In vielen Bereichen der Technik ist es notwendig, eine zur Verfügung stehende Gleichspannung zu wandeln, um damit angeschlossene Verbraucher zu betreiben. Eine derartige Wandlung einer zur Verfügung stehenden sogenannten Eingangsspannung Ue kann beispielsweise mittels eines Gleichstromwandlers erfolgen, wobei der Gleichstromwandler eine Ausgangsspannung Ua für die angeschlossenen Verbraucher erzeugen kann, welche kleiner oder größer als die Eingangsspannung Ue ist. Anwendung finden derartige Gleichstromwandler beispielsweise in Maschinen oder Anlagen in der Industrie, in einer Vielzahl elektronischer Geräte und im Fahrzeugbau. Beispielsweise in sogenannten Schaltnetzteilen, welche häufig in Computern, Nootbooks, Mobiltelefonen, HiFi-Geräten und kleinen Motoren eingesetzt werden, sind derartige Gleichstromwandler üblich.

Die Vorteile derartiger Wandler liegen in einem verbesserten Wirkungsgrad sowie in einer verringerten Wärmeentwicklung.

Zur Umformung der elektrischen Energie werden meist sogenannte getaktete Wandler als Gleichstromwandler eingesetzt, die mittels einem Steuersignal, welches den Takt der Umschaltung des im Wandler angeordneten, einzigen Schalters vorgibt, angesteuert werden. Üblicherweise werden in derartigen Wandlern ein oder mehrere passive elektrische Speicher, wie Kapazitäten und/oder Induktivitäten, angeordnet. Das Wirkprinzip bei der Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung ist ein gesteuertes zyklisches Laden und Entladen der passiven elektrischen Speicher.

An der Stelle eines im Gleichstromwandler notwendigen Schalters kommen beispielsweise aktive, elektrische Halbleiterschalter wie ein BJT (Bipolar Junction Transistor), ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect- Transistor) oder ein IGBT (Insulated-Gate Bipolar-Transistor) zum Einsatz.

Durch das zyklische Laden und Entladen der passiven elektrischen Speicher, wie Kapazitäten und/oder Induktivitäten, ergibt sich ein dreieckförmiger Strombzw. Spannungsverlauf am Eingang und/oder am Ausgang des Leistungsstellers. Dieser Effekt wird auch als Ripple bezeichnet und stellt einen Wechselstrom mit einer beliebigen Frequenz und Kurvenform dar, welcher einem Gleichstrom überlagert ist. Verwendet wird auch der Begriff eines pulsierenden Gleichstroms.

Diese auftretenden hochfrequenten Ripple erzeugen Oberschwingungen, welche Störungen in weiteren angeschlossenen elektronischen Baugruppen verursachen. Um diese elektromagnetischen Störfelder zu beschränken, wird im Allgemeinen versucht, die Ripple durch größere oder zusätzlich eingesetzte Bauelemente zu bedämpfen. Derartige Ansätze finden sich in„A ^' Zero ^' Ripple Technique Applicable To Any DC Converter" David C. Hamill, Surrey Space Centre, University of Surrey, Guildford, UK, d.hamill@surrey.ac.uk und in Ripple Steering AC-DC Converters to Minimize Input Filter Eric CHOU, Frank CHEN, Claudio Adragna, Bruce LU.

Weiterhin existieren Ideen, die Ripple durch aktive zusätzliche Quellen zu reduzieren, wie in Techniques for Input Ripple Current Cancellation: Classification and Implementation, N. K. Poon, J.C.P. Liu, C.K. Tse and M. H. Pong dargestellt. Alternativ sind auch Modifikationen mit gekoppelten Induktivitäten aus AN3180, Application note, A 200 W ripple-free input current PFC pre-regulator with thel_6563S, ©2010 STMicroelectronics bekannt, um die Störungen zu minimieren. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gleichstromwandler anzugeben, welcher einfach und preiswert herstellbar ist und dessen, einem Gleichstrom überlagerter, Wechselstromanteil in einer Ausgangsspannung (Rippel) vermindert ist. Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 , 2 oder 3 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 4 bis 5 angegeben.

Vorgesehen ist es, den Gleichstromwandler derart auszuführen, dass in einem Längszweig mindestens eine Induktivität und eine Kapazität angeordnet sind. In einem ausgangsseitigen Querzweig ist eine weitere Kapazität angeordnet. In einer zu diesem ausgangsseitigen Querzweig angeordneten Parallelschaltung werden in einer ersten Variante zwei Schalter angeordnet, wobei ein Mittelabgriff zwischen diesen beiden Schaltern mit einem ersten Anschluss einer weiteren Induktivität verbunden ist. Der zweite Anschluss dieser Induktivität ist mit einem Punkt zwischen der im Längszweig angeordneten Induktivität und dem Kondensator verbunden.

In einer alternativen Ausführung des Gleichstromwandlers ist es vorgesehen, statt der beiden Schalter im weiteren Querzweig eine Induktivität und einen Schalter anzuordnen. Bei dieser Reihenschaltung kann die Position der beiden Bauelemente auch vertauscht werden. Der sich zwischen den beiden Bauelementen befindliche Punkt ist mit einem Anschluss eines ersten Schalters verbunden, dessen zweiter Anschluss mit einem Punkt zwischen der im Längszweig angeordneten Induktivität und dem Kondensator verbunden ist.

Vorteilhaft ist es, für die Schalter im Gleichstromwandler aktive Halbleiterschalter einzusetzen.

Diese aktiven Halbleiterschalter können beispielsweise ein BJT, ein MOSFET oder ein IGBT sein. Eine Beschränkung auf diese aufgezählten Halbleiterschalter ist nicht gegeben.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen:

Fig. 1 : einen Gleichstromwandler aus dem Stand der Technik (SEPIC- Wandler),

Fig. 2: eine erste Realisierung des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers, Fig. 3: eine zweite Realisierung des erfindungsgemäßen

Gleichstromwandlers,

Fig. 4: eine dritte Realisierung des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers, Fig. 5: eine Anwendung des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers in einer

Wechselstrombrücke und

Fig. 6: eine grafische Darstellung ermittelter Ripple im Vergleich zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung.

In der Figur 1 ist ein Gleichstromwandler 1 aus dem Stand der Technik dargestellt. Der gezeigte Gleichstromwandler 1 ist ein sogenannter SEPIC- Wandler (SEPIC - Single Ended Primary Inductance Converter), welcher stellvertretend aus der Menge der nicht galvanisch trennenden Wandler ausgewählt wurde, die mit 4 passiven Speichern, also beispielsweise zwei Kapazitäten und zwei Induktivitäten, aufgebaut werden. Dieser Gleichstromwandler hat die Eigenschaft, dass er sich derart betreiben lässt, dass die Ausgangsspannung kleiner oder größer als die Eingangsspannung sein kann. Der Gleichstromwandler 1 hat einen Eingang 2, an welchen eine Eingangsspannung Ue angelegt werden kann, und einen Ausgang 3, an welchem eine Ausgangsspannung Ua vom Gleichstromwandler 1 gewandelt, bereitgestellt wird. Der Gleichstromwandler 1 kann eine Ausgangsspannung Ua bereitstellen, welche größer oder kleiner als die Eingangsspannung Ue sein kann.

Der Gleichstromwandler 1 weist in einem Längszweig eine erste Induktivität 4, eine erste Kapazität 5 sowie eine Diode 6 auf. In einem ausgangsseitigen Querzweig ist eine zweite Kapazität 8 parallel zu einem am Ausgang 3 angeschlossenen Lastwiderstand, welcher in der Figur 2 nicht dargestellt ist, angeordnet. In einem weiteren Querzweig, zwischen der ersten Kapazität 5 und der Diode 6, ist eine zweite Induktivität 7 angeordnet. Zwischen der ersten Induktivität 4 und der ersten Kapazität 5 ist ebenfalls in einem dritten Querzweig ein erster Schalter 9 angeordnet.

Wird bei dem in der Figur 1 dargestellten Gleichstromwandler 1 der Schalter 9 geschlossen, so liegt an der ersten Induktivität 4 die Eingangsspannung an. Gleichzeitig liegt an der ersten Kapazität 5 eine Spannung an, welche von ihrem Wert der Eingangsspannung am Eingang 2 entspricht. Der durch die erste und die zweite Induktivität 4 und 7 fließende Strom steigt an, wobei Energie in den Induktivitäten 4 und 7 gespeichert wird.

Zu diesem Zeitpunkt liefert die ausgangsseitig angeordnete zweite Kapazität 8 den Ausgangsstrom für eine angeschlossene Last oder einen Verbraucher, da die Diode 6 gesperrt ist. Wird der Schalter 9 geöffnet, kehrt sich die Polarität der Spannungen an der ersten und der zweiten Induktivität 4 und 7 um. Die Diode 6 schaltet durch und leitet die gespeicherte Energie zur zweiten Kapazität 8 und somit auch zur angeschlossenen Last.

In der Figur 2 ist eine erste Realisierung des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers 1 gezeigt. Der Gleichstromwandler 1 weist in seinem Längszweig, zwischen seinem Eingang 2 und seinem Ausgang 3, mindestens eine erste Induktivität 4 und eine erste Kapazität 5 auf. In einem ausgangsseitigen Querzweig ist eine zweite Kapazität 8 angeordnet, welche parallel zu einer nicht dargestellten Last am Ausgang 3 geschaltet ist.

Ebenfalls parallel zum Ausgang 3 und der zweiten Kapazität 8 sind ein erster Schalter 9 und ein zweiter Schalter 10 in Reihe geschaltet angeordnet. Eine zweite Induktivität 7 ist zwischen der ersten Induktivität 4 und der ersten Kapazität 5 und einem Anschluss zwischen den in Reihe geschalteten Schaltern 9 und 10 angeordnet.

Vorzugsweise sind die Schalter 9 und 10 als aktive Halbleiterschalter ausgeführt. Zum Einsatz kommen beispielsweise BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) oder andere.

Vorgesehen ist es, die Schalter mittels eines von einer zentralen Steuerung, welche in der Figur 2 nicht dargestellt ist, erzeugten Steuersignals anzusteuern. Die zentrale Steuerung stellt die Steuersignale für die mechanischen oder elektronischen Schalter 9 und 10 derart bereit, dass die Schalter 9 und 10 wechselseitig angesteuert werden. Somit ist der Schalter 9 geschlossen, wenn der Schalter 10 geöffnet ist und umgekehrt.

In der in der Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Richtung des Stromflusses abhängig von einem gewählten Tastverhältnis der Ansteuersignale der Schalter 9 und 10 sowie von den am Eingang 2 und am Ausgang 3 anliegenden Spannungen Ue und Ua.

Die Schalter 9 und 10 können mit dem Verfahren der Zustandsraummittlung sowie einer speziellen Form des Zero-Voltage-Switching, bei dem der Schwingkreis parallel zum Schalter liegt und aktiv von einem zusätzlichen Schaltimpuls zum Schwingen angeregt wird, angesteuert werden. Der Gleichstromwandler 1 in der Figur 2 kann aus einer am Eingang 2 anliegenden Eingangsspannung Ue eine größere am Ausgang 3 ausgegebene Ausgangsspannung Ua erzeugen. Bei einem derartigen Gleichstromwandler 1 ergibt sich der erfindungsgemäß verminderte Ripple, also ein verringerter pulsierender Gleichstrom, am Eingang 2. Der Eingang kann mit dem Ausgang getauscht und dadurch die Funktionsweise umgekehrt werden. Wird am Ausgang 3 eine Eingangsspannung Ue angelegt und der Gleichstromwandler 1 entsprechend angesteuert, so wird am Eingang 2 eine Ausgangsspannung Ua ausgegeben, welche beispielsweise kleiner als Ue ist.

Für den Fall, dass die Funktionsweise des Gleichstromwandlers umgedreht wird, ergibt sich der verminderte Rippel nicht mehr eingangsseitig des Wandlers sondern ausgangsseitig.

In der Figur 3 ist eine zweite Realisierung des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers 1 dargestellt. Der Gleichstromwandler 1 weist in seinem Längszweig, zwischen seinem Eingang 2 und seinem Ausgang 3, mindestens eine erste Induktivität 4 und eine erste Kapazität 5 auf. In einem ausgangsseitigen Querzweig ist eine zweite Kapazität 8 angeordnet, welche parallel zu einer nicht dargestellten Last am Ausgang 3 geschaltet ist.

Ebenfalls parallel zum Ausgang 3 und der zweiten Kapazität 8 sind eine zweite Induktivität 7 und ein zweiter Schalter 10 in Reihe geschaltet angeordnet. Ein erster Schalter 9 ist zwischen der ersten Induktivität 4 und der ersten Kapazität 5 und einem Anschluss zwischen der zweiten Induktivität 7 und dem ersten Schalter 9 angeordnet.

In der Figur 4 ist eine dritte Realisierung des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers 1 dargestellt. Der Gleichstromwandler 1 weist in seinem Längszweig, zwischen seinem Eingang 2 und seinem Ausgang 3, mindestens eine erste Induktivität 4 und eine erste Kapazität 5 auf. In einem ausgangsseitigen Querzweig ist eine zweite Kapazität 8 angeordnet, welche parallel zu einer nicht dargestellten Last am Ausgang 3 geschaltet ist. Ebenfalls parallel zum Ausgang 3 und der zweiten Kapazität 8 sind ein zweiter Schalter 10 und eine zweite Induktivität 7 in Reihe geschaltet angeordnet. Ein zweiter Schalter 9 ist zwischen der ersten Induktivität 4 und der ersten Kapazität 5 und einem Anschluss zwischen den in Reihe geschalteten Elementen Schalter 10 und zweite Induktivität 7 angeordnet.

Bei dem in der Figur 4 gezeigten Gleichstromwandler 1 kehrt sich die Polarität der Spannung am Ausgang 3 um.

Die Schalter 9 und 10 können mit dem Verfahren der Zustandsraummittlung sowie einer speziellen Form des Zero-Voltage-Switching, bei dem der Schwingkreis parallel zum Schalter liegt und aktiv von einem zusätzlichen Schaltimpuls zum Schwingen angeregt wird, angesteuert werden.

Für den Fall, dass an der Stelle der Schalter 9 und/oder 10 ein aktiver Halbleiterschalter, wie beispielsweise eine IGBT oder ein MOSFET, zum Einsatz kommen, bilden diese Schalter 9 und/oder 10 in einem Zustand, in welchem der Schalter 9 und/oder 10 nicht durchgesteuert ist oder sind, eine Diode. Diese Diode ermöglicht einen gerichteten Stromfluss. Im Fall eines Durchsteuerns eines oder beider Schalter 9 und/oder 10 weisen die Halbleiterschalter einen sehr niedrigen Übergangswiderstand auf und ermöglichen einen Stromfluss in eine beliebige Richtung.

In der Figur 5 ist eine Anwendung des Gleichstromwandlers 1 in einer Wechselstrombrücke gezeigt. Zur Erzeugung einer beispielsweise für einen Verbraucher, wie einen Motor, benötigten, sinusförmigen Wechselspannung, werden zwei Gleichstromwandler 1 genutzt. Eine Spannungsquelle wird mit den Eingängen beider Gleichstromwandler 1 eingangsseitig verbunden. Mittels entsprechender Steuersignale für die Schalter 9 und 10 in den Gleichstromwandlern 1 erzeugt der obere in der Figur 5 dargestellte Gleichstromwandler 1 eine positive Halbwelle. Dies ist in der Figur 5 in einem kleinen Diagramm mit einem Strom-Zeit-Verlauf für den Strom 11 dargestellt. Die negative Halbwelle wird mittels des unteren Gleichstromwandlers 1 erzeugt. Der zugehörige Verlauf des Stromes 12 ist ebenfalls in einem kleinen Diagramm dargestellt.

Bei einer Gegenüberstellung eines erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers 1 nach der Figur 2 im Vergleich mit einem aus dem Stand der Technik bekannten SEP IC-Wandler wurde nachgewiesen, dass der störende Rippel stark reduziert werden konnte. Wie in der Figur 6 auszugsweise dargestellt ist, ergaben die Vergleichsmessungen, dass der SEP IC-Wandler, dargestellt im oberen Bereich des Strom-Zeit-Verlaufs, Rippelströme im Bereich von etwa 4 A aufwies, während der erfindungsgemäße Wandler, dargestellt im unteren Bereich des Strom-Zeit-Verlaufs, mit seinem Rippeistrom im Bereich von etwa 4 mA lag. Somit konnte der Rippel mittels der Erfindung stark minimiert werden.

Die Erfindung kann in vielen Bereichen der Umformung von elektrischer Energie eingesetzt werden, wie beispielsweise bei der

- uni- oder bidirektionalen Gleichstromwandlung,

- Erweiterung der Gleichstrom variante zur Wechselstrom brücke,

- Impedanzspektroskopie von Energiequellen (Rippelarm),

- Ansteuerung von Elektromotoren oder der

- Batterieladung in Batteriemanagementsystemen.

Eine beispielhafte Anwendung der Erfindung bei der Impedanzspektroskopie soll nachfolgend beschrieben werden.

Die charakteristische Impedanz einer elektrochemischen Energiequelle, wie einem Akkumulator oder einer Brennstoffzelle, gibt Aufschluss über die inneren Zustände der Quelle. Um die Impedanz zu messen, wird die Quelle entweder mit einem gezielten Störstrom beaufschlagt und die Spannungsantwort gemessen, oder mit einer Störspannung überlagert, wobei die Reaktion des Stromes erfasst wird. In beiden Fällen ist diesem gezielten Störsignal der Ripplestrom, bzw. eine Ripplespannung überlagert. Durch die dargestellte Erfindung kann die Beeinflussung durch den Ripplestrom erheblich reduziert werden, sodass eine wesentlich verbesserte, kaum von Störungen verfälschte Impedanzmessung möglich wird. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers liegt in einer Reduzierung der Ripple ohne einen Einsatz von zusätzlichen, größeren oder andersartigen Bauelementen in der Gleichstromwandlerschaltung. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die im Gleichstromwandler eingesetzten Bauelemente keinen speziellen Dimensionierungsvorschriften unterliegen.

Bezugszeichenliste

1 Gleichstromwandler

2 Eingang

3 Ausgang

4 erste Induktivität

5 erste Kapazität, Kondensator

6 Diode

7 zweite Induktivität

8 zweite Kapazität, Kondensator

9 erster Schalter

10 zweiter Schalter