); einem Transformator (T), mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei ein erster Anschluss der Primärseite mit dem negativen Anschlusspunkt (11) des Eingangsanschluss (10) elektrisch verbunden ist und ein erster Anschluss der Sekundärseite mit dem positiven Anschlusspunkt (22) des Ausgangsanschlusses (20) verbunden ist; einer ersten Induktivitäten (L1), die zwischen dem positiven Anschlusspunkt (12) des Eingangsanschlusses (10) und einem ersten Knotenpunkt (K1) angeordnet ist; einem ersten Kondensator (C1), der zwischen dem ersten Knotenpunkt (K1) und einem zweiten Anschluss der Primärseite des Transformators (T) angeordnet ist; einem Halbleiterschaltelement (M1), das zwischen dem ersten Knotenpunkt (K1) und dem negativen Anschlusspunkt (11) des Eingangsanschluss (10) angeordnet ist; einem zweiten Kondensator (C2), der zwischen dem zweiten Anschluss der Sekundärseite des Transformators (T) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; einer zweiten Induktivitäten (L2), die zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem negativen Anschlusspunkt (21) des Ausgangsanschluss (20) angeordnet ist; und einer Diode (D), die zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem positiven Anschlusspunkt (22) des Ausgangsanschlusses (20) angeordnet ist. 1. DC-DC converter (1), comprising: an input terminal (10) designed to be connected to a positive terminal of a DC voltage source at a positive connection point (12) and to be connected to a negative terminal of a DC voltage source at a negative connection point (11); an output terminal (20) with a positive connection point (22) and a negative connection point (21); a transformer (T) with a primary side and a secondary side, wherein a first terminal of the primary side is electrically connected to the negative connection point (11) of the input terminal (10) and a first terminal of the secondary side is connected to the positive connection point (22) of the output terminal (20); a first inductance (L1) arranged between the positive connection point (12) of the input terminal (10) and a first node point (K1); a first capacitor (C1) arranged between the first node point (K1) and a second terminal of the primary side of the transformer (T); a semiconductor switching element (M1) arranged between the first node (K1) and the negative terminal (11) of the input terminal (10); a second capacitor (C2) arranged between the second terminal of the secondary side of the transformer (T) and a second node (K2); a second inductance (L2) arranged between the second node (K2) and the negative connection point (21) of the output terminal (20); and a diode (D) arranged between the second node (K2) and the positive connection point (22) of the output terminal (20).
2. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1 , wobei der Transformator (T) ein Übersetzungsverhältnis von 1 :1 aufweist. 2. DC-DC converter (1) according to claim 1, wherein the transformer (T) has a transformation ratio of 1:1.
3. Gleichspannungswandler (1) Anspruch 1 oder 2, wobei der Transformator Folienwickel umfasst. 3. DC-DC converter (1) according to claim 1 or 2, wherein the transformer comprises foil windings.
4. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Steuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, das Halbleiterschaltelement (M1) mit einer vorgegebenen Taktfrequenz periodisch zu öffnen und zu schließen. 4. DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 3, with a control device which is designed to periodically open and close the semiconductor switching element (M1) at a predetermined clock frequency.
5. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Diode (D) als Bodydiode eines weiteren Halbleiterschaltelements (M2) ausgebildet ist. 5. DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the diode (D) is designed as a body diode of a further semiconductor switching element (M2).
6. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Gleichrichterschaltung (2), die dazu ausgelegt ist eine eingangsseitig bereitgestellte elektrische Wechselspannung gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung zwischen dem positiven Anschlusspunkt (12) und dem negativen Anschlusspunkt (11) des Eingangsanschlusses (11) bereitzustellen. 6. DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 5, with a rectifier circuit (2) which is designed to rectify an electrical alternating voltage provided on the input side and to provide the rectified voltage between the positive connection point (12) and the negative connection point (11) of the input connection (11).
7. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 6, wobei der Gleichspannungswandler (20) eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (21) umfasst. 7. DC-DC converter (1) according to claim 6, wherein the DC-DC converter (20) comprises a power factor correction circuit (21).
8. Gleichspannungswandleranordnung (100), mit mehreren Gleichspannungswandlern (1) nach Anspruch 1 bis 5; wobei die Eingangsanschlüsse (10) und die Ausgangsanschlüsse (20) der mehreren Gleichspannungswandler (1) jeweils in einer Serienschaltung miteinander gekoppelt sind, und wobei die Serienschaltung der Eingangsanschlüsse (10) dazu ausgelegt ist, mit einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. 8. DC-DC converter arrangement (100) with several DC-DC converters (1) according to claims 1 to 5; wherein the input terminals (10) and the output terminals (20) of the plurality of DC-DC converters (1) are each coupled to one another in a series circuit, and wherein the series circuit of the input terminals (10) is designed to be connected to a DC voltage source.
9. Ladeschaltung für ein Elektrofahrzeug mit mindestens einem Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Eingangsanschluss (10) des Gleichspannungswandlers (1) dazu ausgelegt ist, mit einer elektrischen Energiequelle verbunden zu werden, und wobei der Ausgangsanschluss (20) des Gleichspannungswandlers (1) dazu ausgelegt ist, elektrische Energie an einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs bereitzustellen. 9. Charging circuit for an electric vehicle with at least one DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 7, wherein the input terminal (10) of the DC-DC converter (1) is designed to be connected to an electrical energy source, and wherein the output terminal (20) of the DC-DC converter (1) is designed to provide electrical energy to a traction battery of the electric vehicle.
PCT/EP2023/077671 2022-11-29 2023-10-06 Isolated cuk dc-to-dc converter as pfc and/or serial input and serial output converter WO2024114985A1 (en)

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