DC/DC-Wandler mit Vollbrückenansteuerung Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler mit Vollbrückenansteuerung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Der DC/DC- Wandler ist aufgebaut und wird angesteuert nach dem Phase- Shift-Prinzip oder nach dem LLC-Prinzip.

Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit höheren Schaltfrequenzen von mehr als 16 kHz und Zwischenkreisspannungen oberhalb von 600 V können bisher nicht einfach realisiert werden, da MOSFETS im benötigten Spannungsbereich nicht zur Verfügung standen. Eine Reihenschaltung der leistungselektronischen Schalter wie IGBTs und MOSFETs zur Erhöhung der sperrbaren Spannung scheitert daran, dass die Schalter nicht exakt gleichzeitig geschaltet werden können und dadurch die Sperr ^¬ spannung des einzelnen Schalters beim Abschalten doch überschritten wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler für eine Zwischenkreisspannung von mehr als 600 V, insbesondere mehr als 1000 V, anzugeben. Diese Aufgabe wird durch einen resonanten DC/DC-Wandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Der DC/DC-Wandler mit Vollbrückenansteuerung umfasst eine erste und eine zweite Halbbrücke, die parallel geschaltet sind, weiterhin einen Transformator, dessen Primärseite zwischen die Mittelpunkte der Halbbrücken geschaltet ist und einen Gleichrichter in Verbindung mit der Sekundärseite des Transformators . Erfindungsgemäß weisen bei dem DC/DC-Wandler ferner die Halb ^¬ brücken jeweils eine Serienschaltung aus einer vor und einer nach ihrem Mittelpunkt geschalteten Schalteranordnung aus jeweils wenigstens zwei leistungselektronischen Schaltern auf. Weiterhin ist bei beiden Halbbrücken jeweils eine erste Kondensatorschaltung parallel zu einer ersten der Schalteranordnungen und eine zweite Kondensatorschaltung parallel zu einer zweiten der Schalteranordnungen geschaltet. Die Kondensator- Schaltungen umfassen jeweils wenigstens einen Kondensator. Schließlich sind die leistungselektronischen Schalter IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistor) , vorzugsweise mit inte ^¬ grierten Freilaufdioden, oder MOSFETs (Metalloxid-Semicon- ductor-Feldeffekttransistor) .

Der DC/DC-Wandler ist ausgestaltet, eine Ansteuerung der leistungselektronischen Schalter nach dem Phase-Shift-Prinzip oder aber nach dem LLC-Prinzip vorzunehmen. Der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler nutzt also in seinen Halb ^¬ brücken je zwei in Serie geschaltete leistungselektronische Schalter, um die mögliche Zwischenkreisspannung zu erhöhen. Der normalerweise zerstörerische Anstieg der Spannung über dem Schalter, der bei einem Abschaltvorgang später reagiert, wird durch parallel geschaltete Kondensatoren verzögert, wo ^¬ bei die Kondensatoren separate Bauelemente sind, d.h. zusätz ^¬ lich zu einer parasitären Kapazität der leistungselektronischen Schalter vorliegen. Dadurch findet auch die Abschaltung des späteren Schalters rechtzeitig statt, d.h. während die anliegende Spannung noch nicht seine maximale Sperrspannung überschritten hat.

Auf diese Weise können DC/DC-Wandler mit Zwischenkreisspan- nungen oberhalb von 600 V, insbesondere oberhalb von 1000 V aufgebaut werden, wobei einzelne leistungselektronische

Schalter mit Sperrspannungen von weniger als 1000 V verwendet werden. Diese DC/DC-Wandler erlauben auch die Verwendung hoher Schaltfrequenzen von mehr als 16 kHz, beispielsweise mehr als 50 kHz, insbesondere wenigstens 100 kHz.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

- Wenigstens eine der Kondensatorschaltungen kann einen weiteren Kondensator in Serie zum Kondensator umfassen. Dabei sind in der Kondensatorschaltung die beiden Potentialpunkte elektrisch verbunden, die zwischen dem weiteren Kondensator und dem Kondensator sowie zwischen den leistungselektronischen Schaltern der zur Kondensatorschaltung parallelen Schalteranordnung gebildet sind. Mit anderen Worten sind die beiden Kondensatoren in Reihe geschaltet und gleichzei ^¬ tig einzeln einem jeweiligen leistungselektronischen Schal- ter parallel geschaltet.

- Die Schalteranordnungen können jeweils wenigstens drei leistungselektronische Schalter umfassen. In weiteren Ausgestaltungen können die Schalteranordnungen auch je vier oder fünf leistungselektronische Schalter umfassen. Dadurch werden noch höhere Eingangsspannungen des DC/DC-Wandlers ermöglicht .

- Auch bei mehr als zwei Schaltern pro Schalteranordnung kann wenigstens eine der Kondensatorschaltungen für jeden leistungselektronischen Schalter der ihr zugeordneten Schalteranordnung einen Kondensator aufweisen, wobei die Kondensatoren in Reihe geschaltet sind und jeder der Kondensatoren mit einem jeweiligen leistungselektronischen Schalter pa- rallel geschaltet ist.

- Die erste und/oder zweite Kondensatorschaltung kann für eine oder beide Halbbrücken einen weiteren Kondensator in Serie zum Kondensator umfassen, wobei bei Kondensator- Schaltungen mit einem weiteren Kondensator die beiden Potentialpunkte elektrisch verbunden sind, die zwischen den Kondensatoren sowie zwischen den leistungselektronischen Schaltern der zur Kondensatorschaltung parallelen Schalter- anordnung gebildet sind. Mit anderen Worten ist für jeden Schalter ein eigener Kondensator vorhanden. Die einzelnen Kondensatoren sind dadurch wesentlich kleiner, wobei auch bei einer Verdoppelung der Anzahl der Kondensatoren der insgesamt benötigte Bauraum sinkt.

- Die leistungselektronischen Schalter können solche mit einer maximalen Sperrspannung von weniger als 1000 V sein. So wird ein DC/DC-Wandler geschaffen, der für eine Zwi- schenkreisspannung von beispielsweise mehr als 1000 V aus ^¬ gelegt ist, aber nur leistungselektronische Schalter mit einer maximalen Sperrspannung von beispielsweise 650 V verwendet . - Die leistungselektronischen Schalter können vom selben Typ sein. Mit anderen Worten werden nur MOSFETs oder nur IGBTs im DC/DC-Wandler verwendet.

- Die Kondensatoren weisen bevorzugt Kapazitäten zwischen

100 pF und 2000 pF auf.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausfüh ^¬ rungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figu ^¬ ren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen

Figur 1 ein Prinzipschaltbild für einen ersten DC/DC-Wandler mit Kondensatoren für beide Halbbrücken, Figur 2 eine Halbbrücke eines zweiten DC/DC-Wandlers mit Kon ^¬ densatoren für jeden Schalter.

Figur 1 zeigt einen ersten DC/DC-Wandler 10, der weitgehend nach Art eines resonanten DC/DC-Wandlers mit einer Vollbrü- ckensteuerung aufgebaut ist. In Verbindung zu zwei Eingangs ^¬ anschlüssen 17 sind zwei Halbbrücken 11, 12 parallel geschaltet. Zwischen die Mittelpunkte der beiden Halbbrücken 11, 12 ist die Primärseite eines Transformators 13 sowie in Serie zur Primärseite eine Resonanzdrossel 18 und ein Reihenkonden ^¬ sator 20161357719 zur Übernahme eines Gleichanteils geschal ^¬ tet. Dessen Sekundärseite wiederum ist in Mittelpunktschal ^¬ tung über einen Gleichrichter 14, hier als zwei Dioden reali- siert mit Ausgangsanschlüssen 16 verbunden. Zwischen Gleichrichter 14 und Ausgangsanschlüsse 16 ist ein Filterelement 15 zur Glättung der Ausgangsspannung mit serieller Induktivität und paralleler Kapazität geschaltet. Der in Figur 1 gezeigte Wandler ist nach Art DC/DC-Wandlers aufgebaut, der nach dem Phase-Shift-Prinzip angesteuert und betrieben wird. Dabei kann in einer Variante der Reihenkondensator 19 auch entfallen. Soll der Wandler nach dem LLC- Prinzip betrieben werden, dann entfällt typischerweise die Induktivität im Filterelement 15, während der Reihenkondensa ^¬ tor 19 als Resonanzkondensator verwendet wird.

Die erste Halbbrücke 11 weist zwei seriell geschaltete Schal ^¬ teranordnungen IIA, IIB auf, zwischen denen der Mittelpunkt der Halbbrücke liegt. Im Unterschied zu bekannten DC/DC-

Wandlern umfasst jede der Schalteranordnungen IIA, IIB wenigstens zwei, bevorzugt genau zwei leistungselektronische Schalter 111...114, die in Serie geschaltet sind. Im vorliegen ^¬ den Beispiel handelt es sich um MOSFETs. In alternativen Aus- gestaltungen kann es sich aber auch um IGBTs handeln. Bevorzugt wird dabei für den gesamten DC/DC-Wandler 10 derselbe Typ von Schalter verwendet.

Die zweite Halbbrücke 12 weist ebenfalls zwei seriell ge- schaltete Schalteranordnungen 12A, 12B auf, zwischen denen der Mittelpunkt der Halbbrücke und somit der Anschluss des Transformators 13 liegt. Im Unterschied zu bekannten DC/DC- Wandlern umfasst jede der Schalteranordnungen 12A, 12B wenigstens zwei, bevorzugt genau zwei leistungselektronische Schalter 121...124, die in Serie geschaltet sind. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich auch hier um MOSFETs. In alter ^¬ nativen Ausgestaltungen kann es sich aber auch um IGBTs handeln . Die zweite Halbbrücke 12 umfasst ferner parallel zur ersten Schalteranordnung 12A einen ersten Kondensator 1210. Parallel zur zweiten Schalteranordnung 12B ist ein zweiter Kondensator 1211 geschaltet. Der erste und zweite Kondensator sind bei ^¬ spielsweise keramische oder Folien-Kondensatoren mit einer Kapazität von beispielsweise 100 pF, wobei in anderen Ausge ^¬ staltungen auch Kapazitäten von 500 pF, 100 pF oder andere Kapazitäten zwischen 50 pF und 2 nF gewählt werden können.

Die Schaltungsanordnungen IIA, IIB der ersten Halbbrücke 11 weisen einen parallel geschalteten dritten und vierten Kondensator 1110, 1111 auf. Der dritte und vierte Kondensator sind in diesem Beispiel gleichartig wie der erste und zweite Kondensator gestaltet.

Im laufenden Betrieb sorgen die Kondensatoren 1210, 1211 dafür, dass die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs bei der Abschaltung einer der Schaltungsanordnungen begrenzt wird. Unterschiede in der genauen Zeit der Abschaltung der beiden Schalter 121...124 einer der Schalteranordnungen 12A, 12B sind unvermeidbar. Sie würden ohne die Kondensatoren 1210, 1211 aber dazu führen, dass einer der Schalter 121...124 für kurze Zeit die gesamte Zwischenkreisspannung sperren müsste, was zur Beschädigung des Schalters 121...124 führen würde. Der durch die Kondensatoren 1210, 1211 verzögerte Spannungsanstieg gibt den Schaltern 121...124 aber genug Zeit, um abzuschalten und die zu sperrende Spannung auf beide Schalter 121...124 aufzuteilen.

Figur 1 zeigt zusätzlich zu den Schaltern 121...124 auch die darin enthaltenen unvermeidlichen parasitären Kapazitäten 125...128. Dadurch soll verdeutlicht werden, dass es sich bei den Kondensatoren 1210, 1211 um zugefügte Bauelemente han- delt, die nicht gleich den parasitären Kapazitäten 125...128 sind. Die Kapazität der Kondensatoren 1210, 1211 ist im Be ^¬ reich der parasitären Kapazitäten 125...128 oder größer, wo- durch der Spannungsanstieg stärker verzögert wird als nur allein durch die parasitären Kapazitäten 125...128.

Im ersten Ausführungsbeispiel weist der DC/DC-Wandler 10 also zwei gleichartig aufgebaute Halbbrücken 11, 12 auf. Eine nicht in Figur 1 dargestellte Steuereinrichtung steuert die Schalter 111...115, 121...125 an, um einen Betrieb der Schaltung als DC/DC-Wandler zu ermöglichen. Dazu werden die Schaltanordnungen für den resonanten oder quasi-resonanten Betrieb entweder nach Phase-Shift-Art oder nach Art eines LLC-Wand- lers angesteuert. Beim Phase-Shift-Prinzip werden die An- und Abschaltzeiten der diagonal liegenden Schaltungsanordnungen gegeneinander zeitlich versetzt, wodurch ein quasi-resonanter Betrieb ermöglicht wird. Hierbei wird die Umladezeit berück- sichtigt, die sich durch die vorhandenen Kapazitäten und

Induktivitäten beim Abschalten einer Schaltungsanordnung IIA, IIB, 12A, 12B ergibt. Bei den Umladezeiten sind nun die zugefügten Kondensatoren 1121, 1221, 1122, 1222 bei der Auslegung der Ansteuerung der Schalter 111...114, 121...124 zu berücksich- tigen. Die Steuereinrichtung ist daher bevorzugt ausgestaltet, für die Ansteuerung der Schalter 111...114, 121...124 eine Totzeit zu verwenden, die an die Resonanzdrossel und Last ^¬ strom angepasst ist, die sich durch die Verwendung der Kondensatoren 1121, 1221, 1122, 1222 gegenüber einem DC/DC- Wandler ohne diese Kondensatoren und mit je einem Schalter pro Schalteranordnung ergibt.

In einer alternativen Ausgestaltung, die vor allem beim Phase-Shift-Prinzip sinnvoll ist, weisen der dritte und vierte Kondensator 1110, 1111 eine kleinere Kapazität auf als der erste und zweite Kondensator. Bei einer Abschaltung einer der Schalteranordnungen 12A, 12B der zweiten Halbbrücke 12 findet die Entladung des jeweiligen ersten oder zweiten Kondensators 1210, 1211 unter Mitverwendung der Energie der Glättungsdros- sei im Filterelement 15 statt. Bei der Entladung des dritten oder vierten Kondensators 1110, 1111 hingegen wird nur die Energie der Resonanzdrossel 18 verwendet, wodurch in der gleichen Zeit eine weniger große Ladungsmenge transportiert werden kann. Somit passt eine kleinere Kapazität besser zu einem quasiresonanten Betrieb mit fest vorgegebener Schaltfrequenz und Totzeit. Figur 2 zeigt eine Halbbrücke 11, 12 für einen DC/DC-Wandler nach einem dritten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Für die bessere Übersicht zeigt Figur 2 nur die Halbbrücke 11, 12, die in dem ansonsten unveränderten DC/DC-Wandler gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung eingesetzt werden kann. Dabei können eine oder beide Halbbrü ^¬ cken 11, 12 des DC/DC-Wandlers entsprechend der Figur 2 ge ^¬ staltet werden.

Die in Figur 2 gezeigten Anschlüsse 30 dienen der Einbindung in den Zwischenkreis, also der Eingangsspannung des DC/DC- Wandlers 10, 20. Der weitere Anschluss 31 dient der Verbin ^¬ dung mit der Primärseite des Transformators 13. Die Anschlüs ^¬ se 30, 31 sind typischerweise nur symbolisch und müssen im aufgebauten DC/DC-Wandler 10, 20 keine reale Entsprechung ha- ben.

In der Halbbrücke gemäß Figur 2 ist der erste bzw. dritte Kondensator 1110, 1210 durch eine Serienschaltung aus zwei Kondensatoren 1121, 1221, 1122, 1222 ersetzt. Zusätzlich be- steht eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Poten ^¬ tialpunkt zwischen diesen Kondensatoren 1121, 1221, 1122, 1222 und dem Potentialpunkt zwischen den Schaltern 111, 121, 112, 122 der ersten Schaltungsanordnung IIA, 12A der betroffenen Halbbrücke 11, 12.

Gleichermaßen ist in der Halbbrücke gemäß Figur 2 der zweite bzw. vierte Kondensator 1111, 1211 durch eine Serienschaltung aus zwei Kondensatoren 1123, 1223, 1124, 1224 ersetzt. Zu ^¬ sätzlich besteht eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Potentialpunkt zwischen diesen Kondensatoren 1123, 1223, 1124, 1224 und dem Potentialpunkt zwischen den Schaltern 113, 123, 114, 124 der ersten Schaltungsanordnung IIB, 12B der betroffenen Halbbrücke 11, 12.