Titel

Vollbrücken - Gleichspa nnungs wandler

Die Erfindung betrifft einen Vollbrücken-Gleichspannungswandler und ein Verfahren zum Betreiben dieses Gleichspannungswandlers. Der vorgestellte Vollbrücken-Gleichspannungswandler wird bspw. in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.

Stand der Technik

Ein Gleichspannungswandler, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet wird, ist eine elektrische Schaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung an ihrem Eingang in eine Gleichspannung zu wandeln, die im Vergleich zu der Gleichspannung am Eingang ein höheres, niedrigeres oder invertiertes Spannungsniveau hat. Solche Gleichspannungswandler werden verstärkt in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Zu bemerken ist, dass in den letzten Jahren vermehrt elektronische Einrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt wurden. Insbesondere hat dabei die Anzahl an Einrichtungen und Bauteilen zur Energieversorgung deutlich zugenommen.

Wenn eine dieser Komponenten fehlerhaft arbeitet oder gar ausfällt, kann die von dem Energieversorgungsnetz bereitgestellte Spannung außerhalb des vorgesehenen Arbeitsbereichs gelangen, was eine Verringerung des Komforts und der Sicherheit der Passagiere mit sich bringt.

Dies hat zur Folge, dass eine möglichst schnelle und frühzeitige Erfassung und Identifizierung dieser Fehler sehr wichtig ist, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser Energieversorgungsnetze zu steigern. Weiterhin wird es immer wichtiger, Bordnetze und damit auch Komponenten von Bordnetzen, wie bspw. Gleichspannungswandler, zu entwickeln, die auch bei Fehlern weiter arbeiten können. Dies wird bspw. durch einen redundanten Aufbau erreicht. Somit können die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Bordnetzes erhöht werden.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Vollbrücken-Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben des Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.

Das vorgestellte Verfahren dient zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers, insbesondere eines Vollbrücken-Gleichspannungswandlers der hierin beschriebenen Art.

Der beschriebene Gleichspannungswandler, der insbesondere als Vollbrücken- Gleichspannungswandler ausgebildet ist, ist zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet.

Um den Nachteil der vorstehend beschriebenen Wandler zu vermeiden, wird eine neue Topologie und deren Betriebsmodus vorgestellt. Bei dieser Topologie kann der Wandler bei Fehlern in diesem oder in dessen Treibern weiterbetrieben werden und muss nicht ausgeschaltet werden, so dass auf diese Weise die Toleranz gegenüber Fehlern verbessert werden kann, darüber hinaus kann die Hälfte der Schalter unter geringer Last ausgeschaltet werden, so dass der Leistungsverlust unter geringer Last verringert wird. Außerdem ermöglicht die vorgestellte Topologie eine Skalierbarkeit, d. h. das Konzept ist auf unterschiedliche Wandler in unterschiedlichen Leistungsbereichen übertragbar, so dass die Kosten für Forschung und Entwicklung reduziert werden können.

Es wird somit eine Topologie vorgestellt, die sowohl fehlertolerant ist als auch einen redundanten Aufbau aufweist. Dabei wird die Effizienz insbesondere unter geringer Last verbessert. Darüber hinaus können weitere Kosten vermieden werden. Der vorgestellte Gleichspannungswandler kann im Fehlerfall betrieben werden, so dass die Fehlertoleranzfähigkeit und die Sicherheit des Wandlers signifikant verbessert werden können. Dies ist selbst dann möglich, wenn 50 % der Leistungskomponenten des Gleichspannungswandlers und/oder 50 % der Treiber des Wandlers fehlerhaft sind. Es werden keine zusätzlichen leistungselektronischen Komponenten benötigt, so dass keine weiteren Kosten verursacht werden. Die Kosten und Komplexität werden im Vergleich zu Wandlern mit derselben Funktion signifikant verringert. Außerdem wird die Effizienz unter geringer Last verbessert. Der vorgestellte Gleichspannungswandler ist skalierbar, so dass Kosten für Forschung und Entwicklung reduziert werden können.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines Vollbrücken-Gleichspannungswandlers nach dem Stand der Technik.

Figur 2 zeigt einen weiteren Vollbrücken-Gleichspannungswandler nach dem Stand der Technik.

Figur 3 zeigt einen weiteren Vollbrücken-Gleichspannungswandler mit einem Vollbrücken-Gleichrichter.

Figur 4 zeigt einen verschachtelten Vollbrücken-Gleichspannungswandler mit einem Vollbrücken-Gleichrichter.

Figur 5 zeigt eine Ausführung des vorgestellten Vollbrücken- Gleichspannungswandlers. Figur 6 zeigt typische Wellenformen bei dem Gleichspannungswandler nach Figur 5 bei einer normalen Phasenverschiebung. Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des beschriebenen Vollbrücken-

Gleichspannungswandlers.

Figur 8 zeigt Signalverläufe eines Steuerverfahrens im Fehlerfall. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Figur 1 zeigt einen Vollbrücken-Gleichspannungswandler nach dem Stand der Technik, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Primärseite 12 und eine Sekundärseite 14, die über einen Transformator 16 miteinander verbunden sind. Die Darstellung zeigt weiterhin einen Schalter Sl 18, einen Schalter S2 20, einen Schalter S3 22, einen Schalter S4 24, eine Kapazität Cli 26, eine Induktivität 28 und eine Kapazität CI2 30. Weiterhin sind ein Schalter S5 32, ein Schalter S6 34, eine Induktivität L 36, eine Kabelinduktivität l_Kabei 40, ein Schalter S7 42, ein Schalter S8 44 und eine Spannungsquelle 46 dargestellt.

Der in Figur 1 gezeigte Vollbrücken-Gleichspannungswandler 10 sieht eine Pha- senverschiebung vor und ist zum Einsatz in einem elektronischen Bordnetz eines

Kraftfahrzeugs eingerichtet. Bei der gezeigten Topologie wird der Schalter S7 42 verwendet, um den Gleichspannungswandler 10 von der Ausgangsseite zu trennen, wenn ein Kurzschluss bei Schalter S5 32 oder Schalter S6 34 auftritt. Der Schalter S8 44 wird für einen Schutz bei einer Verpolung der Batterie verwendet, um einen Kurzschluss zu vermeiden, wenn eine Batterie mit vertauschter Polarität verbunden wird. Aufgrund der hohen Induktivität von langen Kabeln, 4 μΗ bis 8 μΗ, sind beide Schalter S7 42 und S8 44 so ausgewählt, dass diese für einen Lawinendurchbruch geeignet sind, wenn diese bei einem hohen Strom ausgeschaltet werden. Der Kondensator Cl 26, 30 wird verwendet, um einen Gleichgrößen-Offset abzutrennen und um die Sättigung des Transformators 16 zu vermeiden, die durch eine ungleichmäßige Spannung über den Transformator 16 verursacht wird, was durch eine ungleichmäßige Treiberspannung der Schalter Sl 18 bis S4 24 verursacht wird. Dies wiederum wird durch eine Toleranz der Totzeit und durch eine Toleranzdifferenz des Spannungsabfalls über diesen Schaltern bedingt.

Aufgrund eines hohen Wechselstroms durch den Kondensator Cl 26, 30 und eine Wechselspannung über dem Kondensator Cl 26, 30 sollte ein Kondensator oder mehrere parallele Kondensatoren mit großem Volumen verwendet werden, um den Spannungsrippel zu verringern. Dies führt jedoch zu hohen Kosten. Außerdem ist es schwierig, die Lebensdauer des Kondensators zu bestimmen.

Figur 2 zeigt einen weiteren bekannten Vollbrücken-Gleichspannungswandler, der insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Primärseite 112 und eine Sekundärseite 114, die über einen Transformator 116 miteinander verbunden sind. Die Darstellung zeigt weiterhin einen Schalter Sl 118, einen Schalter S2 120, einen Schalter S3 122, einen Schalter S4 124, eine Kapazität bzw. einen Kondensator Cl 126 und eine Induktivität 128. Weiterhin sind ein Schalter S5 132, ein Schalter S6 134, eine Induktivität L 136, eine Kabelinduktivität l_Kabei 140, ein Schalter S7 142, ein Schalter S8 144 und eine Spannungsquelle 146 dargestellt.

In Figur 2 wird somit eine weitere, bereits verwendete Topologie gezeigt. Bei dieser Topologie ist es nicht erforderlich, den Kondensator Cl 126 mit irgendeinem Steuerverfahren anzusteuern, bspw. mit einem zugeordneten Balance-Regler. Bei diesem Konzept wird der Kondensator Cl 126 nicht dazu verwendet, um die Kosten und die Schwierigkeiten beim Bestimmen der Lebensdauer des Kondensators Cl 126 zu reduzieren. Es wird jedoch ein Transformator 116 mit Mittelabgriff eingesetzt. Dies führt zur Verwendung von hoher Spannung über den Gleichrichter, so dass hohe Leistungsverluste und eine geringe Effizienz des Wandlers verursacht werden.

Da der Schalter S7 142 verwendet wird, um den Gleichspannungswandler 142 von der Ausgansseite bei einem Kurzschluss von S5 132 oder S6 134 zu tren- nen, wurde eine weitere Topologie, die in Figur 3 gezeigt ist, verwendet. Diese wird insbesondere genutzt, um Leistungsverluste zu verringern und um die Leistungsfähigkeit des Transformators und die Effizienz des Gleichspannungswandlers zu erhöhen.

Figur 3 zeigt einen Vollbrücken-Gleichspannungswandler 200. Die Darstellung zeigt eine Primärseite 212 und eine Sekundärseite 214, die über einen Transformator 216 miteinander verbunden sind. Die Darstellung zeigt weiterhin einen Schalter Sl 218, einen Schalter S2 220, einen Schalter S3 222, einen Schalter S4 224, eine Kapazität Cl 226 und eine Induktivität 228. Weiterhin sind ein

Schalter S5 232, ein Schalter S6 234, eine Induktivität L 236, eine Kabelinduktivität L _Ka bei 240, ein Schalter S7i 242, ein Schalter S7 ₂ 243, ein Schalter S8 244, eine Spannungsquelle 246 und ein zweiter Kondensator C2 250 dargestellt.

Wie in Figur 3 gezeigt ist, wird hier ein Vollbrücken-Gleichrichter verwendet, der mit Bezugsziffer 252 bezeichnet ist. Die Spannung über dem Gleichrichter 252 ist nur halb so groß wie die Spannung eines Gleichspannungswandlers mit einem Transformator mit Mittelabgriff. Somit können Schalter S5, S6, S7i, S72 mit geringer Spannung auf Seiten des Gleichrichters verwendet werden.

Dies führt zu geringen Leistungsverlusten. Ein Transformator ohne Mittelabgriff wird verwendet, wodurch die Kosten für den Transformator vermindert werden. Außerdem kann während eines Kurzschlusses eines Schalters in dem Gleichrichter der Wandler von der Ausgangsseite durch Ausschalten der anderen Schalter in dem Gleichrichter getrennt werden. Diese Topologie ist jedoch nicht tolerant gegenüber Fehlern, d. h. der Wandler muss bei jedem Fehler von Sl bis S4 oder deren Treibern ausgeschaltet werden. Außerdem müssen bei geringer Last alle Schalter auf der Primärseite 212 mit kleinen Taktzyklen oder hoher Phasenverschiebung betrieben werden, um die Sättigung des Transformators zu vermeiden. Dies führt zu hohen Schaltverlusten unter geringer Last. Um die Wandlereffizienz und die Fehlertoleranz unter geringer Last zu verbessern, wird ein verschachtelter Vollbrückenwandler verwendet, wie dieser in Figur 4 gezeigt ist. Figur 4 zeigt einen verschachtelten Vollbrücken-Gleichspannungswandler, der insgesamt mit der Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Kapazität Cl 302, einen Schalter Sl 304, einen Schalter S2 306, einen Schalter S3 308, einen Schalter S4 310, einen Schalter S5 312, einen Schalter S6 314, einen Schalter S7i 316, einen Schalter S72318, einen Schalter S8 320, eine Kapazität

C2 322, einen Transformator 324, eine Induktivität 330, eine Induktivität L 332, eine Kabelinduktivität 334 und eine Spannungsquelle 336.

Liegt bei Schalter S5 oder Schalter S6 ein Kurzschluss vor, so wird Schalter S7i oder Schalter S72 ausgeschaltet, um einen Kurzschluss der Batterie an der Ausgangsseite zu vermeiden.

Einer der beiden gezeigten Wandler könnte ausgeschaltet werden, wenn ein Fehler bei irgendeinem Schalter oder Treiber in dem Wandler vorliegt. Einer der beiden Wandler könnte ausgeschaltet werden, wenn ein Fehler in einem Schalter oder Treiber in dem Wandler vorliegt. Einer der beiden Wandler könnte unter leichter Last ausgeschaltet werden, um die Effizienz der Wandler zu verbessern. Diese Topologie ist auch skalierbar, um die Entwicklungs- und Forschungskosten zu reduzieren.

Wie jedoch durch Figur 4 verdeutlicht ist, sind die Kosten für einen verschachtelten Gleichspannungswandler sehr hoch, und die Schaltung ist, aufgrund der beiden Wandler, die für dieselbe Ausgangsleistung zu verwenden sind, um die Fehlertoleranzfähigkeit und die Effizienz unter leichter Last zu verbessern, äußerst komplex.

Um den Nachteil der vorstehend beschriebenen Wandler zu vermeiden, wird eine neue Topologie und deren Betriebsweise vorgestellt. Bei dieser Topologie kann der Wandler bei Fehlern in diesem oder seinen Treibern weiter betrieben werden und muss nicht ausgeschaltet werden, so dass die Toleranz gegenüber Fehlern verbessert wird. Es werden zudem die Hälfte der Schalter unter geringer Last ausgeschaltet, so dass Leistungsverluste unter geringer Last verringert werden. Außerdem ist die Topologie skalierbar, so dass die Kosten für Forschung und Entwicklung reduziert werden können. Figur 5 zeigt eine Ausführung des vorgestellten Vollbrücken- Gleichspannungswandlers, der insgesamt mit der Bezugsziffer 400 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Primärseite 412 und eine Sekundärseite 414, die über einen Transformator 416 miteinander verbunden sind. Die Darstellung zeigt weiterhin einen Schalter Sl 418, einen Schalter S2 420, einen Schalter S3 422, einen Schalter S4 424, eine Kapazität Cl 426 und eine Induktivität 428. Weiterhin sind ein Schalter S5 430, ein Schalter S6 432, eine Induktivität L 436, eine Kabelinduktivität abei 440, ein Schalter S7i 442, ein Schalter S7 ₂ 444, ein Schalter S8i 446, ein Schalter S82 448 und eine Spannungsquelle 450 dargestellt. Pfeile verdeutlichen eine Spannung Ui 460, eine Spannung u _a b 462, einen Strom i _L 464 und einen Strom i _p 466. Der Schalter S81 446 und der Schalter S8 ₂ 448 stellen den mindestens einen Schutzschalter dar.

Es wird somit eine Topologie vorgestellt, die sowohl tolerant gegenüber Fehlern ist als auch einen redundanten Aufbau aufweist. Es wird insbesondere die Effizienz unter geringer Last verbessert. Weitere Kosten werden vermieden.

Der Gleichspannungswandler 400 kann im Fehlerfall weiter betrieben werden, so dass die Fehlertoleranz und die Sicherheit des Wandlers signifikant verbessert werden, selbst bei einem Fehler in 50 % der Leistungskomponenten und/oder einem Fehler bei 50 % der Treiber. Es werden keine zusätzlichen leistungselektronischen Komponenten benötigt, so dass keine zusätzlichen Kosten entstehen. Die Kosten und Komplexität sind im Vergleich zu Wandlern mit derselben Funktion signifikant verringert. Die Effizienz unter leichter Last wird verbessert. Dies ermöglicht eine Skalierbarkeit, so dass die Kosten für Entwicklung und Forschung verringert werden.

Figur 5 zeigt die vorgestellte Gleichspannungswandler-Topologie, die sowohl fehlertolerant als auch redundant aufgebaut ist. Wie in Figur 5 gezeigt ist, sind keine zusätzlichen leistungselektronischen Komponenten erforderlich, im Vergleich zu herkömmlichen Vollbrücken-Gleichspannungswandlersystem, wie dies bspw. in Figur 2 gezeigt ist. Verglichen mit der Topologie in Figur 3 ist der Schalter S8 446, 448 zum Schutz vor einer Verpolung direkt mit dem Gleichrichter anstatt der Last am Ausgang verbunden. Der Schalter S8 446, 448 wird nur bei einem Fehler von Sl bis S4 oder deren Treibern ausgeschaltet. Der Schalter S8 446, 448 wird ebenfalls ausgeschaltet, wenn eine Verpolung der Batterie auftritt. Außer den erwähnten zwei Fällen ist der Schalter S8 immer eingeschaltet. Es gibt keine Schaltverluste bei S8. S8 sollte ebenfalls für einen Lawinendurchbruch geeignet sein, was den Anforderungen für S8 bei dem herkömmlichen Vollbrücken- Gleichspannungswandler entspricht, wie dieser in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist.

Wenn kein Fehler bei den Schaltern Sl bis S7 oder deren Treibern vorliegt, wird der Wandler mit herkömmlicher Phasenverschiebung betrieben, wie dies in Figur 7 gezeigt ist. In diesem normalen Modus sind die Schutzschalter S8i 446 und S82 448 immer eingeschaltet, wenn die Batterie nicht verpolt mit der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Andererseits müssen beide Schalter ausgeschaltet werden. Es gibt daher keine Schaltverluste bei dem Schalter S8. Bei geringer Last werden die Schalter S2/S3 und S82 absichtlich ausgeschaltet.

Die Ausgangsschaltung wird mit Variation eines Taktzyklus von S1/S4 geändert.

Figur 6 zeigt typische Wellenformen bzw. Signalverläufe des Vollbrücken- Gleichspannungswandlers unter einer normalen Phasenverschiebung in einem Graphen 500. Gezeigt sind die Signalverläufe von S1 502, S2 504, S3 506, S4

508, S81 510, S82 512, u _a b 514, i _b 516, i _L 518. Eingetragen sind Zeitpunkte t ₀ 520, ti 522, t ₂ 524, t ₃ 526, t ₄ 528, t ₅ 530, t ₆ 532, t ₇ 534, t ₈ 536 und t ₉ 538.

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführung des Vollbrücken- Gleichspannungswandlers, der insgesamt mit der Bezugsziffer 600 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Primärseite 612 und eine Sekundärseite 614, die über einen Transformator 616 miteinander verbunden sind. Die Darstellung zeigt weiterhin einen Schalter Sl 618, einen Schalter S2 620, einen Schalter S3 622, einen Schalter S4 624, eine Kapazität Cl 626 und eine Induktivität 628. Weiter- hin sind ein Schalter S5 630, ein Schalter S6 632, eine Induktivität L 636, eine

Kabelinduktivität l_Kabei 640, ein Schalter S7i 642, ein Schalter S72 644, ein Schalter S81 646, ein Schalter S82 648 und eine Spannungsquelle dargestellt. Pfeile verdeutlichen eine Spannung Ui 660, eine Spannung u _a b 662, einen Strom L 664 und einen Strom i _p 666. Figur 8 zeigt die Signalformen im Betrieb in einem Graphen 700. Gezeigt sind die Signalverläufe von S1 , S4 702, S2, S3 704, S81 706, S8 ₂ , S6 708, S7, S5, S81 710, S7 ₂ , S5, S81 714, u _a b 716, i _b 718 und i _L 720. Eingetragen sind Zeitpunkte t ₀ 730, ti 732, t ₂ 734, t ₃ 736, t ₄ 738 und t ₅ 750.

Während des Ausschaltens von S1/S4 wird der magnetisierende Strom des Transformators durch D2/D3 fließen und den Demagnetisierungsprozess des Transformators ermöglichen. Da lediglich ein geringer Magnetisierungsstrom durch D2/D3 fließt, sind die Leitungsverluste von D2/D3 sehr gering. Mit Begren- zung des Taktzyklus wird D2/D3 immer mit 0 Strom ausgeschaltet. Es liegen keine Schaltungsverluste für D2/D3 vor. Kernverluste der Induktivität L werden ebenfalls aufgrund der Halbierung der Frequenz verringert, die für die Phasenverschiebung-Steuerung verwendet werden. Daher wird die Effizienz unter leichter Last verbessert. D2/D3 sind in MOSFETs die Body-Dioden, in IGBTs die pa- rallelen Dioden.

Figur 8 zeigt das Betriebsverfahren bei einem Fehler. Wenn der Fehler von S3 oder dessen Treiber bei S3 auftritt, wird S2/S82 ebenfalls mit der neuen vorgestellten Steuerung ausgeschaltet. Der Phasenverschiebung-Betriebsmodus wird zu der variablen Taktzyklussteuerung mit Steuerung von S1/S4 geändert. Die

Energie wird von der Primärseite zu der Sekundärseite übertragen. Mit Variation des Taktzyklus von S1/S4 wird die Ausgangsspannung geändert. Während des Ausschaltens von S1/S4 wird der Magnetisierungsstrom des Transformators durch D2/D3 fließen und der Demagnetisierungsprozess des Transformators wird realisiert. Da lediglich ein geringer Magnetisierungsstrom durch D2/D3 vorliegt, sind die Leistungsverluste von D2/D3 sehr gering. Mit Begrenzung des Taktzyklus wird D2/D3 immer mit 0 Strom ausgeschaltet. Es gibt keine Umkehr in der Wiederherstellung der Leistungsverluste D2/D3. Somit ist der gesamte Leistungsverlust von D2/D3 sehr gering. Dies bedeutet, dass die MOSFET Body- Diode problemlos als D2/D3 zu verwenden ist.

Mit dem vorgestellten Verfahren wird der Gleichspannungswandler tolerant gegenüber Fehlern und sicher betrieben, selbst wenn ein Fehler in 50 % der Komponenten der Schalter und deren Treibern auftritt. Redundanz ist somit gesichert. Der maximale Strom sollte unter Berücksichtigung des thermischen Designs je- des Schalters für dieses Steuerverfahren begrenzt werden. Dasselbe Steuerverfahren kann bei Fehlern in anderen Schaltern und Treibern verwendet werden.