GLEICHSPANNUNGSKONVERTER

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungskonverter, insbesondere einen Gleichspannungskonverter zur Energieübertragung zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz.

Stand der Technik

Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen in der Regel über eine sogenannte Traktionsbatterie, welche elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeuges bereitstellt. Derartige Traktionsbatterien haben in der Regel eine Ausgangsspannung von mehreren hundert Volt, beispielsweise 400 Volt. Darüber hinaus verfügen die Fahrzeuge über ein sogenanntes Niedervoltnetz, an welches weitere Verbraucher, wie zum Beispiel Beleuchtung, Hilfsantriebe, Bordcomputer oder ähnliches angeschlossen sind. Dabei wird das Niedervoltnetz eines Fahrzeugs in der Regel von elektrischer Energie aus dem Hochvoltnetz gespeist. Hierzu ist eine Konvertierung der elektrischen Spannung vor dem Hochvoltnetz auf das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes erforderlich. Darüber hinaus muss in der Regel auch eine galvanische Trennung zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz erfolgen.

Die Druckschrift DE102016220 679 Al offenbart einen Gleichspannungswandler und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers mit einem sogenannten Phase-shift Full-brigde Gleichspannungswandler. Insbesondere schlägt diese Druckschrift vor, die Anzahl der verlustbehafteten Schaltvorgänge durch geeignetes Ansteuern des Gleichspannungswandlers zu reduzieren. Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Gleichspannungskonverter, insbesondere einen Gleichspannungskonverter zu Energieübertragung zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Demgemäß ist vorgesehen:

Ein Gleichspannungskonverter zur Energieübertragung zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz. Der Gleichspannungskonverter umfasst einen Eingangsanschluss, einen Transformator, ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement und einen Kondensator. Der Eingangsanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer Gleichspannungsquelle gekoppelt zu werden. Der Transformator weist eine Primärseite und eine Sekundärseite auf. Ein erster Anschluss der Primärseite des Transformators ist mit einem ersten Anschlusselement des ersten Eingangsanschlusses verbunden. Ein erster Anschluss des ersten Schaltelements ist mit einem zweiten Anschluss der Primärseite des Transformators verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements ist mit einem zweiten Anschlusselement des Eingangsanschlusses verbunden. Ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements ist mit dem ersten Anschluss der Primärseite des Transformators verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements ist mit einem Knotenpunkt verbunden. Ein erster Anschluss des Kondensators ist mit dem Knotenpunkt verbunden. Ein zweiter Anschluss des Kondensators ist mit dem zweiten Anschluss der Primärseite des Transformators verbunden. Ein erster Anschluss des dritten Schaltelements ist mit dem Knotenpunkt verbunden. Ein zweiter Anschluss des dritten Schaltelements ist mit einem ersten Anschluss des vierten Schaltelements verbunden. Schließlich ist ein zweiter Anschluss des vierten Schaltelements mit dem zweiten Anschluss des Eingangsanschlusses verbunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Niedervoltnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges in der Regel mittels Energie von einem Hochvoltnetz gespeist wird. Hierzu ist üblicherweise eine galvanische Trennung zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz erforderlich. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass mit fortschreitender Weiterentwicklung der Fahrzeuge die Leistung und insbesondere auch die Batteriekapazität von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen steigen. In diesem Zusammenhang werden zunehmend auch Traktionsbatterien mit einer höheren Ausgangsspannung eingesetzt. Somit sind zur Kopplung zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz auch Gleichspannungswandler erforderlich, die über eine ausreichende Spannungsfestigkeit verfügen. Danach sind auch Gleichspannungskonverter wünschenswert, welche über einen möglichst weiten Eingangsspannungsbereich eingesetzt werden können.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Gleichspannungskonverter zu schaffen, welcher die oben genannten Anforderungen erfüllen kann. Hierzu schafft es die folgende Erfindung ein Schaltungskonzept für einen Gleichspannungskonverter zur Kopplung eines Hochvoltnetzes mit einem Niedervoltnetz, der über eine sehr einfache Schaltungstopologie verfügt. Der Gleichspannungskonverter kann über einen sehr großen Eingangsspannungsbereich hinweg die Eingangsgleichspannung in eine vorgegebene Ausgangsgleichspannung konvertieren. Das erfindungsgemäße Schaltungskonzept ermöglicht es insbesondere bei hohen Eingangsgleichspannungen auch mit konventionellen Bauelementen eine ausreichende Spannungsfestigkeit zu gewährleisten. Aufgrund der relativ einfachen Schaltungstopologie kann der Gleichspannungskonverter besonders kostengünstig realisiert werden. Ferner erfordert der erfindungsgemäße Gleichspannungskonverter auch nur einen relativ geringen Bauraum.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungskonverter einen Gleichrichter. Der Gleichrichter ist mit dem Sekundäranschluss des Transformators gekoppelt. Ferner ist der Gleichrichter dazu ausgelegt, eine am Sekundäranschluss des Transformators anliegende Spannung gleichzurichten. Die gleichgerichtete Spannung kann daraufhin an einem Ausgangsanschluss des Gleichspannungskonverters bereitgestellt werden. Das Gleichrichten der elektrischen Spannung am Sekundäranschluss des Transformators kann auf beliebige Weise mittels eines aktiven oder passiven Gleichrichters erfolgen. Mittels des Transformators und anschließender Gleichrichtung ist es somit möglich, eine galvanisch getrennte Energieübertragung aus dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz zu realisieren.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichrichter eine Gleichrichterdiode. Alternativ kann der Gleichrichter auch einen Halbleiterschalter, insbesondere mit parallel zu dem Halbleiterschalter vorgesehener Gleichrichterdiode, umfassen. Der Halbleiterschalter kann in diesem Falle aktiv angesteuert werden, wobei durch das Ansteuern des Halbleiterschalters eine Gleichrichtung der elektrischen Spannung auf der Sekundärseite des Transformators erfolgt. Durch eine solche aktive Gleichrichtung mittels eines Halbleiterschalters kann die Verlustleistung reduziert und somit die Effizienz gesteigert werden. Alternativ kann durch eine Gleichrichterdiode eine besonders kostengünstige Gleichrichtung realisiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfassen das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement jeweils einen Halbleiterschalter. Insbesondere kann parallel zu jedem Halbleiterschalter eine Diode, insbesondere eine sogenannte Bodydiode vorgesehen sein. Bei dem Halbleiterschalter kann es sich beispielsweise um einen Transistor, insbesondere eine bipolaren Transistor mit einem isolierten Gateanschluss (IGBT) handeln. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Halbleiterschalter, wie zum Beispiel MOSFET oder Siliziumkarbidschalter, möglich.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Diode, welche parallel zu dem dritten Schaltelement vorgesehen ist entgegengesetzt zu der Diode, welche parallel zu dem vierten Schaltelement vorgesehen ist, angeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass in dem Pfad mit dem dritten und vierten Schaltelement auch eine elektrische Unterbrechung erfolgen kann.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungskonverter eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement anzusteuern. Ferner kann die Steuereinrichtung, sofern in dem Gleichrichter des Gleichspannungskonverters ein aktives Schaltelement vorgesehen ist, auch dieses Schaltelement des Gleichspannungskonverters ansteuern. Auf diese Weise kann das Ansteuern der einzelnen Schaltelemente gezielt synchronisiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement zu öffnen und das erste Schaltelement sowie das zweite Schaltelement jeweils abwechselnd getaktet anzusteuern. Ferner kann die Steuereinrichtung in einem zweiten Betriebsmodus das erste Schaltelement öffnen und das vierte Schaltelement schließen. Darüber hinaus können in einem zweiten Betriebsmodus das zweite Schaltelement sowie das dritte Schaltelement jeweils abwechselnd getaktet angesteuert werden. Auf diese Weise kann in den ersten Betriebsmodus eine Gleichspannungswandlung zwischen der Hochvoltseite und der Niedervoltseite auf Grundlage eines sogenannten Flyback- Konverters insbesondere eines Active-clamp Flyback-Wandlers erfolgen und mit derselben Schaltungstopologie in einem weiteren Betriebsmodus kann die Schaltung als Active-clamp Buck- Konverter betrieben werden. Hierdurch kann über einen großen Spannungsbereich hinweg jeweils eine geeignete Ansteuerung des Gleichspannungswandlers erfolgen.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Eingangsspannung am Eingangsanschluss des Gleichspannungskonverters für das Ansteuern im zweiten Betriebsmodus höher, als die Eingangsspannung für das Ansteuern im ersten Betriebsmodus. Die Auswahl eines jeweils geeigneten Betriebsmodus für die Gleichspannungswandlung kann beispielsweise mittels der Steuereinrichtung für das Ansteuern der einzelnen Schaltelemente erfolgen.

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 dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: ein Blockschaubild eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform;

Figur 2: e in Blockschaubild eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform in einem ersten Betriebsmodus; und

Figur 3: ein Blockschaubild eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform in einem zweiten Betriebsmodus.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Gleichspannungskonverters 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungskonverter 1 kann eingangsseitig beispielsweise mit einem Hochvoltnetz 2 verbunden sein. Ausgangsseitig kann der Gleichspannungskonverter 1 beispielsweise mit einem Niedervoltnetz 3 verbunden sein. Zum Anschluss an das Hochvoltnetz kann der Gleichspannungskonverter 1 beispielsweise einen Eingangsanschluss 10 aufweisen. An diesem Eingangsanschluss 10 kann beispielsweise elektrische Energie von einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt werden. Entsprechend liegt an dem Eingangsanschluss 10 eine elektrische Spannung U Jn an. Der Gleichspannungskonverter 1 kann diese Eingangsspannung U Jn in eine weitere elektrische Gleichspannung konvertieren und als Ausgangsgleichspannung U_out an einem Ausgangsanschluss 30 bereitstellen.

Der Gleichspannungskonverter 1 umfasst neben dem Eingangsanschluss 10 und dem Ausgangsanschluss 30 einen Transformator T. Der Transformator T weist eine Primärseite Pri und eine Sekundärseite Sek auf. Weiterhin weist der Gleichspannungskonverter 1 zwischen dem Eingangsanschluss 10 und der Primärseite Pri des Transformators T vier Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4 sowie einen Kondensator C auf. Auf der Sekundärseite Sek des Transformators T ist ein Gleichrichter 40 vorgesehen.

Der Eingangsanschluss 10 des Gleichspannungskonverters 1 umfasst ein erstes Anschlusselement 11 und ein zweites Anschlusselement 12. Zwischen dem ersten Anschlusselement 11 und dem zweiten Anschlusselement 12 kann entsprechend eine Eingangsgleichspannung UJn bereitgestellt werden. Der erste Anschluss 11 des Eingangsanschlusses 10 ist mit einem ersten Anschluss 21 auf der Primärseite Pri des Transformators T verbunden. Zwischen einem zweiten Anschluss 22 auf der Primärseite Pri des Transformators T und dem zweiten Anschlusselement 12 des Eingangsanschluss 10 ist ein erstes Schaltelement S1 angeordnet. Weiterhin ist zwischen dem ersten Anschluss 21 auf der Primärseite Pri des Transformators T und einem Knotenpunkt K ein zweites Schaltelement S2 angeordnet. Zwischen dem Knotenpunkt K und dem zweiten Anschluss 22 auf der Primärseite Pri des Transformators T ist ein Kondensator C angeordnet. Darüber hinaus ist ein erster Anschluss eines dritten Schaltelements S3 mit dem Knotenpunkt K verbunden und ein zweiter Anschluss des dritten Schaltelements S3 ist mit einem ersten Anschluss eines vierten Schaltelements S4 verbunden. Der zweite Anschluss des vierten Schaltelements S4 ist mit dem zweiten Anschlusselement 12 des Eingangsanschluss 10 und somit auch mit dem entsprechenden Anschluss des ersten Schaltelements S1 verbunden.

Wie oben bereits angeführt, ist zwischen der Sekundärseite Sek des Transformators T und dem Ausgangsanschluss 30 des Gleichspannungskonverters 1 ein Gleichrichter 40 vorgesehen. Bei dem Gleichrichter 40 kann es sich beispielsweise um eine passive Diode handeln, welche zwischen einem Anschluss auf der Sekundärseite Sek des Transformators T und einem Anschlusselement des Ausgangsanschluss 30 vorgesehen ist. Alternativ kann auch eine aktive Gleichrichtung mittels eines Schaltelements S5, insbesondere eines Halbleiterschaltelements erfolgen, welches zwischen einem Anschluss auf der Sekundärseite Sek des Transformators T und einem Anschlusselement des Ausgangsanschlusses 30 angeordnet ist. Zur Ansteuerung der Schaltelemente, insbesondere des ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelements S1-S4, sowie gegebenenfalls des Schaltelements in dem Gleichrichter 40 kann eine Steuereinrichtung 50 vorgesehen sein. Das Funktionsprinzip sowie die Schaltfolge für das Ansteuern der Schaltelemente werden nachfolgend näher erläutert.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds des Gleichspannungskonverters 1 in einem ersten Betriebsmodus. In diesem ersten Betriebsmodus kann der Gleichspannungskonverter 1 insbesondere als sogenannter Activ-clamp Flyback- Konverter betrieben werden. Dabei sind in diesem ersten Betriebsmodus das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 geöffnet. Zum besseren Verständnis sind daher das dritte Schaltelement S3 und das vierte Schaltelement S4 hier nicht dargestellt. Durch das Schließen des ersten Schaltelements S1 wird der Transformator T aufmagnetisiert. Das zweite Schaltelement S2 bildet hierbei gemeinsam mit dem Kondensator C eine Clamping-Schaltung. Im weiteren Verlauf werden das erste Schaltelement S1 und das zweite Schaltelement S2 abwechselnd angesteuert. Durch Anpassen der Frequenz und/oder Pulsbreite kann hierbei eine Regelung der Energieübertragung insbesondere der Ausgangsspannung erfolgen.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds des Gleichspannungskonverters 1 in einem zweiten Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus arbeitet der Gleichspannungskonverter 1 als galvanisch getrennter Activ-clamp Buck- Konverter. Dabei ist das erste Schaltelement S1 permanent geöffnet und daher in Figur 3 nicht dargestellt. Weiterhin ist das vierte Schaltelement S4 in diesem Betriebsmodus permanent geschlossen.

Das dritte Schaltelement S3 magnetisiert den Transformator T auf. Auch in diesem Fall besteht die Clamping-Schaltung aus dem zweiten Schaltelement S2 und dem Kondensator C. In dem zweiten Betriebsmodus takten das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3 abwechselnd mit einer vorgegebenen Frequenz und Pulsbreite.

Insbesondere da der Gleichrichter 40 als einfacher, unidirektionaler Gleichrichter ausgeführt ist, ist es für die Konfiguration der Schaltungsanordnung des Gleichspannungskonverters 1 erforderlich, dass sowohl in dem ersten Betriebsmodus als auch im zweiten Betriebsmodus die Aufmagnetisierung des Transformators T jeweils in gleiche Richtung erfolgt. Diese Aufgabe des Aufmagnetisierens übernehmen in dem ersten Betriebsmodus das erste Schaltelement S1 und in dem zweiten Betriebsmodus das dritte Schaltelement S3. In beiden Fällen wird der Transformator T dann entmagnetisiert, wenn die Energie auf die Sekundärseite Sek des Transformators T übertragen wird. Dies erfolgt wenn das erste Schaltelement S1 beziehungsweise das dritte Schaltelement S3 ausgeschaltet werden und entsprechend das zweite Schaltelement S2 eingeschaltet wird.

In dem ersten Betriebsmodus erfährt das erste Schaltelement S1 hierbei eine Spannungsbelastung, welche sich aus der Summe der Eingangsspannung U Jn und dem Produkt aus Ausgangsspannung U_out mit dem Übertragungsverhältnis des Transformators T ergibt. Daher muss das erste Schaltelement S1 eine entsprechend hohe Spannungsfestigkeit aufweisen. Im zweiten Betriebsmodus wird die maximale Spannungsbelastung der Schaltelemente lediglich durch die maximale Eingangsspannung U Jn vorgegeben. Daher ist der zweite Betriebsmodus für höhere Eingangsspannungen U Jn geeignet, während für die niedrigere Eingangsspannungen U Jn der erste Betriebsmodus bevorzugt werden kann.

Beispielsweise kann die beschriebene Schaltungsanordnung für einen Gleichspannungskonverter 1 somit beispielsweise für Traktionsbatterien mit einem relativ niedrigen Spannungsniveau, beispielsweise Spannungen bis hin zu 500 Volt eingesetzt werden. Für eine Gleichspannungswandlung mit höheren Eingangsspannungen, beispielsweise oberhalb von 500 Volt bis hin zu 800 oder gegebenenfalls 1000 Volt kann der gleiche Gleichspannungskonverter 1 in dem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Somit ist mit einem relativ geringen Schaltungsaufwand eine einfache und kostengünstige Gleichspannungswandlung für Eingangsgleichspannung über einen großen Spannungsbereich hinweg möglich.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler zur Energieübertragung von einem Hochvoltnetz in ein Niedervoltnetz. Hierzu wird eine einfache Schaltungskonfiguration vorgeschlagen, welche alternativ als Activ-clamp Flyback- Konverter oder Active- clamp Buck- Konverter betrieben werden kann.