DE102011088457A1 - Circuit device for converting input voltage to output voltage, used in powertrain of motor car, has half-bridge that includes inductor which is connected to bridge tap connected between controllable semiconductor switches - Google Patents

Circuit device for converting input voltage to output voltage, used in powertrain of motor car, has half-bridge that includes inductor which is connected to bridge tap connected between controllable semiconductor switches Download PDF

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DE102011088457A1
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Sebastian Hawliczek
Jan-Michael Grähn
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

The converter (40) has a voltage input pole pair that is connected with a voltage source and provided with input voltage terminals (62, 64). An output voltage pole pair is connected with output voltage and provided with output voltage terminals (66,68). A half-bridge (70) includes two controllable semiconductor switches (72,74), and inductor (78) which is connected to bridge tap (76) connected between semiconductor switches. The half bridge is indirectly connected to the output voltage terminals by a switch arrangement (84). An independent claim is included for a method for converting input voltage into output voltage.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit einem Eingangsspannungspolpaar, das zum Anschließen einer Spannungsquelle einen ersten und einen zweiten Eingangsspannungspol aufweist, und einem Ausgangsspannungspolpaar, das zum Abgreifen der Ausgangsspannung einen ersten und einen zweiten Ausgangsspannungspol aufweist, einer Halbbrücke, die zwei steuerbare Schaltelemente aufweist, und einer Drossel, die mit einem Halbbrückenabgriff verbunden ist, der zwischen den steuerbaren Schaltelementen gebildet ist.The present invention relates to a circuit arrangement for converting an input voltage into an output voltage having an input voltage pole pair, which has a first and a second input voltage pole for connecting a voltage source, and an output voltage pole pair, which has a first and a second output voltage pole, a half bridge, for tapping the output voltage. having two controllable switching elements, and a choke, which is connected to a half-bridge tap formed between the controllable switching elements.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mittels eines Schaltnetzteils, das eine Halbbrücke mit zwei steuerbaren Schaltelementen und eine Drossel aufweist, die mit einem Halbbrückenabgriff verbunden ist, der zwischen den Schaltelementen gebildet ist.Furthermore, the present invention relates to a method for converting an input voltage into an output voltage by means of a switched-mode power supply having a half-bridge with two controllable switching elements and a choke connected to a half-bridge tap formed between the switching elements.

Stand der TechnikState of the art

Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Antriebstechnik ist es allgemein bekannt, eine elektrische Maschine als alleinigen Antrieb oder gemeinsam mit einem Antriebsmotor eines anderen Typs (Hybridantrieb) zu verwenden. Zur Versorgung der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie oder zum Speichern von elektrischer Energie, die von der elektrischen Maschine erzeugt wird, werden üblicherweise Gleichspannungsquellen, wie z.B. Batterien oder Akkumulatoren verwendet. In einer besonderen Ausführungsform können auch Brennstoffzellen als Gleichspannungsquelle dienen. Der Energietransfer von einem oder mehreren Energiespeichern zum elektrischen Triebstrang und zurück muss teilweise über unterschiedliche Spannungsniveaus realisiert werden, da die einzelnen Komponenten ihre volle Leistungsfähigkeit nur in bestimmten Spannungsbereichen erreichen können. Ferner können die Spannungsbereiche insbesondere der Energiespeicher bzw. -quellen über den spezifizierten Temperaturbereich eines Kraftfahrzeugs stark variieren, so dass in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur die Spannungsbereiche individuell angepasst werden müssen.In the field of motor vehicle drive technology, it is generally known to use an electric machine as the sole drive or together with a drive motor of another type (hybrid drive). To supply the electrical machine with electrical energy or to store electrical energy generated by the electrical machine, usually DC sources, e.g. Batteries or accumulators used. In a particular embodiment, fuel cells can also serve as a DC voltage source. The energy transfer from one or more energy stores to the electric drive train and back must be realized in part via different voltage levels, since the individual components can only reach their full capacity in certain voltage ranges. Furthermore, the voltage ranges, in particular of the energy stores or sources, can vary greatly over the specified temperature range of a motor vehicle, so that the voltage ranges must be adapted individually as a function of the operating temperature.

Aus diesem Grund werden meist Gleichspannungswandler verwendet, um den Energiefluss zwischen den unterschiedlichen Komponenten des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen und um die Komponenten mit einem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben. Ein besonderer Vorteil bei dem Einsatz von Gleichspannungswandlern ist es, dass die Spannungsbereiche der einzelnen Komponenten vom restlichen elektrischen System des Kraftfahrzeugs unabhängig werden und somit die bestimmte Komponente ausgetauscht werden kann, ohne das gesamte elektrische System anpassen zu müssen.For this reason, mostly DC-DC converters are used to enable the flow of energy between the different components of the motor vehicle and to operate the components with an optimal efficiency. A particular advantage with the use of DC-DC converters is that the voltage ranges of the individual components of the remaining electrical system of the motor vehicle are independent and thus the specific component can be replaced without having to adjust the entire electrical system.

Sofern sich die Spannungsbereiche am Eingang und am Ausgang des Gleichspannungswandlers überlappen, werden üblicherweise Wandler verwendet, bei denen der elektrische Strom über zwei Leistungsschalter fließt. Derartige Gleichspannungswandler mit überlappenden Spannungsbereichen weisen ferner einen reduzierten Wirkungsgrad auf, da die zwei stromführenden Leistungsschalter hohe ohmsche und hohe Schaltverluste aufweisen.If the voltage ranges at the input and the output of the DC-DC converter overlap, usually converters are used in which the electric current flows through two power switches. Such DC-DC converters with overlapping voltage ranges also have a reduced efficiency, since the two current-carrying circuit breakers have high ohmic and high switching losses.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Spannungswandler bereitzustellen, der überlappende Spannungsbereiche abdeckt und gleichzeitig einen flexiblen Energietransfer ermöglicht. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Verfahren anzugeben.It is therefore the object of the present invention to provide an improved voltage converter which covers overlapping voltage ranges and at the same time enables flexible energy transfer. It is a further object of the present invention to provide a corresponding method.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die o.a. Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Halbbrücke mittels einer Schalteranordnung wenigstens mittelbar entweder mit dem ersten Eingangsspannungspol oder dem ersten Ausgangsspannungspol verbindbar ist. Insbesondere umfasst die Halbbrücke eine Serienschaltung zweier Schaltelemente. Und insbesondere ist die Halbbrücke zwischen den zweiten Eingangsspannungspol oder den zweiten Ausgangsspannungspol und der Schalteranordnung geschaltet. The o.a. The object is achieved by a circuit arrangement of the type mentioned for converting an input voltage into an output voltage, in particular for a motor vehicle, wherein the half-bridge is connected by means of a switch arrangement at least indirectly either with the first input voltage pole or the first output voltage pole. In particular, the half-bridge comprises a series connection of two switching elements. And in particular, the half-bridge is connected between the second input voltage pole or the second output voltage pole and the switch arrangement.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, wobei die Halbbrücke mittels einer Schaltungsanordnung wenigstens mittelbar entweder mit einem Eingangsspannungspol oder einem Ausgangsspannungspol verbunden wird.The object is further achieved by a method of the aforementioned type, wherein the half-bridge is connected by means of a circuit arrangement at least indirectly either with an input voltage pole or an output voltage pole.

Unter einer mittelbaren Verbindung wird vorliegend eine elektrische Verbindung zu einem Spannungspol bzw. einem elektrischen Potential verstanden, wobei das entsprechende Element entweder direkt mit dem Spannungspol bzw. dem Spannungspotential verbunden ist oder über weitere elektrische Komponenten mit dem entsprechenden Spannungspol bzw. dem Spannungspotential verbunden ist.In the present case, an indirect connection means an electrical connection to a voltage pole or an electrical potential, wherein the corresponding element is either connected directly to the voltage pole or the voltage potential or is connected to the corresponding voltage pole or the voltage potential via further electrical components.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die vorliegende Erfindung kann eine Schaltungsanordnung und insbesondere ein Gleichspannungswandler bereitgestellt werden, um sowohl einen Energietransfer vom Eingang zum Ausgang als auch vom Ausgang zum Eingang zu realisieren. Insbesondere ist die Schaltungsanordnung für einen Energietransfer zwischen an den Eingang und an den Ausgang angeschlossene Stromkreise oder Komponenten geeignet, deren Spannungsbereiche sich überlappen. Mit anderen Worten kann der Gleichspannungswandler als Hochsetzsteller, bei dem die Ausgangsspannung größer ist als die Eingangsspannung und als Tiefsetzsteller, bei dem die Ausgangsspannung geringer ist als die Eingangsspannung eingesetzt werden und einen Stromfluss sowohl in Richtung des Wandlerausgangs als auch in Richtung des Wandlereingangs realisieren, wodurch ein Energietransfer in beiden Richtungen möglich ist. Durch den besonderen Aufbau ist die erfingungsgemäße Schaltungsanordnung flexibel einsetzbar, kann bei sich überlappenden Spannungsbereichen am Eingang und Ausgang eingesetzt werden und gleichzeitig einen Energietransfer in beide Richtungen realisieren.By the present invention, a circuit arrangement and in particular a DC-DC converter can be provided in order to provide both an energy transfer from the input to the output also from the exit to the entrance. In particular, the circuit arrangement is suitable for energy transfer between circuits or components connected to the input and the output whose voltage ranges overlap. In other words, the DC-DC converter can be used as a step-up converter, in which the output voltage is greater than the input voltage and as step-down converter, in which the output voltage is less than the input voltage and realize a current flow both in the direction of the converter output and in the direction of the converter input an energy transfer in both directions is possible. Due to the special structure of the invention erfingungsgemäße circuit arrangement can be used flexibly, can be used at overlapping voltage ranges at the input and output and simultaneously realize an energy transfer in both directions.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Schalteranordnung mit der Drossel verbunden und dazu ausgebildet, die Drossel wenigstens mittelbar entweder mit dem ersten Eingangsspannungspol oder dem ersten Ausgangsspannungspol zu verbinden. Dabei ist insbesondere die Drossel zwischen den Halbbrückenabgriff der Halbbrücke, der zwischen den beiden Schaltelementen der Halbbrücke angeordnet ist, und der zweiten Schalteranordnung geschaltet.In a preferred embodiment, a second switch assembly is connected to the inductor and configured to at least indirectly connect the inductor to either the first input voltage pole or the first output voltage pole. In particular, the choke is connected between the half-bridge tap of the half-bridge, which is arranged between the two switching elements of the half-bridge, and the second switch arrangement.

Dadurch wird lediglich einer der steuerbaren Schalter der Halbbrücke bestromt, wodurch die Ohmschen und Schaltverluste in der Schaltungsanordnung reduziert sind.As a result, only one of the controllable switches of the half-bridge is energized, whereby the ohmic and switching losses are reduced in the circuit arrangement.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die erste und die zweite Schalteranordnung dazu ausgebildet sind, in einer ersten Schalterstellung die Halbbrücke mit dem ersten Eingangsspannungspol und die Drossel mit dem ersten Ausgangsspannungspol und in einer zweiten Schalterstellung die Halbbrücke mit dem ersten Ausgangsspannungspol und die Drossel mit dem ersten Eingangsspannungspol wenigstens mittelbar zu verbinden.It is further preferred that the first and the second switch arrangement are designed, in a first switch position, the half-bridge with the first input voltage pole and the inductor with the first output voltage pole and in a second switch position the half-bridge with the first output voltage pole and the inductor with the first Input voltage pole to connect at least indirectly.

Dadurch kann mit geringem technischen Aufwand zwischen der Funktion eines Hochsetzstellers und der Funktion eines Tiefsetzstellers umgeschaltet werden.This can be switched with little technical effort between the function of a boost converter and the function of a buck converter.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die erste und die zweite Schalteranordnung jeweils wenigstens einen Schalter aufweisen, wobei die Schalter als steuerbare mechanische Schalter, insbesondere als Relais oder Schütze ausgebildet sind.It is further preferred if the first and the second switch arrangement each have at least one switch, wherein the switches are designed as controllable mechanical switches, in particular as relays or contactors.

Dadurch ist die Schalteranordnung mit einfachen technischen Mitteln realisierbar, wodurch gleichzeitig die Ohmschen Verluste und die Schaltverluste in der Schalteranordnung reduziert sind.As a result, the switch arrangement can be realized with simple technical means, whereby at the same time the ohmic losses and the switching losses in the switch arrangement are reduced.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die erste und die zweite Schalteranordnung jeweils zwei Schalter, insbesondere mechanisch gekoppelte Schalter, aufweisen, wobei jeweils einer der Schalter mit der Halbbrücke und jeweils ein anderer der Schalter mit der Drossel verbunden ist, um durch Takten also wechselndes Öffnen bzw. Schließen der Schalter der Schalteranordnung die Halbbrücke oder die Drossel mit dem ersten Eingangsspannungspol oder dem ersten Ausgangsspannungspol zu verbinden.It is further preferred if the first and the second switch arrangement each have two switches, in particular mechanically coupled switches, wherein in each case one of the switches is connected to the half bridge and another one of the switches is connected to the choke in order to open or close by clocking Close the switches of the switch assembly to connect the half-bridge or the choke with the first input voltage pole or the first output voltage pole.

Dadurch ist ein schnelles Umschalten zwischen der ersten und zweiten Schalterstellung möglich, da die Schaltwege von separaten Schaltern gegenüber einem kombinierten Schalter verkürzt sind. As a result, a rapid switching between the first and second switch position is possible because the switching paths are shortened by separate switches compared to a combined switch.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind der zweite Eingangsspannungspol und der zweite Ausgangsspannungspol elektrisch miteinander verbunden und bilden einen Massepol.In a preferred embodiment, the second input voltage pole and the second output voltage pole are electrically connected together and form a ground pole.

Dadurch kann ein Bezugspotential von angeschlossenen Komponenten mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden werden.As a result, a reference potential of connected components can be connected to the reference potential of the circuit arrangement.

Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Halbbrücke mit dem zweiten Eingangsspannungspol und/oder mit dem zweiten Ausgangsspannungspol verbunden ist.It is further preferred if the half-bridge is connected to the second input voltage pole and / or to the second output voltage pole.

Dadurch ist die Schaltungsanordnung mit technisch geringem Aufwand realisierbar und es kann gleichzeitig ein Bezugspotential für die Halbbrücke bereitgestellt werden.As a result, the circuit arrangement can be realized with little technical effort and at the same time a reference potential for the half-bridge can be provided.

Beispielsweise können die Schaltelemente als Halbleiterschalter, insbesondere als MOS-Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren, IGBT oder Thyristoren ausgebildet sein.For example, the switching elements may be formed as semiconductor switches, in particular as MOS field-effect transistors, bipolar transistors, IGBT or thyristors.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die Halbbrücke derart ausgebildet ist, dass einer der Halbleiterschalter in einem Taktbetrieb ansteuerbar ist während der andere der Halbleiterschalter gesperrt ist, um einen elektrischen Strom vom Spannungseingang zum Spannungsausgang oder umgekehrt zu treiben.It is preferred if the half-bridge is designed such that one of the semiconductor switches can be driven in a clock mode while the other of the semiconductor switches is disabled in order to drive an electrical current from the voltage input to the voltage output or vice versa.

Dadurch ist mit einer einfachen Ansteuerung der Schaltelemente entweder ein Stromfluss in Ausgangsrichtung oder aber ein Stromfluss in Eingangsrichtung realisierbar, wodurch gleichzeitig auch ein Energietransfer in Ausgangs- oder in Eingangsrichtung realisierbar ist.As a result, with a simple control of the switching elements, either a current flow in the output direction or else a current flow in the input direction can be realized, as a result of which an energy transfer in the output or in the input direction can also be realized.

Es ist möglich, die Halbleiterschalter in einem Gegentakt zu betreiben, um einen elektrischen Strom vom Einganspannungspolpaar zum Ausgangsspannungspolpaar oder umgekehrt zu treiben.It is possible to operate the semiconductor switches in a push-pull to generate an electric current from the input voltage pair to the output voltage pair, or vice versa.

Durch eine derartige Ansteuerung der Schaltelemente ist ein Stromfluss in Ausgangs- und in Eingangsrichtung realisierbar, ohne dass die Ansteuerung der Schalteranordnung umgeschaltet werden muss.By such a control of the switching elements, a current flow in the output and in the input direction can be realized, without having to switch the control of the switch assembly.

Im Allgemeinen können somit mit einfachen Mitteln die Größen Spannung und Strom am Eingang und Ausgang geregelt werden.In general, therefore, the variables voltage and current at the input and output can be controlled by simple means.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang eingesetzt werden, wobei der Antriebsstrang eine elektrische Maschine zum Bereitstellen von mechanischer Antriebsleistung und eine Spannungsquelle zum Bereitstellen von elektrischer Leistung aufweist. The circuit arrangement according to the invention can preferably be used in a motor vehicle drive train, wherein the drive train has an electrical machine for providing mechanical drive power and a voltage source for providing electrical power.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1a–d zeigen in schematischer Form Anwendungsbeispiele für einen Gleichspannungswandler; 1a -D show in schematic form application examples for a DC-DC converter;

2 zeigt einen bidirektionalen Gleichspannungswandler nach Stand der Technik; 2 shows a bidirectional DC-DC converter according to the prior art;

3 zeigt einen unidirektionalen Gleichspannungswandler nach Stand der Technik; 3 shows a prior art unidirectional DC-DC converter;

4 zeigt einen erfindungsgemäßen bidirektionalen Gleichspannungswandler; 4 shows a bidirectional DC-DC converter according to the invention;

5 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen bidirektionalen Gleichspannungswandler; und 5 shows a further bidirectional DC-DC converter according to the invention; and

6 zeigt eine Tabelle von möglichen Ansteuerungsmodi der Gleichspannungswandler aus 4 und 5. 6 shows a table of possible drive modes of the DC-DC converter 4 and 5 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1a ist ein Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beispielhaft dargestellt. In 1a ist ein Gleichspannungswandler dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Der Gleichspannungswandler 10 ist über Eingangsanschlüsse 12 mit einer Gleichspannungsquelle oder Senke 14 verbunden. Der Gleichspannungswandler 10 ist über Ausgangsanschlüsse 16 mit einer Gleichspannungsquelle oder Senke 18 verbunden. Die Gleichspannungsquellen oder Senken 14, 18 dienen dazu, Gleichspannungen bereitzustellen bzw. elektrische Leistung in Form von Gleichspannung bzw. Gleichstrom aufzunehmen. An den Eingangsanschlüssen des Gleichspannungswandlers 10 liegt eine Eingangsspannung UIN an und an den Ausgangsanschlüssen 16 liegt eine Ausgangsspannung UOUT an.In 1a An example of an application of the present invention is exemplified. In 1a a DC-DC converter is shown and generally with 10 designated. The DC-DC converter 10 is via input connections 12 with a DC voltage source or sink 14 connected. The DC-DC converter 10 is via output connections 16 with a DC voltage source or sink 18 connected. The DC voltage sources or sinks 14 . 18 serve to provide DC voltages or to record electrical power in the form of DC or DC. At the input terminals of the DC-DC converter 10 is an input voltage U IN and at the output terminals 16 is an output voltage U OUT .

Die Gleichspannungsquellen 14, 18 stellen je nach Schaltung eine entsprechende Gleichspannung bereit oder nehmen elektrische Leistung in Form einer Spannung und eines Stroms auf. Der Gleichspannungswandler 10 dient dabei dazu, die Eingangsspannung UIN in die Ausgangsspannung UOUT oder umgekehrt zu wandeln, um die beiden Gleichspannungsquellen oder Senken 14, 18 aneinander anzupassen. Dabei kann die Eingangsspannung UIN größer oder kleiner sein als die Ausgangsspannung UOUT.The DC voltage sources 14 . 18 Depending on the circuit provide a corresponding DC voltage or receive electrical power in the form of a voltage and a current. The DC-DC converter 10 serves to convert the input voltage U IN in the output voltage U OUT or vice versa, to the two DC voltage sources or sinks 14 . 18 to adapt to each other. In this case, the input voltage U IN may be greater or less than the output voltage U OUT .

In 1b ist ein weiteres Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Gleichspannungswandler 10 ist dabei zwischen die Gleichspannungsquelle oder Senke 14 und einen Wechselrichter 20 einer elektrischen Maschine 22 geschaltet. Der Wechselrichter 20 ist an die Ausgangsanschlüsse 16 angeschlossen und wird mit der Gleichspannung UOUT versorgt. Der Wechselrichter 20 dient dazu, die Gleichspannung UOUT in eine Wechselspannung 24 zu wandeln, um die elektrische Maschine 22 in diesem speziellen Fall dreiphasig mit elektrischer Energie zu versorgen. In 1b is another application example of the present invention shown. The DC-DC converter 10 is between the DC voltage source or sink 14 and an inverter 20 an electric machine 22 connected. The inverter 20 is to the output terminals 16 connected and is supplied with the DC voltage U OUT . The inverter 20 serves to the DC voltage U OUT in an AC voltage 24 to convert to the electric machine 22 in this particular case to supply three-phase with electrical energy.

Der Gleichspannungswandler 10 dient dabei wie in 1a dazu, die Eingangsspannung UIN in die Ausgangsspannung UOUT zu wandeln. Dabei kann die Ausgangsspannung UOUT nahezu beliebig eingestellt werden auf einen Wert, der von dem Wechselrichter 20 und der elektrischen Maschine 22 benötigt wird, unabhängig davon, welche Eingangsspannung UIN von der Gleichspannungsquelle oder Senke 14 bereitgestellt wird. The DC-DC converter 10 serves as in 1a to convert the input voltage U IN into the output voltage U OUT . In this case, the output voltage U OUT can be set almost arbitrarily to a value that of the inverter 20 and the electric machine 22 is needed, regardless of what input voltage U IN from the DC source or sink 14 provided.

In 1c ist eine Ausführungsform des Anwendungsbeispiels aus 1b gezeigt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert werden. An die Ausgangsanschlüsse 16 ist eine weitere Gleichspannungsquelle oder Senke 26 angeschlossen. Diese Gleichspannungsquelle oder Senke 26 kann dabei elektrische Energie von den Ausgangsanschlüssen 16 aufnehmen oder aber elektrische Energie an die Ausgangsanschlüsse 16 abgeben, um entweder durch die Ausgangsspannung UOUT versorgt zu werden oder aber den Wechselrichter 20 oder die Gleichspannungsquelle oder Senke 14 mit elektrischer Energie zu versorgen. In 1c is an embodiment of the application example from 1b shown. Identical elements are designated by the same reference numerals, with only the differences being explained here. To the output terminals 16 is another DC source or sink 26 connected. This DC voltage source or sink 26 can use electrical energy from the output terminals 16 or electrical energy to the output terminals 16 to be supplied either by the output voltage U OUT or the inverter 20 or the DC source or sink 14 to supply with electrical energy.

Die Gleichspannungsquellen oder Senken 14, 18, 26 können dabei beispielsweise als Batterie oder Akkumulator ausgebildet sein und demnach je nach Ausführung sowohl elektrische Energie abgeben als auch aufnehmen. Als reine Gleichspannungsquelle kann auch eine Brennstoffzelle zur Anwendung kommen.The DC voltage sources or sinks 14 . 18 . 26 can be designed for example as a battery or accumulator and therefore depending on the version both deliver electrical energy and record. As a pure DC voltage source, a fuel cell can also be used.

In 1d ist ein weiteres Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung allgemein dargestellt. Dieses Anwendungsbeispiel zeigt einen Brennstoffzellenhybridantrieb. Ein Brennstoffzellenhybridantrieb ist üblicherweise ein elektrischer Antrieb mit zwei Energiequellen, wobei eine der Energiequellen als Brennstoffzelle und eine der Energiequellen als Batterie oder Akkumulator ausgebildet ist. In 1d Another example of the present invention is generally illustrated. This application example shows a fuel cell hybrid drive. A fuel cell hybrid drive is usually an electric drive with two energy sources, wherein one of the energy sources is designed as a fuel cell and one of the energy sources as a battery or accumulator.

Der Brennstoffzellenhybridantrieb in 1d ist allgemein mit 30 bezeichnet. Der Brennstoffzellenhybridantrieb 30 weist eine Batterie 32 auf, die über die Eingangsanschlüsse 12 mit dem Gleichspannungswandler 10 verbunden ist. Der Brennstoffzellenhybridantrieb 30 weist ferner eine Brennstoffzelle 34 auf, die mit den Ausgangsanschlüssen 16 verbunden ist. An den Ausgangsanschlüssen 16 ist ferner der Wechselrichter 20 angeschlossen, der die elektrische Maschine 22 dreiphasig mit elektrischer Energie versorgt. The fuel cell hybrid drive in 1d is generally with 30 designated. The fuel cell hybrid drive 30 has a battery 32 on, via the input terminals 12 with the DC-DC converter 10 connected is. The fuel cell hybrid drive 30 also has a fuel cell 34 on that with the output terminals 16 connected is. At the output terminals 16 is also the inverter 20 connected to the electric machine 22 three-phase supplied with electrical energy.

Der Gleichspannungswandler 10 dient dazu, die von der Batterie 32 bereitgestellte Spannung UIN in die von dem Wechselrichter 20 und der elektrischen Maschine 22 oder von der Batterie 24 benötigten Ausgangsspannung UOUT zu wandeln. Der Gleichspannungswandler 10 kann dabei flexibel als Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller betrieben werden in Abhängigkeit der Eingangsspannung UIN, die von der Batterie 32 bereitgestellt wird oder der Ausgangsspannung UOUT, die von dem Wechselrichter 20 oder der Brennstoffzelle 34 benötigt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzelle 34 als Brennstoffzellenstapel ausgebildet. The DC-DC converter 10 serves to remove the battery 32 provided voltage U IN in the of the inverter 20 and the electric machine 22 or from the battery 24 required output voltage U OUT to convert. The DC-DC converter 10 can be operated flexibly as boost converter or buck converter depending on the input voltage U IN , that of the battery 32 or the output voltage U OUT supplied by the inverter 20 or the fuel cell 34 is needed. In a preferred embodiment, the fuel cell is 34 designed as a fuel cell stack.

In 2 ist ein bidirektionaler Gleichspannungswandler aus dem Stand der Technik dargestellt und allgemein mit 42 bezeichnet. Der Gleichspannungswandler 42 weist Eingangsanschlüsse 44, 46 und Ausgangsanschlüsse 48, 50 auf, um die Eingangsspannung UIN anzuschließen und die Ausgangsspannung UOUT bereitzustellen. Zwischen die Eingangsanschlüsse 44, 46 und Ausgangsanschlüsse 48, 50 des Gleichspannungswandler 42 sind zwei Halbbrücken 52, 54 geschaltet, die jeweils eine Serienschaltung zweier steuerbarer Halbleiterschalter mit jeweils einer Diode umfassen. Die Halbbrücken 52, 54 weisen zwischen den zwei steuerbaren Halbleiterschaltern jeweils einen Halbbrückenabgriffen 56, 58 auf. Die Halbbrückenabgriffen 56, 58 sind mittels einer Drossel 60 miteinander verbunden. In 2 is a bidirectional DC-DC converter from the prior art shown and generally with 42 designated. The DC-DC converter 42 has input connections 44 . 46 and output terminals 48 . 50 to connect the input voltage U IN and provide the output voltage U OUT . Between the input terminals 44 . 46 and output terminals 48 . 50 of the DC-DC converter 42 are two half-bridges 52 . 54 connected, each comprising a series connection of two controllable semiconductor switches each having a diode. The half bridges 52 . 54 each have a half-bridge taps between the two controllable semiconductor switches 56 . 58 on. The half bridge taps 56 . 58 are by means of a throttle 60 connected with each other.

Die Halbleiterschalter der Halbbrücken 52, 54, die zwischen den Halbbrückenabgriffen 56, 58 und dem ersten Eingangsspannungspol 44 oder dem ersten Ausgangspannungspol 48 geschaltet sind, werden als obere Halbleiterschalter bezeichnet. Die Halbleiterschalter der Halbbrücken 52, 54, die zwischen den Halbbrückenabgriffen 56, 58 und dem zweiten Eingangsspannungspol 46 oder dem zweiten Ausgangspannungspol 50 geschaltet sind, werden als untere Halbleiterschalter bezeichnet. Die Halbleiterschalter der Halbbrücken 52, 54 werden entweder im Taktbetrieb angesteuert oder gesperrt bzw. durchgeschaltet, um die Ausgangsspannung UOUT einzustellen. Sofern die Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke 52 oder der zweiten Halbbrücke 54 im Gegentaktbetrieb angesteuert werden, ist ein Stromfluss sowohl in Richtung der Ausgangsanschlüsse als auch in Richtung der Eingangsanschlüsse möglich. Grundsätzlich ist die Ausgangsspannung UOUT durch den Gleichspannungswandler 42 so einstellbar, dass sie größer ist als die Eingangsspannung UIN oder kleiner als die Eingangsspannung UIN. Nachteilig bei dem Gleichspannungswandler 42 aus 2 ist es, dass grundsätzlich zwei Halbleiterschalter einen elektrischen Strom führen und somit hohe Ohmsche bzw. hohe Schaltverluste aufweisen. Der allgemeine Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 42 ist demnach reduziert.The semiconductor switches of half-bridges 52 . 54 between the half bridge taps 56 . 58 and the first input voltage pole 44 or the first output voltage pole 48 are connected, are referred to as upper semiconductor switch. The semiconductor switches of half-bridges 52 . 54 between the half bridge taps 56 . 58 and the second input voltage pole 46 or the second output voltage pole 50 are connected, are referred to as lower semiconductor switch. The semiconductor switches of half-bridges 52 . 54 are either driven in clock mode or disabled or switched to adjust the output voltage U OUT . If the semiconductor switches of the first half-bridge 52 or the second half bridge 54 be controlled in push-pull operation, a current flow is possible both in the direction of the output terminals and in the direction of the input terminals. Basically, the output voltage U OUT is through the DC-DC converter 42 adjustable so that it is greater than the input voltage U IN or less than the input voltage U IN . A disadvantage of the DC-DC converter 42 out 2 It is that in principle two semiconductor switches conduct an electric current and thus have high ohmic or high switching losses. The general efficiency of the DC-DC converter 42 is therefore reduced.

In 3 ist eine alternative Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 42 gezeigt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, wobei hier lediglich die Unterschiede dargestellt werden. In 3 is an alternative embodiment of the DC-DC converter 42 shown. The same elements are provided with the same reference numerals, with only the differences being shown here.

Jeweils einer der zwei Halbleiterschalter mit Diode der zwei Halbbrücken ist in dieser Ausführungsform durch Dioden ersetzt. Auf der Eingangsseite ist der untere Halbleiterschalter der Serienschaltung der zwei Halbleiterschalter zwischen den Eingangsanschlüsse 44, 46 mittels einer Diode ersetzt, auf der Ausgangsseite ist der obere Halbleiterschalter der Serienschaltung der zwei Halbleiterschalter zwischen den Ausgangsanschlüsse 48, 50 mittels einer Diode ersetzt. Dadurch ist der Gleichspannungswandler 42 lediglich ein unidirektionaler Wandler, also es ist lediglich ein Stromfluss in Richtung der Ausgangsanschlüsse 48, 50 realisierbar. Auch bei dieser Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 42 gemäß dem Stand der Technik führen stets die beiden Halbleiterschalter einen elektrischen Strom, wodurch der Wirkungsgrad im Allgemeinen reduziert ist.In each case one of the two semiconductor switches with diode of the two half-bridges is replaced by diodes in this embodiment. On the input side, the lower semiconductor switch is the series connection of the two semiconductor switches between the input terminals 44 . 46 replaced by a diode, on the output side is the upper semiconductor switch of the series connection of the two semiconductor switches between the output terminals 48 . 50 replaced by a diode. This is the DC-DC converter 42 only a unidirectional converter, so it is only a current flow in the direction of the output terminals 48 . 50 realizable. Also in this embodiment of the DC-DC converter 42 According to the prior art always lead the two semiconductor switches an electric current, whereby the efficiency is generally reduced.

In 4 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 40 dargestellt. Der Gleichspannungswandler 40 weist einen ersten Eingangsanschlusspol 62 und einen zweiten Eingangsanschlusspol 64 sowie einen ersten Ausgangsanschlusspol 66 und einen zweiten Ausgangsanschlusspol 68 auf. Der zweite Eingangsanschlusspol 64 und der zweite Ausgangsanschlusspol 68 sind elektrisch miteinander verbunden und bilden einen negativen Spannungspol bzw. ein Bezugspotential für den Gleichspannungswandler 40. Der Gleichspannungswandler weist eine Halbbrücke 70 auf, die eine Serienschaltung mit einem ersten Halbleiterschalter 72 und einem zweiten Halbleiterschalter 74 umfasst. Ein Halbbrückenabgriff 76, der zwischen dem ersten Halbleiterschalter 72 und dem zweiten Halbleiterschalter 74 gebildet ist, ist mit einer Drossel 78 verbunden. Der Halbleiterschalter 74 ist zwischen den Halbbrückenabgriff 76 und dem zweiten Eingangsanschlusspol 64 geschaltet, der mit dem zweiten Ausgangsanschlusspol 68 elektrisch verbunden ist. Der Halbleiterschalter 72 ist zwischen den Halbbrückenabgriff 76 und einen Versorgungsspannungsanschluss 80 geschaltet, der mit zwei Schalteranordnungen 82, 84 verbunden ist, über die der Versorgungsspannungsanschluss 80 und somit die Halbbrücke 70 entweder mit dem ersten Eingangsanschlusspol 62 oder dem ersten Ausgangsanschlusspol 66 verbindbar ist. Die Drossel 78 ist ferner zwischen den Halbbrückenabgriff 76 und sowohl der Schalteranordnung 82 als auch der Schalteranordnung 84 geschaltet. Somit ist die Drossel 78 entweder mit dem ersten Eingangsanschlusspol 62 oder dem ersten Ausgangsanschlusspol 66 verbindbar.In 4 is a first embodiment of the DC-DC converter according to the invention 40 shown. The DC-DC converter 40 has a first input terminal pole 62 and a second input terminal pole 64 and a first output terminal pole 66 and a second output terminal pole 68 on. The second input terminal pole 64 and the second output terminal pole 68 are electrically connected to each other and form a negative voltage pole or a reference potential for the DC-DC converter 40 , The DC-DC converter has a half-bridge 70 on, which is a series circuit with a first semiconductor switch 72 and a second one Semiconductor switches 74 includes. A half-bridge tap 76 that is between the first semiconductor switch 72 and the second semiconductor switch 74 is formed with a throttle 78 connected. The semiconductor switch 74 is between the half-bridge tap 76 and the second input terminal pole 64 connected to the second output terminal pole 68 electrically connected. The semiconductor switch 72 is between the half-bridge tap 76 and a supply voltage terminal 80 Switched, with two switch arrangements 82 . 84 connected via the supply voltage connection 80 and thus the half bridge 70 either with the first input terminal pole 62 or the first output terminal pole 66 is connectable. The throttle 78 is also between the half-bridge tap 76 and both the switch assembly 82 as well as the switch assembly 84 connected. Thus, the throttle is 78 either with the first input terminal pole 62 or the first output terminal pole 66 connectable.

Die Schalteranordnung 82 weist jeweils zwei mechanische, insbesondere mechanisch gekoppelte, Schalter 86, 88 auf, die als Relais oder Schütze ausgebildet sein können. Die Schalteranordnung 84 weist jeweils zwei mechanische, insbesondere mechanisch gekoppelte, Schalter 90, 92 auf, die als Relais oder als Schütze ausgebildet sein können.The switch arrangement 82 has two mechanical, in particular mechanically coupled, switches 86 . 88 on, which can be designed as a relay or contactors. The switch arrangement 84 has two mechanical, in particular mechanically coupled, switches 90 . 92 on, which can be designed as a relay or as a contactor.

Durch Öffnen bzw. Schließen der Schalter 86, 88 der ersten Schalteranordnung 82 und der Schalter 90, 92 der zweiten Schalteranordnung 84 ist entweder die Drossel 78 mit dem ersten Eingangsanschlusspol 62 und gleichzeitig die Halbbrücke 70 mit dem ersten Ausgangsanschlusspol 66 verbindbar oder die Drossel 78 mit dem ersten Ausgangsanschlusspol 66 und die Halbbrücke 70 mit dem ersten Eingangsanschluss 62 verbindbar.By opening or closing the switch 86 . 88 the first switch arrangement 82 and the switch 90 . 92 the second switch arrangement 84 is either the throttle 78 with the first input terminal pole 62 and at the same time the half bridge 70 with the first output terminal pole 66 connectable or the throttle 78 with the first output terminal pole 66 and the half bridge 70 with the first input terminal 62 connectable.

Dadurch ist je nach Schalterstellung der Schalteranordnungen 82, 84 entweder die Ausgangsspannung UOUT bereitstellbar, die größer ist als die Eingangsspannung UIN oder die kleiner ist als die Eingangsspannung UIN. Ferner ist über die Art der Ansteuerung der Halbleiterschalter 72, 74 ein Stromfluss entweder in Richtung der Ausgangsanschlusspole 66, 68 oder in Richtung der Eingangsanschlusspole 62, 64 möglich. Dabei ist UIN < UOUT, wenn die Schalter 86, 88 geschlossen sind und UIN > UOUT, wenn die Schalter 90, 92 geschlossen sind. Die unterschiedlichen Ansteuerungsarten und Schalterstellungen der Schalteranordnungen 82, 84 sind in einer Tabelle in 6 dargestellt.As a result, depending on the switch position of the switch assemblies 82 . 84 either the output voltage U OUT can be provided, which is greater than the input voltage U IN or which is smaller than the input voltage U IN . Furthermore, on the type of driving the semiconductor switch 72 . 74 a current flow either in the direction of the output terminal poles 66 . 68 or in the direction of the input terminal poles 62 . 64 possible. Where U IN <U OUT , if the switches 86 . 88 are closed and U IN > U OUT when the switches 90 . 92 are closed. The different types of control and switch positions of the switch assemblies 82 . 84 are in a table in 6 shown.

Auf diese Weise wird ein Gleichspannungswandler bereitgestellt, bei dem lediglich einer der Halbleiterschalter 72, 74 den Stromfluss trägt und durch die Verwendung von mechanischen Schaltern 86, 88, 90, 92 sind die Ohmschen und die Schaltverluste des Gleichspannungswandlers 40 reduziert, wodurch der Gesamtwirkungsgrad erhöht ist. In 5 ist eine alternative Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 40 dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert werden.In this way, a DC-DC converter is provided in which only one of the semiconductor switches 72 . 74 carries the current flow and through the use of mechanical switches 86 . 88 . 90 . 92 are the ohmic and the switching losses of the DC-DC converter 40 reduced, whereby the overall efficiency is increased. In 5 is an alternative embodiment of the DC-DC converter 40 shown. The same elements are designated by like reference numerals, only the differences being explained here.

Der Gleichspannungswandler 40 aus 5 weist einen ersten Wechselschalter 94 und einen zweiten Wechselschalter 96 auf. Die Wechselschalter 94, 96 sind als mechanische, insbesondere mechanisch gekoppelte, Wechselschalter ausgebildet. Die Drossel 78 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Halbbrückenabgriff 76 und den ersten Wechselschalter 94 geschaltet. Somit ist die Drossel 78 je nach Schalterstellung entweder mit dem ersten Eingangsanschlusspol 62 oder dem ersten Ausgangsanschlusspol 66 verbunden. Der Versorgungsspannungsanschluss 80, und somit die Halbbrücke 70, ist mit dem Wechselschalter 96 verbunden. Je nach Schalterstellung ist somit der Versorgungsspannungsanschluss 80, und somit die Halbbrücke 70, entweder mit dem ersten Eingangsanschlusspol 62 oder dem ersten Ausgangsanschlusspol 66 verbindbar.The DC-DC converter 40 out 5 has a first changeover switch 94 and a second changeover switch 96 on. The changeover switch 94 . 96 are designed as mechanical, in particular mechanically coupled, changeover switch. The throttle 78 is in this embodiment between the half-bridge tap 76 and the first changeover switch 94 connected. Thus, the throttle is 78 depending on switch position either with the first input terminal pole 62 or the first output terminal pole 66 connected. The supply voltage connection 80 , and thus the half bridge 70 , is with the changeover switch 96 connected. Depending on the switch position is thus the supply voltage connection 80 , and thus the half bridge 70 , either with the first input terminal pole 62 or the first output terminal pole 66 connectable.

Durch die Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 40 aus 5 sind dieselben Vorteile wie bei der Ausführungsform aus 4 erreichbar, wobei der technische Aufwand durch die beiden Wechselschalter 94, 96 gegenüber der Ausführungsform aus 4 reduziert ist.By the embodiment of the DC-DC converter 40 out 5 are the same advantages as in the embodiment of 4 achievable, with the technical complexity of the two changeover switch 94 . 96 from the embodiment 4 is reduced.

In 6 ist eine Tabelle dargestellt, die die möglichen Ansteuerungsarten der Schaltelemente und Schalterstellungen des Gleichspannungswandlers 40 aus 4 und 5 zeigt und allgemein mit 98 bezeichnet. In 6 is a table showing the possible types of driving the switching elements and switch positions of the DC-DC converter 40 out 4 and 5 shows and generally with 98 designated.

Die Tabelle 98 zeigt für die beiden Ausführungsformen aus 4 und 5 jeweils, ob die Ausgangsspannung UOUT größer oder kleiner als die Eingangsspannung UIN ist und ob der Stromfluss in Richtung der Ausgangsanschlusspole 66, 68 oder in Richtung der Eingangsanschlusspole 62, 64 getrieben wird. Diese Varianten sind für unterschiedliche Ansteuerungsvarianten der Halbleiterschalter 72, 74 dargestellt, die hier als S1 und S2 bezeichnet sind. Die Schalter 72, 74 werden mittels einer variablen Frequenz angesteuert und insbesondere mittels eines frequenzmodulierten und/oder pulsweitenmodulierten Signals. Sofern die Schalter 72, 74 in einer beispielhaften Ausführungsform des Betriebs mit variabler Frequenz mittels eines pulsweiten modulierten Signals angesteuert werden, ist dies mit PWM gekennzeichnet. Sofern die Halbleiterschalter 72, 74 im Gegentakt betrieben werden, ist dies mit! (PWM) gekennzeichnet. The table 98 shows for the two embodiments 4 and 5 respectively, whether the output voltage U OUT is greater or less than the input voltage U IN and whether the current flow in the direction of the output terminal poles 66 . 68 or in the direction of the input terminal poles 62 . 64 is driven. These variants are for different control variants of the semiconductor switches 72 . 74 represented here as S1 and S2. The switches 72 . 74 are controlled by means of a variable frequency and in particular by means of a frequency-modulated and / or pulse width modulated signal. Unless the switches 72 . 74 In an exemplary embodiment of the variable frequency operation by means of a pulse width modulated signal, this is indicated by PWM. Unless the semiconductor switches 72 . 74 be operated in push-pull, this is with! (PWM).

Die Schalterstellungen der Schalter 82, 84 sind entsprechend mit 0 und 1 bezeichnet, wobei Schalterstellung 0 einen geöffneten und Schalterstellung 1 einen geschlossenen Schalter kennzeichnet.The switch positions of the switches 82 . 84 are respectively denoted by 0 and 1, with switch position 0 indicates an open and switch position 1 a closed switch.

Die Schalterstellungen der Wechselschalter 94, 96 aus 5 ist in Tabelle 98 als Schalterstellung 1 bzw. Schalterstellung 2 gekennzeichnet, wobei die Schalterstellung 1 die Drossel 78 mit dem ersten Ausgangsanschlusspol 66 und die Halbbrücke 70 mit dem ersten Eingangsanschlusspol 62 verbindet und die Schalterstellung 2 die Drossel 78 mit dem ersten Eingangsanschlusspol 62 und die Halbbrücke 70 mit dem ersten Ausgangsanschlusspol 66 verbindet. Die beiden Schalterstellungen 1, 2 sind in 5 entsprechend gekennzeichnet.The switch positions of the changeover switch 94 . 96 out 5 is in table 98 characterized as switch position 1 or switch position 2, wherein the switch position 1, the throttle 78 with the first output terminal pole 66 and the half bridge 70 with the first input terminal pole 62 connects and the switch position 2 the throttle 78 with the first input terminal pole 62 and the half bridge 70 with the first output terminal pole 66 combines. The two switch positions 1, 2 are in 5 marked accordingly.

Die erfindungsgemäße Steuereinheit wird vorzugsweise für den Betrieb von Brennstoffzellen verwendet, da Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen eine geringe Versorgungsspannung bereitstellen.The control unit according to the invention is preferably used for the operation of fuel cells, since fuel cells provide a low supply voltage at low temperatures.

Claims (12)

Schaltungsanordnung (10; 40) zum Wandeln einer Eingangsspannung (UIN) in eine Ausgangsspannung (UOUT), mit – einem Eingangsspannungspolpaar (12; 62, 64), das zum Anschließen einer Spannungsquelle (14; 32) einen ersten und einen zweiten Eingangsspannungspol (62, 64) aufweist, und einem Ausgangsspannungspolpaar (16; 66, 68), das zum Abgreifen der Ausgangsspannung (UOUT) einen ersten und einen zweiten Ausgangsspannungspol (66, 68) aufweist, – einer Halbbrücke (70), die zwei steuerbare Schaltelemente (72, 74) aufweist, – einer Drossel (78), die mit einem Halbbrückenabgriff (76) verbunden ist, der zwischen den steuerbaren Schaltelementen (72, 74) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke (70) mittels einer Schalteranordnung (84; 96) wenigstens mittelbar entweder mit dem ersten Eingangsspannungspol (62) oder dem erstenAusgangsspannungspol (66) verbindbar ist.Circuit arrangement ( 10 ; 40 ) for converting an input voltage (U IN ) into an output voltage (U OUT ), having - an input voltage pole pair ( 12 ; 62 . 64 ), which is used to connect a voltage source ( 14 ; 32 ) a first and a second input voltage pole ( 62 . 64 ) and an output voltage pole pair ( 16 ; 66 . 68 ) for picking up the output voltage (U OUT ) a first and a second output voltage pole ( 66 . 68 ), - a half-bridge ( 70 ), the two controllable switching elements ( 72 . 74 ), - a throttle ( 78 ) with a half-bridge tap ( 76 ) connected between the controllable switching elements ( 72 . 74 ), characterized in that the half-bridge ( 70 ) by means of a switch arrangement ( 84 ; 96 ) at least indirectly with either the first input voltage pole ( 62 ) or the first output voltage pole ( 66 ) is connectable. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schalteranordnung (82; 94) mit der Drossel (78) verbunden ist und dazu ausgebildet ist, die Drossel (78) wenigstens mittelbar entweder mit dem ersten Eingangsspannungspol (62) oder dem ersten Ausgangsspannungspol (66) zu verbinden.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that a second switch arrangement ( 82 ; 94 ) with the throttle ( 78 ) and is adapted to the throttle ( 78 ) at least indirectly with either the first input voltage pole ( 62 ) or the first output voltage pole ( 66 ) connect to. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schalteranordnung (82, 84; 94, 96) dazu ausgebildet sind in einer ersten Schalterstellung die Halbbrücke (70) mit dem ersten Eingangsspannungspol (62) und die Drossel (78) mit dem ersten Ausgangsspannungspol (66) und in einer zweiten Schalterstellung die Halbbrücke (70) mit dem ersten Ausgangsspannungspol (66) und die Drossel (78) mit dem ersten Eingangsspannungspol (62) wenigstens mittelbar zu verbinden.Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that the first and the second switch arrangement ( 82 . 84 ; 94 . 96 ) are formed in a first switch position, the half-bridge ( 70 ) with the first input voltage pole ( 62 ) and the throttle ( 78 ) with the first output voltage pole ( 66 ) and in a second switch position, the half-bridge ( 70 ) with the first output voltage pole ( 66 ) and the throttle ( 78 ) with the first input voltage pole ( 62 ) at least indirectly connect. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schalteranordnung (82, 84; 94, 96) jeweils wenigstens einen Schalter (86, 88, 90, 92; 94, 96) aufweisen, wobei die Schalter als steuerbare mechanische Schalter, insbesondere als Relais oder Schütze ausgebildet sind. Circuit arrangement according to Claim 2 or 3, characterized in that the first and the second switch arrangement ( 82 . 84 ; 94 . 96 ) at least one switch ( 86 . 88 . 90 . 92 ; 94 . 96 ), wherein the switches are designed as controllable mechanical switches, in particular as relays or contactors. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schalteranordnung (82, 84; 94, 96) jeweils zwei Schalter (86, 88, 90, 92) aufweisen, wobei jeweils einer der Schalter mit der Halbbrücke (70) und der jeweils andere Schalter mit der Drossel (78) verbunden ist, um durch wechselndes Öffnen bzw. Schließen der Schalteranordnungen (82, 84; 94, 96) die Halbbrücke (70) oder die Drossel (78) mit dem ersten Eingangsspannungspol (62) oder dem ersten Ausgangsspannungspol (66) zu verbinden.Circuit arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the first and the second switch arrangement ( 82 . 84 ; 94 . 96 ) two switches each ( 86 . 88 . 90 . 92 ), wherein in each case one of the switches with the half-bridge ( 70 ) and the other switch with the throttle ( 78 ) is connected by changing the opening or closing of the switch assemblies ( 82 . 84 ; 94 . 96 ) the half bridge ( 70 ) or the throttle ( 78 ) with the first input voltage pole ( 62 ) or the first output voltage pole ( 66 ) connect to. Schaltungsordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingangsspannungspol(62) und der zweiteAusgangsspannungspol(66) elektrisch miteinander verbunden sind und einen Massepol bilden.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second input voltage pole ( 62 ) and the second output voltage pole ( 66 ) are electrically connected to each other and form a ground pole. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke (70) mit dem zweiten Eingangsspannungspol (64) und/oder mit dem zweiten Ausgangsspannungspol (68) verbunden ist.Circuit arrangement according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the half-bridge ( 70 ) with the second input voltage pole ( 64 ) and / or with the second output voltage pole ( 68 ) connected is. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (72, 74) als Halbleiterschalter, insbesondere als MOS-Feldeffekttransistoren, wie Bipolartransistoren, IGBTs oder Thyristoren ausgebildet sind.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the switching elements ( 72 . 74 ) are designed as semiconductor switches, in particular as MOS field-effect transistors, such as bipolar transistors, IGBTs or thyristors. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke (70) derart ausgebildet ist, dass einer der Halbleiterschalter (72, 94) in einem Taktbetrieb ansteuerbar ist während der andere der Halbleiterschalter (72, 74) gesperrt ist, um einen elektrischen Strom vom Eingangsspannungspolpaar (12; 62, 64) zum Ausgangsspannungspolpaar (16; 66, 68) oder umgekehrt zu treiben.Circuit arrangement according to Claim 8, characterized in that the half-bridge ( 70 ) is designed such that one of the semiconductor switches ( 72 . 94 ) is controllable in a clock mode while the other of the semiconductor switches ( 72 . 74 ) is locked to receive an electrical current from the input voltage pole pair ( 12 ; 62 . 64 ) to the Output voltage pole pair ( 16 ; 66 . 68 ) or vice versa. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (72, 74) dazu ausgebildet sind in einem Gegentakt betrieben zu werden, um einen elektrischen Strom vom Eingangsspannungspolpaar (12; 62, 64) zum Ausgangsspannungspolpaar (16; 66, 68) und umgekehrt zu treiben.Circuit arrangement according to Claim 8, characterized in that the semiconductor switches ( 72 . 74 ) are adapted to be operated in a push-pull manner in order to generate an electric current from the input voltage pole pair ( 12 ; 62 . 64 ) to the output voltage pole pair ( 16 ; 66 . 68 ) and vice versa. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (72, 74) mittels eines frequenzmodulierten und/oder pulsweitenmodulierten Signals ansteuerbar sind. Circuit arrangement according to one of claims 8 to 10, characterized in that the semiconductor switches ( 72 . 74 ) can be controlled by means of a frequency-modulated and / or pulse width modulated signal. Verfahren zum Wandeln einer Eingangsspannung (UIN) in eine Ausgangsspannung (UOUT) mittels eines Schaltnetzteils (40), das eine Halbbrücke (70) mit zwei steuerbaren Schaltelementen (72, 74) und eine Drossel (78) aufweist, die mit einem Halbbrückenabgriff (76), der zwischen den Schaltelementen (72, 74) gebildet ist, verbunden ist, wobei die Halbbrücke (70) mittels einer Schalteranordnung (82, 84; 94, 96) wenigstens mittelbar entweder mit einem Eingangsspannungspol (62) oder einem Ausgangsspannungspol (66) des Schaltnetzteils (40) verbunden wird.Method for converting an input voltage (U IN ) into an output voltage (U OUT ) by means of a switched-mode power supply ( 40 ), which is a half-bridge ( 70 ) with two controllable switching elements ( 72 . 74 ) and a throttle ( 78 ) having a half-bridge tap ( 76 ), between the switching elements ( 72 . 74 ) is connected, wherein the half-bridge ( 70 ) by means of a switch arrangement ( 82 . 84 ; 94 . 96 ) at least indirectly with either an input voltage pole ( 62 ) or an output voltage pole ( 66 ) of the switching power supply ( 40 ) is connected.
DE102011088457A 2011-12-13 2011-12-13 Circuit device for converting input voltage to output voltage, used in powertrain of motor car, has half-bridge that includes inductor which is connected to bridge tap connected between controllable semiconductor switches Withdrawn DE102011088457A1 (en)

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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107231087A (en) * 2016-03-25 2017-10-03 通用电气公司 Distance increasing unit and circuit protection method
EP3393029A1 (en) * 2017-04-20 2018-10-24 Danfoss Mobile Electrification Oy A power converter and an electric power system
DE102018217309A1 (en) * 2018-10-10 2020-04-16 Continental Automotive Gmbh Multi-phase inverter and related high voltage topology
DE102019210323A1 (en) * 2019-07-12 2021-01-14 Vitesco Technologies GmbH Improved topology for a fuel cell powertrain
AT524064A1 (en) * 2020-08-05 2022-02-15 Fachhochschule Technikum Wien Motor driver for negative input voltage
AT524065A1 (en) * 2020-08-05 2022-02-15 Fachhochschule Technikum Wien Boost converter with reduced duty cycle
WO2023101549A1 (en) * 2021-11-30 2023-06-08 Technische Universiteit Delft A bidirectional partial power processing, ppp, architecture, for converting between a first voltage terminal and a second voltage terminal, as well as a corresponding method.
WO2024013192A1 (en) 2022-07-15 2024-01-18 Sma Solar Technology Ag Device and method for the voltage equalisation of a plurality of two-terminal networks, and dc power distribution system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5196995A (en) * 1989-12-01 1993-03-23 Zdzislaw Gulczynski 3-terminal bidirectional switching power supply with AC or DC input and AC or DC output
US20050264271A1 (en) * 2004-05-11 2005-12-01 The Hong Kong University Of Science And Technology Single inductor multiple-input multiple-output switching converter and method of use
EP1672763A1 (en) * 2004-12-07 2006-06-21 Luxon Energy Devices Corporation Power supply apparatus and power supply method using reciprocally switching of the polarity connection
US20080055940A1 (en) * 2006-08-25 2008-03-06 Lawson Labs, Inc. Bi-polar bi-directional energy balancing power-conversion engine
US20110080143A1 (en) * 2009-05-28 2011-04-07 Parakulam Gopalakrishnan R Buck-boost circuit

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5196995A (en) * 1989-12-01 1993-03-23 Zdzislaw Gulczynski 3-terminal bidirectional switching power supply with AC or DC input and AC or DC output
US20050264271A1 (en) * 2004-05-11 2005-12-01 The Hong Kong University Of Science And Technology Single inductor multiple-input multiple-output switching converter and method of use
EP1672763A1 (en) * 2004-12-07 2006-06-21 Luxon Energy Devices Corporation Power supply apparatus and power supply method using reciprocally switching of the polarity connection
US20080055940A1 (en) * 2006-08-25 2008-03-06 Lawson Labs, Inc. Bi-polar bi-directional energy balancing power-conversion engine
US20110080143A1 (en) * 2009-05-28 2011-04-07 Parakulam Gopalakrishnan R Buck-boost circuit

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107231087A (en) * 2016-03-25 2017-10-03 通用电气公司 Distance increasing unit and circuit protection method
US10511162B2 (en) 2016-03-25 2019-12-17 General Electric Company Range extender and circuit protection method
EP3393029A1 (en) * 2017-04-20 2018-10-24 Danfoss Mobile Electrification Oy A power converter and an electric power system
US10742036B2 (en) 2017-04-20 2020-08-11 Danfoss Editron Oy Power converter and an electric power system
DE102018217309A1 (en) * 2018-10-10 2020-04-16 Continental Automotive Gmbh Multi-phase inverter and related high voltage topology
US11932115B2 (en) 2018-10-10 2024-03-19 Vitesco Technologies GmbH Multi-phase inverter and related high voltage topology
WO2021008985A1 (en) * 2019-07-12 2021-01-21 Vitesco Technologies GmbH Improved topology for a fuel-cell powertrain
DE102019210323A1 (en) * 2019-07-12 2021-01-14 Vitesco Technologies GmbH Improved topology for a fuel cell powertrain
AT524064A1 (en) * 2020-08-05 2022-02-15 Fachhochschule Technikum Wien Motor driver for negative input voltage
AT524065A1 (en) * 2020-08-05 2022-02-15 Fachhochschule Technikum Wien Boost converter with reduced duty cycle
AT524065B1 (en) * 2020-08-05 2022-05-15 Fachhochschule Technikum Wien Boost converter with reduced duty cycle
AT524064B1 (en) * 2020-08-05 2022-05-15 Fachhochschule Technikum Wien Motor driver for negative input voltage
WO2023101549A1 (en) * 2021-11-30 2023-06-08 Technische Universiteit Delft A bidirectional partial power processing, ppp, architecture, for converting between a first voltage terminal and a second voltage terminal, as well as a corresponding method.
WO2024013192A1 (en) 2022-07-15 2024-01-18 Sma Solar Technology Ag Device and method for the voltage equalisation of a plurality of two-terminal networks, and dc power distribution system
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