Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last, insbesondere für ein Netz, mit einem Energiespeicher und einem Spannungswandler.

Bei batteriegestützten Geräten, beispielsweise bei DC/DC- Wandlern zur Versorgung eines Netzes, das ein Kfz-Bordnetz, eine Basisstation-Telekommunikationseinrichtung oder dergleichen sein kann, besteht häufig die Forderung nach einem Ver- polschutz, der verhindern soll, dass falsch angeschlossene Energiespeicher, wie Batterien oder Akkus, zu einer Beschädi- gung der nachfolgenden Elektronik führt. Die Gefahr einer

Verpolung besteht meist beim Wechseln oder An- und Abklemmen des Energiespeichers, wenn keine mechanischen Schutzmaßnahmen vorhanden sind. Wird der als Gleichspannungsquelle ausgebildete Energiespeicher verpolt an die elektrische oder elektro- nische Schaltung angeschlossen, fließt ohne Verpolschutz ein sehr hoher Kurzschlussstrom. Da die elektronischen Bauteile nicht für derart hohe Ströme dimensioniert sind, kommt es zur Zerstörung der Elektronik.

Bei den bekannten DC/DC-Wandlern, beispielsweise zur Versorgung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sind die Klemmen des E- nergiespeichers, d.h. der Batterie, meist so ausgeführt, dass ein mögliches Vertauschen des Plus- und Minus-Anschlusses nicht verhindert wird. Schaltungstechnische Maßnahmen nach dem Stand der Technik sind beispielsweise Verpolschutzdioden, wie eine Diode im Lastkreis, antiparallele Schottkydioden im Leistungspfad, serielle Leistungsschalter im Ausgangspfad, serielle Leistungsdioden im Ausgangspfad oder dergleichen. Beispielsweise ist bekannt, parallel zu den Klemmen des Ener- giespeichers eine Diode zu schalten, die bei Verpolung des Energiespeichers den Kurzschlussstrom aufnimmt. Solche Dioden müssen eine sehr hohe Stromtragfähigkeit haben, so dass sie einen sehr großen Platzbedarf im elektronischen Gerät benöti- gen. Der Einbau einer solchen Verpolschutzdiode hat zusätzlich eine negative Auswirkung auf den Preis des Geräts. Wird eine Diode seriell eingefügt, muss sie zwar nur den Laststrom führen, allerdings bringt sie auch mehrere Nachteile mit sich, da wären: Verringerung des Wirkungsgrads, bidirektiona- ler Betrieb des Wandlers nicht möglich, Platzbedarf und nicht zuletzt Preis des Gerätes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last, insbesondere für ein Netz, wie ein Kfz-Bordnetz, zu schaffen, die einen sicheren Verpolschutz gewährleistet, einen geringen Platzbedarf benötigt und relativ kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Dadurch, dass die mit den Anschlussklemmen des Energiespeichers in Verbindung stehenden Verpolschutzmittel ausgebildet sind, die bei Verpolung des Energiespeichers von diesem gelieferten Spannung in eine Steuerspannung zum aktiven Ein- schalten des elektronischen Schalters umwandeln, können die bereits in der Schaltung des Spannungswandlers mit synchroner, d.h. aktiver Gleichrichtung benutzten elektronischen Bauteile zumindest teilweise zum Schutz der Elektronik verwendet werden, indem die aktiven Halbleiter, d.h. der mindes- tens eine elektronische Schalter in den leitenden Zustand gebracht wird, um den Kurzschlussstrom zu übernehmen. Durch das aktive Zuschalten der elektronischen Schalter fließt der Kurzschlussstrom bei ihrer Ausbildung als MOSFETS nicht mehr über die parasitäre Diode, bei Ausführung als IGBTs über die externe Diode, sondern über den geöffneten Drain-Source-Kanal bzw. die Emitter-Kollektorstrecke. Bei Ausführung der Halbleiterschalter aus mehreren parallel geschalteten Elementen wirkt sich das Überbrücken der internen bzw. externen Dioden dahingehend positiv aus, dass die Stromverteilung in den einzelnen Elementen nicht durch die thermisch ungünstige Diodenkennlinie beeinflusst wird (höhere Temperatur, niedrigere Flussspannung, d.h. die am meisten belastete Diode leitet am besten) . Ebenso werden durch das aktive Einschalten des Schalters die Verluste im Bauteile minimiert, sowie der Anstieg und die Amplitude des Kurzschlussstroms erhöht. Somit wird ein sicheres Auslösen der Sicherung bei der Überstrom- Überwachung herbeigeführt. Da die Bauteile im Normalbetrieb für hohe Belastungen ausgelegt sind, können sie auch den auf- tretenden Kurzschlussstrom ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen ü- bernehmen .

Vorteilhafterweise sind die Verpolschutzmittel als Verpol- schutz-Spannungswandler ausgebildet, der automatisch bei ei- nem verpolt angeschlossenen Energiespeicher unter Entnahme der Energie aus dem verpolten Energiespeicher aktiv wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in der Eingangsleitung des Verpolschutz-Spannungswandlers eine erste Schutz- diode angeordnet, die sicherstellt, dass der Verpolschutz-

Spannungswandler nur bei verpolt angeschlossenem Energiespeicher aktiviert wird. Dadurch wird gewährleistet, dass durch die zusätzlichen erfindungsgemäßen Maßnahmen kein Einfluss auf den Normalbetrieb des Spannungswandlers auftritt. In entsprechender erfinderischer Weise ist in der Ausgangsleitung des Verpolschutz-Spannungswandlers eine zweite Schutzdiode zum Verhindern eines Rückstroms vom Spannungs- wandler angeordnet, was gleichfalls zu einer sicheren Funktionsweise im Normalbetrieb der Spannungsversorgungseinrichtung beiträgt .

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Ausgangs- Spannung des Verpolschutz-Spannungswandlers für die Ansteuerung der Treiberschaltung der elektronischen Schalter des Spannungswandlers verwendet.

Ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Ausgang des Verpolschutz-Spannungswandlers mit der Steuerelektrode des mindestens einen elektronischen Schalters des Spannungswandlers verbunden ist.

Je nach Anwendungsgebiet und Anwendungsfall kann der Span- nungswandler der Spannungsversorgungseinrichtung und/oder der Verpolschutz-Spannungswandler als isolierender oder nicht i- solierender DC/DC-Wandler ausgebildet sein.

Vorteilhafterweise ist der Verpolschutz-Spannungswandler als Sperrwandler mit PWM-Ansteuerung oder mit frei schwingendem Oszillator ausgebildet, wobei die Ausführung mit PWM- Ansteuerung mit einer selbst haltenden Spannungsversorgung versehen sein kann, wodurch auch bei geringer werdenden Eingangsspannungen noch eine ausreichende Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt werden kann.

In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Verpolschutz-Sperrwandler als Flusswandler mit Meißneroszil- lator ausgebildet, der einen Betrieb auch bei sehr kleinen Eingangsspannungen ermöglicht.

Zusammenfassend sind als Vorteile der Erfindung aufzuzählen, dass keine zusätzliche Verlustleistung im Normalbetrieb des Spannungswandlers auftritt, dass die Erfindung in vielen To- pologien verwendbar ist, dass eine geringe Anzahl zusätzlicher Bauteile notwendig ist und dass eine kosten- und Platzreduzierung möglich ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Spannungsversorgungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit verpol- tem Energiespeicher,

Fig. 2 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung,

Fig. 3 eine detaillierte schaltungsgemäße Ausgestaltung eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung nach einem ersten Ausführungsbei- spiel,

Fig. 4 eine detaillierte schaltungsgemäße Ausgestaltung eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbei- spiel,

Fig. 5 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines ersten

Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verpol- schütz-Spannungswandlers,

Fig. 6 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines zweiten

Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verpol- schutz-Spannungswandlers, und

Fig. 7 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verpol- schutz-Spannungswandlers .

In Fig. 1 ist eine Spannungsversorgungseinrichtung 1 für eine Last 2, die beispielsweise als ein Kraftfahrzeug-Bordnetz ausgebildet ist, dargestellt. Die Spannungsversorgungseinrichtung weist einen Energiespeicher 3, z.B. eine Batterie auf, deren Anschlüsse verpolt an die positive und an die negative bzw. Masseleitung 4, 5 angeschlossen ist. Ein DC/DC- Wandler 6, der zum Hochsetzen einer niedrigeren Eingangsspannung V _LV in eine höhere Spannung V _H v bzw. zum Tiefsetzen der letzteren Spannung in eine Spannung V _LV dient (durch die Pfeile in der Figur angedeutet) , ist entsprechend mit den

Leitungen 4, 5 verbunden. Weiterhin ist in die positive Leitung 4, dem isolierenden Wandler 6 zugewandt, eine Sicherung 7 zum Absichern des DC/DC-Wandlers 6 und der Last 2 zugewandt, eine Sicherung 7' zum Absichern der Last geschaltet. Obwohl eine Sicherung vorgesehen ist, fließt bei Verpolung kurzzeitig ein sehr hoher Kurzschlussstrom, der den Wandler 6 zerstören könnte.

In Fig. 2 ist der interne Aufbau des isolierenden Wandlers 6 teilweise näher dargestellt, wobei zusätzlich ein Verpol- schutz-Spannungswandler 8 vorgesehen ist. Bei dem dargestellten Teil des Spannungswandlers 6 handelt es sich um die nie- dervoltseitige Beschaltung einer Stromverdoppler-Topologie . Selbstverständlich sind andere aktiv geschaltete Spannungs- wandler-Topologien verwendbar, wie solche mit Vollbrücke, Einweggleichrichtung, Gleichrichtung mit Mittelanzapfung, invertierte Gleichrichtung mit Mittelanzapfung oder dergleichen verwendbar. Die Schaltung nach Fig. 2 umfasst den der positi- ven und negativen Klemme 9, 10 des Spannungswandlers 6 verbundenen Energiespeicher 3, der hier gleichfalls im verpolten Zustand dargestellt ist. Der Eingang des Spannungswandlers 6 ist über die nicht dargestellte Sicherung 7 mit einem EMC- Filter 11 für die elektromagnetische Verträglichkeit versehen und zwischen positiver Leitung 4 und Masse schließen sich zwei Kondensatoren, ein Ausgangskondensator 12 und ein Arbeitskondensator 13 an, zwischen denen eine Filterspule 14 in der positiven Leitung liegt.

Der Verpolschutz-Spannungswandler 8 ist invertiert an den zu schützenden Wandler 6 angeschlossen, d.h. der Minusanschluss 15 des Verpolschutz-Spannungswandlers 8 ist an die positive Leitung 4 angeschlossen, während der positive Anschluss 16 an die negative bzw. Masseleitung 5 des Wandlers 6 angeschlossen ist.

Wie oben ausgeführt, ist nur die Niedervoltseite des DC/DC- Wandlers 6 dargestellt, die Hochvoltseite ist an sich bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Mit der positiven Lei- tung 4 an dem einen Anschluss des Arbeitskondensators 13 sind zwei Speicherdrosseln L _LV i und L _LV 2 verbunden, die an eine Wicklung eines Transformators 17 angeschlossen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier als MOSFETS ausgebildete elektronische Schalter Tl, T2, T3, T4 vorgesehen, wobei die Drain-Anschlüsse mit den Speicherdrosseln L _LV i, L _LV 2 bzw. dem Transformator 17 und die Source-Anschlüsse mit Masse verbunden sind. Die Gate-Elektroden werden von einem Gate- Treiber 18 angesteuert, der wiederum von einer Steuereinheit 19 angesteuert wird, die als PWM-Controller, als Mikrocompu- ter oder als CPLD (complex programmable logic device) -Mikro- controller ausgebildet sein kann. Weiterhin steht der Verpol- schutz-Spannungswandler 8 mit dem Gate-Treiber 18 in Verbindung. Die Funktionsweise des DC/DC-Wandlers 6 ist allgemein bekannt und wird nicht weiter erläutert.

In Fig. 3 ist der Verpolschutz-Spannungswandler 8 sowie die Verbindung des Wandlers mit einem Teil des Gate-Treibers 18 und einem der elektronischen Schalter Tl dargestellt. Der Verpolschutz-Spannungswandler 8 umfasst eine an den positiven Anschluss 16 angeschlossene Diode Dl, einen isolierenden DC/DC-Wandler 20, eine die Ausgangsspannung stabilisierende Zehnerdiode ZDl sowie eine mit einem Ausgang A des Verpol- schutzspannungswandlers 8 verbundene Diode D2. Die Schutzdio- de Dl am Eingang dient zur Aktivierung des DC/DC-Wandlers 20 bei verpoltem Energiespeicher 3, ansonsten sperrt sie. Die Diode D2 am Ausgang verhindert einen Rückstrom vom Gate- Treiber 18. Hier ist nur die Verbindung des Verpolschutz- Spannungswandlers 8 mit einem elektronischen Schalter ge- zeigt, damit bei mehreren Schaltern die verschiedenen Steuerelektroden nicht direkt miteinander verbunden sind, können bei Bedarf mehrere Dioden wie D2 notwendig sein.

Der in Fig. 3 dargestellte Treiber für den elektronischen Schalter Tl umfasst eine Logikschaltung 21, die einerseits mit der Steuereinheit 19 und andererseits mit den Basiselektroden von jeweils einem Transistor 22, 23 verbunden ist. Die Emitter sind miteinander verbunden und ein zwischen Basis und Emitter geschalteter Widerstand 24 stellt den Arbeitspunkt ein. An dem Kollektor des Transistors 22 liegt die Treiberspannung und der Kollektor des Transistors 23 liegt auf Masse. Die Emitterelektroden der Transistoren 22, 23 sind mit der Gate-Elektrode des MOSFET Tl verbunden, wobei ein Widerstand 25 zwischen Gate-Elektrode und Masse die Steuerelektro- de auch bei sonst stromloser Elektronik im ausgeschalteten Zustand hält. .

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ausgang A des Verpolschutz-Spannungswandlers 8 mit der Gate-Elektrode des MOSFETS Tl verbunden. Wenn der Energiespeicher 3 verpolt angeschlossen ist, schaltet die Diode Dl und aktiviert den DC/DC-Wandler 20, der wiederum eine durch die Zehnerdiode ZDl stabilisierte Ausgangsspannung liefert, wodurch der Transis- tor Tl schaltet und es entsteht ein Spannungsabfall an den

Bauteilen 14, den Drosseln L _LV i, L _LV2 und an dem MOSFET Tl bzw. den vier MOSFETS Tl bis T4. Dadurch löst die Sicherung 7 sicher aus .

In Fig. 4 ist eine Variante zu Fig. 3 dargestellt, wobei hier der Ausgang A des Verpolschutz-Spannungswandlers die Treiberspannung liefert und mit dem Kollektor des Transistors 22 verbunden. Zusätzlich ist ein weiterer Ausgang B vorgesehen, wobei eine Diode T3 zwischen dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 20 und dem Ausgang B geschaltet ist, die gleichfalls als

Schutzdiode gegen Rückströme dient. Der Ausgang B ist mit Widerständen 26, 27 für die Anpassung an die Treibereingangsspannung verbunden. Die anderen Bauteile entsprechen denen der Fig. 3. Im vorliegenden Fall schalten die Transistoren 22, 23 durch, wenn an den Ausgängen A und B des Verpolschutz- Spannungswandlers 8 eine Spannung anliegt, wobei daraufhin der MOSFET Tl schaltet.

In den Fign. 5, 6, 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele für den Verpolschutz-Spannungswandler 8 dargestellt, wobei Fig. 5 einen Sperrwandler mit einem PWM-Controller zeigt. Entsprechend Fig. 5 weist der Sperrwandler einen als MOSFET ausgebildeten Schalter 28 auf, der mit einer Speicherdrossel 29, die Bestandteil eines Transformators 30 ist, zwischen den positiven und negativen Anschlüssen 15, 16 des Verpolschutz- Spannungswandlers 8 liegt. Der Schalter 28 wird von einem PWM-Controller 31 angesteuert, wobei die dargestellten Widerstände hier nicht weiter näher beschrieben werden, sie dienen zur Einstellung der Arbeitspunkte und der Schaltschwellen.

Wenn eine Spannung aus dem verpolten Energiespeicher 3 an den Eingängen 15, 16 des Spannungswandlers 8 anliegt, wird der Kondensator Cl aufgeladen und der PWM-Controller 31 mit Span- nung versorgt. Er schaltet den Schalter 28 entsprechend der Ansteuerung in die Leit- und die Sperrphase. In entsprechender Weise fließt ein Strom durch die Spule 29 des Transformators 30 und es baut sich ein Magnetfeld auf. In der Leitphase sperren die Dioden D4 und D5 und es gibt kein Energieüber- trag. In der Sperrphase kehrt sich die Spannung an den Wicklungen 32, 33 um und es fließt ein Strom über die Dioden D4 und D5 und lädt die Kondensatoren C2 und C3 auf. In der Leitphase liefert der Kondensator C2 die Ausgangsspannung zum Schalten der elektronischen Schalter Tl bis T4 der Spannungs- wandlers 6 wie oben beschrieben.

Da die Eingangsspannung an dem Verpolschutz-Spannungswandler 8 relativ schnell abnimmt, muss auch ein Betrieb bei kleinen Eingangsspannungen (0,1V bis 12V) möglich sein und eine in- vertierte oder galvanisch getrennt Ausgangsspannung von ca. 5V bis 15V erzeugt werden. Wenn die Eingangsspannung unter einen bestimmten Spannungswert fällt, z.B. unter 2V, wird entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 5 der PWM Controller 31 über den Kondensator C3 auf der Sekundärseite des Transformators 30 versorgt, wobei die Anschlüsse I, II des Kondensators, wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, an einer mit dem PWM-Controller 31 verbunden Diode D7 und am negativen An- schluss 15 liegen. Somit hält sich der Verpolschutz- Spannungswandler 8 eine Weile selbst. In Fig. 6 ist ein Verpolschutz-Spannungswandler 8 in Form eines Sperrwandlers mit frei schwingendem Oszillator 34 dargestellt, der den elektronischen Schalter 28 ansteuert. Dieser Sperrwandler arbeitet ähnlich dem zuvor in Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen. Die Zenerdiode ZD2 dient als Schutzdiode gegen Spannungsspitzen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verpolschutz- Spannungswandlers 8 in Form eines Flusswandlers mit Meißner

Oszillator zeigt Fig. 7. Die Ausgangsseite des Spannungswandlers 8 ist wie in Fig. 6 ausgebildet. Der als Gegentaktoszil- lator wirkende Oszillator 36 besteht im Grunde aus zwei Meißner Oszillatoren, wobei die frequenzbestimmenden Bauteile der Kondensator C4 und die Spule 35 darstellen. Die Transistoren 37 und 38 werden abwechselnd leitend. Die parallel geschalteten ohmschen Spannungsteiler dienen zur Einstellung des Basis-Ruhepotentials. Diese Schaltung nach Fig. 7 zeichnet sich dadurch aus, dass sie auch noch bei kleinen Spannungen arbei- tet.