DE102013207099A1

DE102013207099A1 - Modular DC-DC converter arrangement

Info

Publication number: DE102013207099A1
Application number: DE102013207099.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Langemeyer; Johannes Reinschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-23
Also published as: WO2014170059A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandleranordnung (10) zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung (U1) in eine Ausgangsgleichspannung (U2) mit einem Koppelmodul (16), einem Eingangsmodul (12) zum Übertragen der Eingangsgleichspannung (U1) zu dem Koppelmodul (16) mittels einer ersten Schalteinrichtung (26), und einem Ausgangsmodul (14) zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung (U2) aus einer an dem Koppelmodul (16) anliegenden elektrischen Spannung, wobei das Eingangsmodul (12), das Ausgangsmodul (14) und das Koppelmodul (16) jeweils als separates Modulelement ausgebildet sind, das Eingangsmodul (12) mit dem Koppelmodul (16) elektrisch verbunden ist und das Koppelmodul (16) mit dem Ausgangsmodul (14) elektrisch verbunden ist.The invention relates to a DC voltage converter arrangement (10) for converting a DC input voltage (U1) into a DC output voltage (U2) with a coupling module (16), an input module (12) for transmitting the DC input voltage (U1) to the coupling module (16) by means of a first switching device (26), and an output module (14) for providing the output DC voltage (U2) from an electrical voltage applied to the coupling module (16), the input module (12), the output module (14) and the coupling module (16) each as separate Module element are formed, the input module (12) is electrically connected to the coupling module (16) and the coupling module (16) is electrically connected to the output module (14).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandleranordnung zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung. Die Gleichspannungswandleranordnung umfasst ein Koppelmodul, ein Eingangsmodul zum Übertragen der Eingangsgleichspannung zu dem Koppelmodul mittels einer ersten Schalteinrichtung und ein Ausgangsmodul zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung aus einer an dem Koppelmodul anliegenden elektrischen Spannung. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Gleichspannungswandleranordnung. The present invention relates to a DC-DC converter arrangement for converting a DC input voltage into a DC output voltage. The DC-DC converter arrangement comprises a coupling module, an input module for transmitting the DC input voltage to the coupling module by means of a first switching device and an output module for providing the DC output voltage from an electrical voltage applied to the coupling module. Moreover, the present invention relates to a method of manufacturing a DC-DC converter arrangement.

Mit zunehmender Verbreitung von regenerativen Energiequellen und Elektrofahrzeugen steigt der Bedarf nach leistungsfähigen Batterieschnellladestationen. Des Weiteren werden stationäre Batterien in Häusern beispielsweise dazu verwendet, Energie von Photovoltaikanlagen während sonnenreicher Perioden zu speichern, um sie dann bei wenig Sonneneinstrahlung oder in der Nacht abzurufen und die Energie damit lokal zu erzeugen bzw. zu verbrauchen. Bidirektionale DC-Batterieschnellladestationen erlauben zudem die Stabilisierung der Energieverteilnetze durch Aufnahme von Energie bei Stromüberschuss sowie durch Rückspeisen von Energie bei Strommangel. Bei Batterien von Elektrofahrzeugen besteht der Bedarf, diese an entsprechenden Ladestationen möglichst schnell zu laden, um längere Wartezeiten zu vermeiden. With the proliferation of renewable energy sources and electric vehicles, the demand for high-performance battery charging stations is increasing. Furthermore, stationary batteries in homes are used, for example, to store energy from photovoltaic systems during sun-rich periods, then retrieve them in low sunlight or at night and thus generate the energy locally or consume. Bidirectional DC battery charging stations also allow the stabilization of the power distribution grids by absorbing energy in excess of electricity and by regenerating energy in the absence of electricity. In batteries of electric vehicles, there is a need to load them as quickly as possible at corresponding charging stations in order to avoid longer waiting times.

An Gleichspannungswandlerschaltungen, die beispielsweise zum Batterieladen und -entladen verwendet werden, gibt es ferner technische Güteanforderungen bezüglich der Strom- und Spannungsripples. Der Stromripple zum Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Batterien sollte beispielsweise nicht größer als 2 bis 3% des nominalen Lade- oder Entladestroms betragen. On DC-DC converter circuits used, for example, for battery charging and discharging, there are also technical quality requirements with respect to the current and voltage ripples. For example, the current ripple for charging and discharging lithium-ion batteries should not exceed 2 to 3% of the nominal charge or discharge current.

Für die zuvor beschriebenen Anwendungsfälle werden entsprechende Gleichspannungswandleranordnungen verwendet, deren zentrale Komponenten in allen Batterieschnellladestationen ähnlicher Leistungsklasse identisch sind. Dabei sind die elektrische Spannung und der Strom über diese Komponenten in vorbestimmten Bereichen einstellbar. Ein wesentlicher baulicher Unterschied der Gleichspannungswandleranordnungen liegt in der galvanischen Trennung. Eine galvanische Trennung zwischen einem Eingangsmodul, an dem eine Eingangsgleichspannung anliegt, und einem Ausgangsmodul, an dem eine Ausgangsgleichspannung der Spannung bereitgestellt wird, wird beispielsweise bei DC-Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge gefordert, ist aber für die Kopplung von Photovoltaikanlagen mit Batteriespeichern nicht unbedingt notwendig. Die galvanische Trennung wird mittels entsprechender Transformatoren realisiert. Hierbei werden vermehrt Transistoren verwendet, die mit hohen Schaltfrequenzen bis zu 20 kHz betrieben werden. Damit kann Bauraum und Gewicht eingespart werden. Zudem kann der Materialeinsatz reduziert werden. For the applications described above, corresponding DC-DC converter arrangements are used whose central components are identical in all battery charging stations of similar power class. The electrical voltage and the current through these components in predetermined ranges are adjustable. An essential structural difference of the DC-DC converter arrangements lies in the galvanic isolation. Galvanic isolation between an input module to which a DC input voltage is applied and an output module to which a DC output voltage is provided is required, for example, in DC quick charging stations for electric vehicles, but is not absolutely necessary for the coupling of photovoltaic systems with battery storage. The galvanic isolation is realized by means of suitable transformers. Here, more transistors are used, which are operated with high switching frequencies up to 20 kHz. This space and weight can be saved. In addition, the use of materials can be reduced.

Aus dem Stand der Technik sind dezidierte Geräte mit und ohne galvanische Trennung bekannt. Beispielsweise werden von der Anmelderin bidirektionale Gleichspannungswandler ohne galvanische Trennung auf Basis von Thyristor-Technologie angeboten. Des Weiteren sind MOSFET- oder IGBT-basierte Topologien für uni- und bidirektionale Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung aus der Literatur bekannt. Derartige Gleichspannungswandler sind beispielsweise in dem Artikel „A comparsion of high-power DC-DC soft-switched converter topologies“ von R. Steigerwald et al., IEEE Transactions on Industry Applications, 1996 beschrieben. Decisive devices with and without electrical isolation are known from the prior art. For example, bidirectional DC-DC converters without galvanic isolation based on thyristor technology are offered by the applicant. Furthermore, MOSFET or IGBT-based topologies for unidirectional and bidirectional DC-DC converters are known from the literature. Such DC-DC converters are for example in the article "A comparision of high-power DC-DC soft-switched converter topologies" by R. Steigerwald et al., IEEE Transactions on Industry Applications, 1996 described.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleichspannungswandleranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die flexibler hergestellt und betrieben werden kann. Ferner sollen die genannten technischen Güteanforderungen möglichst kostengünstig erfüllt werden. It is an object of the present invention to provide a DC-DC converter arrangement of the type mentioned, which can be made more flexible and operated. Furthermore, the mentioned technical quality requirements should be met as economically as possible.

Diese Aufgabe wird durch eine Gleichspannungswandleranordnung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a DC-DC converter arrangement according to claim 1 and by a method according to claim 13. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandleranordnung zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umfasst ein Koppelmodul, ein Eingangsmodul zum Übertragen der Eingangsgleichspannung zu dem Koppelmodul mittels einer ersten Schalteinrichtung, und ein Ausgangsmodul zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung aus einer an dem Koppelmodul anliegenden elektrischen Spannung, wobei das Eingangsmodul, das Ausgangsmodul und das Koppelmodul jeweils als separates Modulelement ausgebildet sind, das Eingangsmodul mit dem Koppelmodul elektrisch verbunden ist und das Koppelmodul mit dem Ausgangsmodul elektrisch verbunden ist. The inventive DC-DC converter arrangement for converting a DC input voltage into a DC output voltage comprises a coupling module, an input module for transmitting the DC input voltage to the coupling module by means of a first switching device, and an output module for providing the DC output voltage from an electrical voltage applied to the coupling module, wherein the input module, the output module and the coupling module are each formed as a separate module element, the input module is electrically connected to the coupling module and the coupling module is electrically connected to the output module.

Die Gleichspannungswandleranordnung stellt einen DC-DC-Wandler dar, mit dem eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung gewandelt werden kann. Mit anderen Worten kann mit der Gleichspannungswandleranordnung eine erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung gewandelt werden. Dabei kann auch ein bidirektionaler Betrieb der Gleichspannungswandleranordnung vorgesehen sein. Das Eingangsmodul kann entsprechende Eingangsklemmen aufweisen, an denen die Eingangsgleichspannung angelegt werden kann. Des Weiteren kann das Eingangsmodul eine Eingangskapazität in Form eines Kondensators aufweisen, der elektrisch mit den Eingangsklemmen verbunden ist. Zudem weist das Eingangsmodul eine Schalteinrichtung auf, bei der die Eingangsgleichspannung an entsprechende Ausgangsklemmen des Eingangsmoduls geschaltet werden kann. Mit der ersten Schalteinrichtung kann die Eingangsgleichspannung zu vorbestimmten Zeitpunkten an die Ausgangsklemmen geschaltet werden. Die Eingangsgleichspannung kann beispielsweise mit der ersten Schalteinrichtung gepulst an die Ausgangsklemmen des Eingangsmoduls angelegt werden. Die Ausgangsklemmen des Eingangsmoduls sind mit einem Koppelmodul bzw. dessen Eingangsklemmen verbunden. Das Koppelmodul ist wiederum mit einem Ausgangsmodul elektrisch verbunden, das die Ausgangsgleichspannung bereitstellt. In einfachsten Fall kann mit dem Koppelmodul eine galvanische Verbindung, beispielsweise über Kabel, zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul bereitgestellt werden. Das Koppelmodul kann auch passive elektrische Filter umfassen. Die Ausgangsgleichspannung kann dabei beispielsweise von einer zweiten Schalteinrichtung des Ausgangsmoduls aus der elektrischen Spannung, die von dem Spulenelement des Koppelmoduls abgegeben wird, erzeugt werden. Die Gleichspannungswandleranordnung kann so ausgebildet sein, dass mit ihr die Funktionalität des Hochsetzstellers oder eines Tiefsetzstellers bereitgestellt wird. The DC-DC converter arrangement is a DC-DC converter with which an input DC voltage can be converted into a DC output voltage. In other words, with the DC-DC converter arrangement, a first DC voltage can be converted into a second DC voltage. In this case, a bidirectional operation of the DC-DC converter arrangement can be provided. The input module can have corresponding input terminals, where the input DC voltage can be applied. Furthermore, the input module may have an input capacitance in the form of a capacitor electrically connected to the input terminals. In addition, the input module has a switching device, in which the input DC voltage can be switched to corresponding output terminals of the input module. With the first switching device, the input DC voltage can be switched to the output terminals at predetermined times. The input DC voltage can be applied to the output terminals of the input module pulsed, for example, with the first switching device. The output terminals of the input module are connected to a coupling module or its input terminals. The coupling module is in turn electrically connected to an output module which provides the DC output voltage. In the simplest case, a galvanic connection, for example via cable, between the input module and the output module can be provided with the coupling module. The coupling module may also include passive electrical filters. The DC output voltage can be generated, for example, by a second switching device of the output module from the electrical voltage that is emitted by the coil element of the coupling module. The DC-DC converter arrangement can be designed so that the functionality of the boost converter or a buck converter is provided with it.

Das Eingangsmodul, das Ausgangsmodul und das Koppelmodul sind jeweils als separates Modulelement ausgebildet. Die einzelnen Module können als einzelne, separat aufgebaute Elemente ausgebildet sein. Die einzelnen Module können beispielsweise jeweils auf einem separaten Modulträger angeordnet sein. Beispielsweise können die Module jeweils auf einem separaten Kühlkörper angeordnet sein. Die elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul und dem Koppelmodul sowie dem Koppelmodul und dem Ausgangsmodul kann über elektrische Verbindungsleitungen, insbesondere Kabel, erfolgen. Dabei können das Eingangsmodul, das Ausgangsmodul und das Koppelmodul in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Somit wird ein Bestückungskonzept für einen Gleichspannungswandler bereitgestellt. Zudem wird eine modulare Gleichspannungswandleranordnung bereitgestellt, bei der die einzelnen Module einfach ausgetauscht werden können. Damit kann die Gleichspannungswandleranordnung besonders effektiv an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. The input module, the output module and the coupling module are each designed as a separate module element. The individual modules can be designed as individual, separately constructed elements. The individual modules can be arranged, for example, each on a separate module carrier. For example, the modules can each be arranged on a separate heat sink. The electrical connection between the input module and the coupling module and the coupling module and the output module can be made via electrical connection lines, in particular cables. In this case, the input module, the output module and the coupling module can be arranged in a common housing. Thus, an assembly concept for a DC-DC converter is provided. In addition, a modular DC-DC converter arrangement is provided in which the individual modules can be easily replaced. Thus, the DC-DC converter arrangement can be adapted particularly effectively to the particular application.

In einer Ausführungsform sind das Eingangsmodul, das Ausgangsmodul und das Koppelmodul jeweils in einem separaten Gehäuse angeordnet. Dabei kann das Eingangsmodul entsprechende Verbindungselemente aufweisen, mit denen es mit dem Koppelmodul verbunden werden kann. Auch das Ausgangsmodul kann entsprechende Verbindungselemente aufweisen, mit denen es mit dem Koppelmodul verbunden werden kann. Diese Verbindungselemente können beispielsweise in Form von Schraubkontakten oder Klemmkontakten bereitgestellt werden. Durch die Verbindungsvorrichtungen können das Eingangsmodul mit dem Koppelmodul und das Koppelmodul mit dem Ausgangsmodul reversibel lösbar und zerstörungsfrei verbunden werden. In one embodiment, the input module, the output module and the coupling module are each arranged in a separate housing. In this case, the input module may have corresponding connecting elements, with which it can be connected to the coupling module. Also, the output module may have corresponding connection elements, with which it can be connected to the coupling module. These connecting elements can be provided for example in the form of screw contacts or terminal contacts. By connecting devices, the input module with the coupling module and the coupling module with the output module can be connected reversibly detachable and non-destructive.

Bevorzugt umfasst das Koppelmodul zumindest eine Spule, die bei einer Verbindung des Eingangsmoduls mit dem Koppelmodul und dem Koppelmodul mit dem Ausgangsmodul eine galvanische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul bereitstellt. Das Koppelmodul kann mindestens eine Spule aufweisen, die mit einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme des Koppelmoduls elektrisch verbunden ist. Das Koppelmodul kann auch zwei Spulen aufweisen, wobei eine erste Spule mit einer ersten Eingangsklemme und einer ersten Ausgangsklemme und die zweite Spule mit einer zweiten Eingangsklemme und einer zweiten Ausgangsklemme elektrisch verbunden sind. Somit wird eine galvanische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul der Gleichspannungswandleranordnung bereitgestellt. Damit kann eine Gleichspannungswandleranordnung für Anwendungsfälle bereitgestellt werden, bei denen eine galvanische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul nicht erforderlich ist. Ein solcher Anwendungsfall kann beispielsweise für Photovoltaikanlagen bestehen, bei denen Energie in einer Batterie zwischengespeichert wird. Preferably, the coupling module comprises at least one coil, which provides a galvanic connection between the input module and the output module in a connection of the input module to the coupling module and the coupling module with the output module. The coupling module may have at least one coil which is electrically connected to an input terminal and an output terminal of the coupling module. The coupling module can also have two coils, wherein a first coil with a first input terminal and a first output terminal and the second coil with a second input terminal and a second output terminal are electrically connected. Thus, a galvanic connection between the input module and the output module of the DC-DC converter arrangement is provided. Thus, a DC-DC converter arrangement can be provided for applications in which a galvanic connection between the input module and the output module is not required. Such an application can for example consist of photovoltaic systems in which energy is stored in a battery.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Koppelmodul einen Transformator, der bei einer Verbindung des Eingangsmoduls mit dem Koppelmodul und einer Verbindung des Koppelmoduls mit dem Ausgangsmodul eine galvanisch getrennte Kopplung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul bereitstellt. Dabei kann eine erste Spule im Primärkreis des Transformators mit den Eingangsklemmen des Koppelmoduls verbunden sein und eine zweite Spule im Sekundärkreis des Transformators kann mit den Ausgangsklemmen des Koppelmoduls verbunden sein. Somit wird ein Gleichspannungswandler mit einer galvanischen Trennung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul bereitgestellt. Bei der Verwendung eines Transformators bzw. eines Trenntrafos kann das Wicklungsverhältnis so gewählt werden, dass es dem Verhältnis zwischen minimaler Eingangsgleichspannung und maximaler Ausgangsgleichspannung entspricht. Ein solcher Gleichspannungswandler kann beispielsweise für Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge verwendet werden. In a further embodiment, the coupling module comprises a transformer, which provides a galvanically isolated coupling between the input module and the output module in a connection of the input module to the coupling module and a connection of the coupling module with the output module. In this case, a first coil in the primary circuit of the transformer may be connected to the input terminals of the coupling module and a second coil in the secondary circuit of the transformer may be connected to the output terminals of the coupling module. Thus, a DC-DC converter with a galvanic isolation between the input module and the output module is provided. When using a transformer or a separating transformer, the winding ratio can be selected so that it corresponds to the ratio between minimum DC input voltage and maximum DC output voltage. Such a DC-DC converter can For example, be used for fast charging stations for electric vehicles.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Koppelmodul zumindest ein elektrisches Filterelement, das in einem Primärkreis und/oder einem Sekundärkreis des Transformators angeordnet ist. Das elektrische Filterelement kann beispielsweise als passives elektrisches Filterelement ausgebildet sein. Das Filterelement kann einen Kondensator und eine Spule umfassen. Damit kann auf einfache Weise beispielsweise ein Resonanzwandler bereitgestellt werden. In a further embodiment, the coupling module comprises at least one electrical filter element which is arranged in a primary circuit and / or a secondary circuit of the transformer. The electrical filter element may be formed, for example, as a passive electrical filter element. The filter element may comprise a capacitor and a coil. This can be provided in a simple manner, for example, a resonant converter.

Bevorzugt umfasst die erste Steuereinrichtung zumindest einen Halbleiterschalter. Die erste Schaltereinrichtung, mit der die Eingangsgleichspannung an die Ausgangsklemmen des Eingangsmoduls geschaltet wird, kann beispielsweise durch zumindest einen Transistor oder einen Thyristor gebildet sein. Bevorzugt ist die erste Schalteinrichtung durch zumindest einen IGBT oder MOSFET gebildet. Dabei kann die erste Schalteinrichtung auch als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgebildet sein. Mit einer derartigen ersten Schalteinrichtung kann die Eingangsgleichspannung besonders effektiv an das Spulenelement des Koppelmoduls übertragen werden. The first control device preferably comprises at least one semiconductor switch. The first switching device, with which the input DC voltage is switched to the output terminals of the input module, may be formed, for example, by at least one transistor or a thyristor. Preferably, the first switching device is formed by at least one IGBT or MOSFET. In this case, the first switching device can also be designed as a half bridge or full bridge. With such a first switching device, the DC input voltage can be transmitted to the coil element of the coupling module in a particularly effective manner.

In einer Ausführungsform weist das Ausgangsmodul eine zweite Schalteinrichtung zum Schalten der an dem Koppelmodul anliegenden elektrischen Spannung auf. Bevorzugt umfasst die zweite Schalteinrichtung zumindest eine Diode und/oder zumindest einen Halbleiterschalter (IGBT, MOSFET). Mit der zweiten Schalteinrichtung kann somit die von dem Spulenelement bereitgestellte elektrische Spannung einfach an die Ausgangsklemmen des Ausgangsmoduls übertragen werden. Bei der Verwendung zumindest einer Diode als zweite Schalteinrichtung kann die Gleichspannungswandleranordnung als unidirektionaler Gleichspannungswandler verwendet werden. Bei der Verwendung von zumindest einem Halbleiterschalter, der aktiv angesteuert werden kann, kann mit der zweiten Schalteinrichtung ein bidirektionaler Gleichspannungswandler bereitgestellt werden. Auch hier können die Dioden oder Halbleiterschalter als Halbbrücke oder Vollbrücke verschaltet sein. In one embodiment, the output module has a second switching device for switching the voltage applied to the coupling module electrical voltage. Preferably, the second switching device comprises at least one diode and / or at least one semiconductor switch (IGBT, MOSFET). With the second switching device, the electrical voltage provided by the coil element can thus be easily transmitted to the output terminals of the output module. When using at least one diode as a second switching device, the DC-DC converter arrangement can be used as a unidirectional DC-DC converter. When using at least one semiconductor switch, which can be actively controlled, a bidirectional DC-DC converter can be provided with the second switching device. Again, the diodes or semiconductor switches can be connected as a half-bridge or full bridge.

In einer weiteren Ausgestaltung die umfasst die Gleichspannungswandleranordnung ein erstes Terminalmodul, das elektrisch mit dem Eingangsmodul verbunden ist, und/oder ein zweites Terminalmodul, das elektrisch mit dem Ausgangsmodul verbunden ist, wobei das erste und/oder das zweite Terminalmodul ein elektrisches Filterelement umfasst. Das erste und das zweite Terminalmodul können dabei jeweils in einem separaten Gehäuse angeordnet sein. Das elektrische Filterelement in dem ersten Terminalmodul dient der Filterung von Oberwellen der elektrischen Spannung in dem Eingangsmodul. Das elektrische Filterelement in dem zweiten Terminalmodul dient der Filterung von Oberwellen der elektrischen Spannung in dem Ausgangsmodul. Insbesondere dienen die elektrischen Filterelemente zur Stromrippleglättung. In a further refinement, the DC-DC converter arrangement comprises a first terminal module, which is electrically connected to the input module, and / or a second terminal module, which is electrically connected to the output module, wherein the first and / or the second terminal module comprises an electrical filter element. The first and the second terminal module can each be arranged in a separate housing. The electrical filter element in the first terminal module is used to filter harmonics of the electrical voltage in the input module. The electrical filter element in the second terminal module is used to filter harmonics of the electrical voltage in the output module. In particular, the electrical filter elements serve for Stromrippleglättung.

Bevorzugt umfasst die Gleichspannungswandleranordnung eine Steuereinrichtung zum Steuern der ersten Schalteinrichtung und/oder der zweiten Schalteinrichtung. Mit der Steuereinrichtung können die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung in Abhängigkeit von der Zeit angesteuert werden. Dabei können die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung hartschaltend betrieben werden. Alternativ dazu können die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung entsprechend zeitversetzt mit einer sogenannten interleaved- oder phasenverschobenen Schalteransteuerung betreiben werden. Damit kann die Gleichspannungswandleranordnung an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Preferably, the DC-DC converter arrangement comprises a control device for controlling the first switching device and / or the second switching device. With the control device, the first and / or the second switching device can be controlled as a function of time. In this case, the first and / or the second switching device can be operated hard switching. Alternatively, the first and / or the second switching device can be operated according to a time offset with a so-called interleaved or phase-shifted switch control. Thus, the DC-DC converter arrangement can be adapted to the particular application.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Gleichspannungswandleranordnung eine Erfassungseinrichtung zum Erkennen eines Typs des Eingangsmoduls, des Koppelmoduls und/oder des Ausgangsmoduls auf. Mit der Erfassungseinrichtung können auch das erste und/oder das zweite Terminalmodul erkannt werden. Dabei kann die Gleichspannungswandleranordnung eine übergeordnete Erfassungseinrichtung aufweisen, mit der die einzelnen Module erkannt werden können. Alternativ dazu kann in jedem der Module eine derartige Erfassungseinrichtung vorgesehen sein. Mit der Erfassungseinrichtung kann beispielsweise erkannt werden, welche Schalteinrichtungen in dem Eingangsmodul und in dem Ausgangsmodul angeordnet sind. Zudem kann mit der Erfassungseinrichtung erfasst werden, ob das Koppelmodul zumindest eine Spule oder einen Transformator aufweist. Dabei kann die Erfassungseinrichtung auch dazu ausgebildet sein, eine fehlerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Modulen der Gleichspannungswandleranordnung zu erfassen. In diesem Fall können die erste oder die zweite Schalteinrichtung mittels der Steuereinrichtung so angesteuert werden, dass keine Beschädigung der jeweiligen Module der Gleichspannungswandleranordnung erfolgen kann. Somit kann eine Beschädigung der jeweiligen Module verhindert werden und die Sicherheit beim Betrieb der Gleichspannungswandleranordnung erhöht werden. In a further embodiment, the DC-DC converter arrangement has a detection device for detecting a type of the input module, the coupling module and / or the output module. With the detection device and the first and / or the second terminal module can be detected. In this case, the DC-DC converter arrangement may have a higher-level detection device with which the individual modules can be detected. Alternatively, such a detection device may be provided in each of the modules. With the detection device can be detected, for example, which switching devices are arranged in the input module and in the output module. In addition, it can be detected with the detection device whether the coupling module has at least one coil or a transformer. In this case, the detection device can also be designed to detect a faulty connection between the individual modules of the DC-DC converter arrangement. In this case, the first or the second switching device can be controlled by means of the control device so that no damage to the respective modules of the DC-DC converter arrangement can take place. Thus, damage to the respective modules can be prevented and the safety in the operation of the DC-DC converter arrangement can be increased.

Bevorzugt ist die erste Schalteinrichtung und/oder die zweite Schalteinrichtung mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einem mit der Erfassungseinrichtung erkannten Typ des Eingangsmoduls, des Koppelmoduls und/oder des Ausgangsmoduls steuerbar. Die Steuereinrichtung kann mit der Erfassungseinrichtung gekoppelt sein. In Abhängigkeit davon, welcher Typ bzw. welche Bauweise der einzelnen Module mit der Erfassungseinrichtung erkannt wird, können die Schalteinrichtungen angesteuert werden. The first switching device and / or the second switching device can be controlled by the control device in dependence on a type of the input module, the coupling module and / or the output module detected by the detection device. The control device may be coupled to the detection device. Depending on which type or construction the individual modules is detected with the detection device, the switching devices can be controlled.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Gleichspannungswandleranordnung zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umfasst das Bereitstellen eines Koppelmoduls, das Bereitstellen eines Eingangsmoduls zum Übertragen der Eingangsgleichspannung zu dem Koppelmodul mittels einer ersten Schalteinrichtung, das Bereitstellen eines Ausgangsmoduls zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung aus einer an dem Koppelmodul anliegenden elektrischen Spannung, das jeweilige Ausbilden des Eingangsmoduls, des Ausgangsmoduls und des Koppelmoduls als separates Modulelement, das elektrische Verbinden des Eingangsmoduls mit dem Koppelmodul und das elektrisches Verbinden des Koppelmoduls mit dem Ausgangsmodul. The inventive method for producing a DC-DC converter arrangement for converting a DC input voltage into a DC output voltage comprises providing a coupling module, providing an input module for transmitting the DC input voltage to the coupling module by means of a first switching device, providing an output module for providing the DC output voltage from a voltage applied to the coupling module electrical voltage, the respective formation of the input module, the output module and the coupling module as a separate module element, the electrical connection of the input module to the coupling module and the electrical connection of the coupling module with the output module.

Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandleranordnung beschriebenen Weiterbildungen können auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden. The further developments described above in connection with the DC voltage converter arrangement according to the invention can be transferred to the method according to the invention.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: The present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Showing:

1 eine Gleichspannungswandleranordnung in einer schematischen Darstellung; 1 a DC-DC converter arrangement in a schematic representation;

2 die Gleichspannungswandleranordnung in einer ersten Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswandleranordnung als unidirektionaler Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung ausgebildet ist; 2 the DC-DC converter arrangement in a first embodiment, wherein the DC-DC converter arrangement is designed as a unidirectional buck-boost converter without galvanic isolation;

3 die Gleichspannungswandleranordnung einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswandleranordnung als bidirektionaler Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung ausgebildet ist; 3 the DC-DC converter arrangement of a further embodiment, wherein the DC-DC converter arrangement is designed as a bidirectional buck-boost converter without galvanic isolation;

4 die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswandleranordnung als unidirektionaler Phase-Shift-Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist; 4 the DC-DC converter arrangement in a further embodiment, wherein the DC-DC converter arrangement is designed as a unidirectional phase-shift converter with galvanic isolation;

5 die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswandleranordnung als unidirektionaler Phase-Shift-Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist; 5 the DC-DC converter arrangement in a further embodiment, wherein the DC-DC converter arrangement is designed as a unidirectional phase-shift converter with galvanic isolation;

6 die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswandleranordnung als bidirektionaler Phase-Shift-Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist; 6 the DC-DC converter arrangement in a further embodiment, wherein the DC-DC converter arrangement is designed as a bidirectional phase-shift converter with galvanic isolation;

7 die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswandleranordnung als bidirektionaler Phase-Shift-Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist und ein Filterelement aufweist; und 7 the DC-DC converter arrangement in a further embodiment, wherein the DC-DC converter arrangement is designed as a bidirectional phase-shift converter with galvanic isolation and has a filter element; and

8 ein Koppelmodul für die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform. 8th a coupling module for the DC-DC converter arrangement in a further embodiment.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar. The embodiments described in more detail below represent preferred embodiments of the invention.

1 zeigt eine Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer schematischen Darstellung. Die Gleichspannungswandleranordnung 10 umfasst ein Eingangsmodul 12, an dem eine Eingangsgleichspannung U1 angelegt werden kann. Die Eingangsgleichspannung U1 kann an den Eingangsklemmen 22, 24 des Eingangsmoduls 12 angelegt werden. Des Weiteren umfasst die Gleichspannungswandleranordnung 10 ein Ausgangsmodul 14, mit dem eine Ausgangsgleichspannung U2 an den Ausgangsklemmen 28 und 30 bereitgestellt werden kann. Zudem umfasst die Gleichspannungswandleranordnung 10 ein Koppelmodul 16, das mit dem Eingangsmodul 12 und dem Ausgangsmodul 14 elektrisch verbunden ist. Das Eingangsmodul 12 umfasst eine hier nicht dargestellte erste Schalteinrichtung 26 zum Übertragen der Eingangsgleichspannung U1 an das Koppelmodul 16. In dem Ausgangsmodul 14 kann eine zweite Schalteinrichtung 32 angeordnet sein, mit der die an dem Koppelmodul 16 abfallende elektrische Spannung an die Ausgangsklemmen 28 und 30 übertragen wird. Des Weiteren umfasst die Gleichspannungswandleranordnung 10 ein erstes Terminalmodul 18 und ein zweites Terminalmodul 20. Das Terminalmodul 18 ist mit dem Eingangsmodul 12 elektrisch verbunden und das zweite Terminalmodul 20 ist elektrisch mit dem Ausgangsmodul verbunden. 1 shows a DC-DC converter arrangement 10 in a schematic representation. The DC-DC converter arrangement 10 includes an input module 12 to which a DC input voltage U1 can be applied. The DC input voltage U1 can be connected to the input terminals 22 . 24 of the input module 12 be created. Furthermore, the DC-DC converter arrangement comprises 10 an output module 14 , with which a DC output voltage U2 at the output terminals 28 and 30 can be provided. In addition, the DC-DC converter arrangement comprises 10 a coupling module 16 that with the input module 12 and the output module 14 electrically connected. The input module 12 includes a first switching device, not shown here 26 for transmitting the DC input voltage U1 to the coupling module 16 , In the output module 14 may be a second switching device 32 be arranged with the at the coupling module 16 declining electrical voltage to the output terminals 28 and 30 is transmitted. Furthermore, the DC-DC converter arrangement comprises 10 a first terminal module 18 and a second terminal module 20 , The terminal module 18 is with the input module 12 electrically connected and the second terminal module 20 is electrically connected to the output module.

Zudem umfasst die Gleichspannungswandleranordnung 10 eine Steuereinrichtung 46. Die Steuereinrichtung 46 ist mit dem Eingangsmodul 12, dem Ausgangsmodul 14, dem Koppelmodul 16 und den Terminalmodulen 18 und 20 verbunden. Dies ist vorliegend durch die gestrichelten Linien verdeutlicht. Damit kann die Steuereinrichtung 46 vom dem Eingangsmodul 12, dem Ausgangsmodul 14, dem Koppelmodul 16 und den Terminalmodulen 18 und 20 eine jeweilige Kennung bzw. eine ID empfangen bzw. diese von den Modulen 12, 14, 16, 18, 20 abfragen. Zu diesem Zweck kann einen hier nicht dargestellt Erfassungseinrichtung verwendet werden. Aus der jeweiligen Kennung kann die Steuereinrichtung 46 den Typ des Eingangsmoduls 12, des Ausgangsmoduls 14, des Koppelmoduls 16 und der Terminalmodule 18 und 20 ermitteln. In Abhängigkeit von dem erfassten Typ der jeweiligen Module 12, 14, 16, 18 und 20 kann mit der Steuereinrichtung 46 ein jeweiliges Steuersignal an die erste Schalteinrichtung 26 des Eingangsmoduls 12 und/oder die zweite Schalteinrichtung 32 des Ausgangsmoduls 14 übertragen werden. In addition, the DC-DC converter arrangement comprises 10 a control device 46 , The control device 46 is with the input module 12 , the output module 14 , the coupling module 16 and the terminal modules 18 and 20 connected. This is illustrated by the dashed lines. Thus, the control device 46 from the input module 12 , the output module 14 , the coupling module 16 and the terminal modules 18 and 20 receive a respective identifier or an ID or these from the modules 12 . 14 . 16 . 18 . 20 Interrogate. For this purpose, a detection device not shown here can be used. From the respective identifier, the control device 46 the type of input module 12 , the output module 14 , the coupling module 16 and the terminal modules 18 and 20 determine. Depending on the detected type of the respective modules 12 . 14 . 16 . 18 and 20 can with the control device 46 a respective control signal to the first switching device 26 of the input module 12 and / or the second switching device 32 of the output module 14 be transmitted.

Mit der Steuereinrichtung 46 bzw. der Erfassungseinrichtung kann auch eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Modulen 12, 14, 16, 18, 20 ermittelt werden. Mit der Steuereinrichtung 46 kann ein Signal ausgegeben werden, in Abhängigkeit von dem die erste und die zweite Schalteinrichtung 26, 32 angesteuert werden kann. Dabei können die einzelnen Module 12, 14, 16, 18, 20 der Gleichspannungswandleranordnung 10 mit Sensorik und Kommunikationstechnik derart ausgestattet sein, dass eine unzulässige Kombination der Module 12, 14, 16, 18, 20 zu einer Blockierung der Steuersätze der aktiven Bauelemente Q1, Q2, Q3, Q4 der ersten Schalteinrichtung 26 und/oder der aktiven Bauelemente Qs1, Qs2, Qs3 und Qs4 der zweiten Schalteinrichtung 32 führt, so dass die Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer solchen unzulässigen Kombination nicht betrieben werden kann. With the control device 46 or the detection device can also be an electrical connection between the individual modules 12 . 14 . 16 . 18 . 20 be determined. With the control device 46 a signal may be output depending on the first and second switching means 26 . 32 can be controlled. The individual modules can do this 12 . 14 . 16 . 18 . 20 the DC-DC converter arrangement 10 be equipped with sensors and communication technology such that an impermissible combination of the modules 12 . 14 . 16 . 18 . 20 to block the tax rates of the active devices Q1, Q2, Q3, Q4 of the first switching device 26 and / or the active devices Qs1, Qs2, Qs3 and Qs4 of the second switching device 32 leads, so that the DC-DC converter assembly 10 can not be operated in such an inadmissible combination.

2 zeigt die Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer ersten Ausführungsform. Das Eingangsmodul 12 umfasst eine Eingangskapazität C1, die elektrisch mit den Eingangsklemmen 22 und 24 des Eingangsmoduls 12 verbunden ist. Des Weiteren umfasst das Eingangsmodul 12 eine erste Schalteinrichtung 26, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die IGBTs Q1, Q2, Q3 und Q4 gebildet ist. IGBTs Q1, Q2, Q3 und Q4 sind vorliegend zu einer Vollbrücke verschaltet. Zudem umfasst das Ausgangsmodul 14 eine Ausgangskapazität C2, die mit den Ausgangsklemmen 28 und 30 elektrisch verbunden ist. Des Weiteren umfasst das Ausgangsmodul 14 eine zweite Schalteinrichtung 32 die durch vier Dioden D1, D2, D3 und D4 gebildet ist, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind. 2 shows the DC-DC converter arrangement 10 in a first embodiment. The input module 12 includes an input capacitance C1 electrically connected to the input terminals 22 and 24 of the input module 12 connected is. Furthermore, the input module includes 12 a first switching device 26 which is formed by the IGBTs Q1, Q2, Q3 and Q4 in the present embodiment. IGBTs Q1, Q2, Q3 and Q4 are in this case connected to a full bridge. In addition, the output module includes 14 an output capacitance C2 connected to the output terminals 28 and 30 electrically connected. Furthermore, the output module includes 14 a second switching device 32 which is formed by four diodes D1, D2, D3 and D4, which are connected in a full bridge.

Das Koppelmodul 16 umfasst ein Spulenelement 34, das durch die zwei Spulen L1 und L2 gebildet ist. Die erste Spule L1 bzw. Drossel ist zwischen eine erste Eingangsklemme V1 und eine erste Ausgangsklemme V3 des Koppelmoduls geschaltet. Die zweite Spule L2 bzw. Drossel ist zwischen eine zweite Eingangsklemme V2 und eine zweite Ausgangsklemme V4 des Koppelmoduls 14 geschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das erste Terminalmodul 18 einen elektrischen Leiter 36, der der elektrischen Verbindung der Schaltung in dem Eingangsmodul 12 dient. Das zweite Terminalmodul 20 umfasst einen elektrischen Leiter 38, der der elektrischen Verbindung der Schaltung in dem Ausgangsmodul 14 dient. The coupling module 16 comprises a coil element 34 which is formed by the two coils L1 and L2. The first coil L1 or choke is connected between a first input terminal V1 and a first output terminal V3 of the coupling module. The second coil L2 or choke is between a second input terminal V2 and a second output terminal V4 of the coupling module 14 connected. In the present embodiment, the first terminal module comprises 18 an electrical conductor 36 which is the electrical connection of the circuit in the input module 12 serves. The second terminal module 20 includes an electrical conductor 38 which is the electrical connection of the circuit in the output module 14 serves.

Die Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 2 stellt einen unidirektionalen Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung dar. Dabei sind das Eingangsmodul 12 und das Ausgangsmodul 14 mittels der beiden Spulen L1 und L2 des Koppelmoduls 16 galvanisch miteinander verbunden. Bei der Gleichspannungswandleranordnung 10 sind das Eingangsmodul 12, das Ausgangsmodul 14, das Koppelmodul 16, das erste Terminalmodul 18 und das zweite Terminalmodul 20 jeweils in einem separaten Gehäuse angeordnet. Die Gehäuse des Eingangsmoduls 12, des Ausgangsmoduls 14, des Koppelmoduls 16 und der Terminalmodule 18, 20 sind vorliegend alle mit 40 bezeichnet. Die elektrischen Kontakte zwischen den Modulen 12, 14, 16, 18, 20 können beispielsweise durch Schraubverbindungen oder Klemmverbindungen bereitgestellt werden. The DC-DC converter arrangement 10 according to 2 represents a unidirectional Buck Boost Converter without galvanic isolation. Here are the input module 12 and the output module 14 by means of the two coils L1 and L2 of the coupling module 16 galvanically connected to each other. In the DC-DC converter arrangement 10 are the input module 12 , the output module 14 , the coupling module 16 , the first terminal module 18 and the second terminal module 20 each arranged in a separate housing. The housings of the input module 12 , the output module 14 , the coupling module 16 and the terminal modules 18 . 20 are all present with 40 designated. The electrical contacts between the modules 12 . 14 . 16 . 18 . 20 can be provided for example by screw or clamp connections.

3 zeigt die Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Bei der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 3 sind das Eingangsmodul 12, das Koppelmodul 14, die Terminalmodule 18 und 20 an der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 2 aufgebaut. Das Ausgangsmodul 14 der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 3 weist vier IGBTs Qs1, Qs2, Qs3 und Qs4 auf, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Somit kann mit der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 3 ein bidirektionaler Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung bereitgestellt werden. Durch den modularen Aufbau der Gleichspannungswandleranordnung 10 kann ein einfacher Austausch des Ausgangsmoduls 14 ermöglicht werden. Somit kann durch einen Austausch des Ausgangsmoduls 14 der unidirektionale Buck-Boost-Converter gemäß 2 zu einem bidirektionalen Buck-Boost-Converter gemäß 3 umgebaut werden. 3 shows the DC-DC converter arrangement 10 in a further embodiment. In the DC-DC converter arrangement 10 according to 3 are the input module 12 , the coupling module 14 , the terminal modules 18 and 20 at the DC-DC converter arrangement 10 according to 2 built up. The output module 14 the DC-DC converter arrangement 10 according to 3 has four IGBTs Qs1, Qs2, Qs3 and Qs4 interconnected to a full bridge. Thus, with the DC-DC converter arrangement 10 according to 3 a bidirectional buck-boost converter without galvanic isolation can be provided. Due to the modular design of the DC-DC converter arrangement 10 can be a simple replacement of the output module 14 be enabled. Thus, by replacing the output module 14 the unidirectional buck-boost converter according to 2 to a bidirectional buck-boost converter according to 3 be rebuilt.

4 zeigt eine Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Bei der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 4 ist im Vergleich zu der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 2 das Koppelmodul 16 ausgetauscht. Das Koppelmodul 16 umfasst hierbei als Spulenelement 34 einen Transformator T1. Dabei ist ein Primärkreis 42 des Transformators T1 mit den Eingangsklemmen V1 und V2 des Koppelmoduls 16 verbunden. Eine Sekundärkreis 44 des Transformators T1 ist mit den Ausgangsklemmen V3 und V4 des Koppelmoduls 16 verbunden. Somit kann eine galvanisch getrennte Kopplung zwischen dem Eingangsmodul 12 und dem Ausgangsmodul 14 bereitgestellt werden. Des Weiteren umfasst das zweiten Terminalmoduls 20 ein Filter, das eine Spule L3 und einen Kondensator C3 umfasst, die elektrisch mit dem Ausgangsmodul 14 verbunden sind. Mit der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 4 ein unidirektionaler Phase-Shift-Wandler mit galvanischer Trennung bereitgestellt werden. 4 shows a DC-DC converter arrangement 10 in a further embodiment. In the DC-DC converter arrangement 10 according to 4 is compared to the DC-DC converter arrangement 10 according to 2 the coupling module 16 replaced. The coupling module 16 includes here as a coil element 34 a transformer T1. Here is a primary circuit 42 of the transformer T1 with the input terminals V1 and V2 of the coupling module 16 connected. A secondary circuit 44 of the transformer T1 is connected to the output terminals V3 and V4 of the coupling module 16 connected. Thus, a galvanically isolated coupling between the input module 12 and the output module 14 to be provided. Furthermore, the second terminal module comprises 20 a filter comprising a coil L3 and a capacitor C3 electrically connected to the output module 14 are connected. With the DC-DC converter arrangement 10 according to 4 one unidirectional phase-shift converters with galvanic isolation are provided.

5 zeigt eine Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Dabei ist im Vergleich zu der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 4 das Ausgangsmodul 14 ausgetauscht. Die zweite Schalteinrichtung 32 des Ausgangsmoduls 14 ist vorliegend durch eine Vollbrücke aus vier IGBTs Qs1, Qs2, Qs3 und Qs4 gebildet, wie sie im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde. Durch eine entsprechende Ansteuerung der zweiten Schalteinrichtung 32 mittels der Steuereinrichtung 46 kann eine Verschiebung der Phase der elektrischen Spannung in dem Ausgangsmodul 14 bewirkt werden. Durch die Verwendung des Ausgangsmoduls 14 gemäß 5 kann eine weitere Variante eines unidirektionalen Phase-Shift-Wandlers mit galvanischer Trennung bereitgestellt werden. 5 shows a DC-DC converter arrangement 10 in a further embodiment. In this case, compared to the DC-DC converter arrangement 10 according to 4 the output module 14 replaced. The second switching device 32 of the output module 14 is in this case formed by a full bridge of four IGBTs Qs1, Qs2, Qs3 and Qs4, as related to 3 has been described. By a corresponding control of the second switching device 32 by means of the control device 46 may be a shift in the phase of the voltage in the output module 14 be effected. By using the output module 14 according to 5 For example, another variant of a unidirectional phase-shift converter with galvanic isolation can be provided.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Gleichspannungswandleranordnung 10. Dabei ist im Vergleich zu der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 5 das erste Terminalmodul 18 ersetzt. Das erste Terminalmodul 18 ist analog zu dem zweiten Terminalmodul 20 aufgebaut und weist ein elektrisches Filter auf, das eine Spule L4 und einen Kondensator C4 umfasst, die elektrisch mit dem Eingangsmodul 12 verbunden sind. Mit der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 6 kann ein bidirektionaler Phase-Shift-Wandler bereitgestellt werden. 6 shows a further embodiment of the DC-DC converter arrangement 10 , In this case, compared to the DC-DC converter arrangement 10 according to 5 the first terminal module 18 replaced. The first terminal module 18 is analogous to the second terminal module 20 and comprises an electrical filter comprising a coil L4 and a capacitor C4 electrically connected to the input module 12 are connected. With the DC-DC converter arrangement 10 according to 6 For example, a bidirectional phase-shift converter can be provided.

7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Gleichspannungswandleranordnung 10. Dabei ist im Vergleich zu der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß 6 das Koppelmodul 16 ersetzt. Hierbei umfasst die Primärseite 42 des Transformators T1 zusätzlich ein elektrisches Filterelement, das einen Kondensator C5 und die Spule L5 umfasst. Damit kann ein Rensonanzwandler bereitgestellt werden. 7 shows a further embodiment of the DC-DC converter arrangement 10 , In this case, compared to the DC-DC converter arrangement 10 according to 6 the coupling module 16 replaced. This includes the primary page 42 of the transformer T1 additionally an electric filter element comprising a capacitor C5 and the coil L5. Thus, a Rensonanzwandler be provided.

8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Koppelmoduls 16. Im Vergleich zu dem in 7 gezeigten Koppelmodul 16 ist hierbei zusätzlich in dem Sekundärkreis 44 des Transformators T1 ein elektrisches Filterelement angeordnet, dass einen Kondensator C6 und eine Spule L6 umfasst. Das Koppelmodul 16 gemäß 8 dient als Resonanzwandler für einen bidirektionalen Gleichspannungswandler. 8th shows a further embodiment of a coupling module 16 , Compared to the in 7 shown coupling module 16 is here additionally in the secondary circuit 44 of the transformer T1, an electric filter element comprising a capacitor C6 and a coil L6. The coupling module 16 according to 8th serves as a resonant converter for a bidirectional DC-DC converter.

Der modulare Aufbau der Gleichspannungswandleranordnung 10 erlaubt es beispielsweise, den beschriebenen bidirektionalen Buck-Boost-Converter gemäß 2 als Basisprodukt aufzubauen und bei Bedarf durch eine galvanische Trennung – durch den Austausch des Koppelmoduls 16 – zu erweitern. Bei einem bidirektionalen Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung werden deutlich höhere Stückzahlen erreicht als bei Gleichspannungswandlern mit galvanischer Trennung. Somit kann das bestehende Produkt, mit einem Transformator T1, Induktivitäten L3 und L4, Kondensatoren C3 und C4 erweitert werden. Damit sind die Kosten geringer als bei der Entwicklung eines Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung. Dies eignet sich beispielsweise für die Einführungsphasen neuer Technologien, wie beispielsweise das DC-Laden von Elektrofahrzeugen. Absehbar war, dass Geräte in galvanischer Trennung zunächst nur in geringen Stückzahlen benötigt werden. Hierbei wäre es kostenintensiv einen separaten Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung zu entwickeln. The modular design of the DC-DC converter arrangement 10 allows, for example, the described bidirectional buck-boost converter according to 2 as a base product and if necessary by a galvanic separation - by the replacement of the coupling module 16 - to expand. A bidirectional buck-boost converter without galvanic isolation achieves significantly higher numbers of outputs than DC-DC converters with galvanic isolation. Thus, the existing product can be expanded with a transformer T1, inductors L3 and L4, capacitors C3 and C4. Thus, the costs are lower than in the development of a DC-DC converter with galvanic isolation. This is suitable, for example, for the introduction phases of new technologies, such as the DC charging of electric vehicles. It was foreseeable that devices in electrical isolation would initially only be required in small numbers. It would be costly to develop a separate DC-DC converter with galvanic isolation.

Die Gleichspannungswandleranordnungen 10, die im Zusammenhang mit den 1 bis 8 beschrieben sind, können beispielsweise für Leistungsklassen zwischen 10 kW und wenigen 100 kW eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein 50 kW Gleichspannungswandler mit einer Eingangsspannung U1 von 600 V und einer Ausgangsspannung U2, die in einem Bereich zwischen 200 und 500 V liegt, bereitgestellt werden. Dabei können die Kondensatoren C1 und C2 eine Kapazität von 40 μF und die Kondensatoren C3 und C4 eine Kapazität von 1 mF aufweisen. Die Spulen L1 und L2 können eine Induktivität von 1,2 mH und die Spulen L3 und L4 eine Induktivität von 40 μH aufweisen. Der Transformator T1 kann beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von 5:6 aufweisen. Zudem können entsprechende Hilfsinduktivitäten mit einer Induktivität von 1 μH verwendet werden. Die IGBTs der ersten und der zweiten Schalteinrichtung 26, 32 können beispielsweise mit einer Frequenz von 20kHz geschalten werden. Anstelle der IGBTs können auch MOSFETs verwendet werden. The DC-DC converter arrangements 10 related to the 1 to 8th can be used, for example, for power classes between 10 kW and a few 100 kW. For example, a 50 kW DC-DC converter with an input voltage U1 of 600 V and an output voltage U2, which is in a range between 200 and 500 V, can be provided. The capacitors C1 and C2 may have a capacitance of 40 μF and the capacitors C3 and C4 a capacitance of 1 mF. The coils L1 and L2 can have an inductance of 1.2 mH and the coils L3 and L4 an inductance of 40 μH. The transformer T1 may, for example, have a transmission ratio of 5: 6. In addition, corresponding auxiliary inductances with an inductance of 1 μH can be used. The IGBTs of the first and second switching devices 26 . 32 can be switched for example with a frequency of 20kHz. Instead of the IGBTs, MOSFETs can also be used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"A comparision of high-power DC-DC soft-switched converter topologies" by R. Steigerwald et al., IEEE Transactions on Industry Applications, 1996 [0005]

Claims

DC-DC converter arrangement ( 10 ) for converting a DC input voltage (U1) into a DC output voltage (U2) with - a coupling module ( 16 ), - an input module ( 12 ) for transmitting the DC input voltage (U1) to the coupling module ( 16 ) by means of a first switching device ( 26 ), and - an output module ( 14 ) for providing the DC output voltage (U2) from one at the coupling module ( 16 ) applied voltage, characterized in that - the input module ( 12 ), the output module ( 14 ) and the coupling module ( 16 ) are each formed as a separate module element, - the input module ( 12 ) with the coupling module ( 16 ) is electrically connected and - the coupling module ( 16 ) with the output module ( 14 ) is electrically connected.

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the input module ( 12 ), the output module ( 14 ) and the coupling module ( 16 ) each in a separate housing ( 40 ) are arranged.

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coupling module ( 16 ) comprises at least one coil (L1, L2) which, when the input module is connected ( 12 ) with the coupling module ( 16 ) and the coupling module ( 16 ) with the output module ( 14 ) a galvanic connection between the input module ( 12 ) and the output module ( 14 ).

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coupling module ( 16 ) comprises a transformer (T1) which, when the input module is connected ( 12 ) with the coupling module ( 16 ) and the coupling module ( 16 ) with the output module ( 14 ) a galvanically isolated coupling between the input module ( 12 ) and the output module ( 14 ).

DC-DC converter arrangement according to claim 4, characterized in that the coupling module ( 16 ) comprises at least one electrical filter element which is in a primary circuit ( 42 ) and / or a secondary circuit ( 44 ) of the transformer (T1) is arranged.

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first switching device ( 26 ) comprises at least one semiconductor switch (Q1, Q2, Q3, Q4).

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the output module ( 14 ) a second switching device ( 32 ) for transmitting the at the coupling module ( 16 ) has applied electrical voltage.

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the DC-DC converter arrangement ( 10 ) a first terminal module ( 18 ) electrically connected to the input module ( 12 ), and / or a second terminal module ( 20 ) electrically connected to the output module ( 14 ), wherein the first and / or the second terminal module comprises an electrical filter element.

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the DC-DC converter arrangement ( 10 ) a control device ( 46 ) for controlling the first switching device ( 26 ) and / or the second switching device ( 32 ).

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to claim 8, characterized in that the DC-DC converter arrangement ( 10 ) a detection device for detecting a type of the input module ( 12 ), the coupling module ( 16 ), Claim 8 of the output module ( 14 ), the first terminal module ( 18 ) and / or the second terminal module ( 20 ) having.

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to claim 10, characterized in that the first switching device ( 26 ) and / or the second switching device ( 32 ) by means of the control device ( 46 ) in dependence on the type of input module detected by the detection device ( 12 ), the coupling module ( 16 ) and / or the output module ( 14 ) is controllable.

DC-DC converter arrangement ( 10 ) according to claim 9 or 11, characterized in that the first switching device ( 26 ) and / or the second switching device ( 32 ) by means of the control device ( 46 ) is hard-switching, interleaved or phase-shifted controllable.

Method for producing a DC-DC converter arrangement ( 10 ) for converting a DC input voltage (U1) into a DC output voltage (U2) by providing a coupling module ( 16 ), - providing an input module ( 12 ) for transmitting the DC input voltage (U1) to the coupling module ( 16 ) by means of a first switching device ( 26 ), and - providing an output module ( 14 ) for providing the DC output voltage (U2) from one at the coupling module ( 16 ) applied voltage, characterized by - respective formation of the input module ( 12 ), the output module ( 14 ) and the coupling module ( 16 ) as a separate module element, - electrical connection of the input module ( 12 ) with the coupling module ( 16 ) and - electrical connection of the coupling module ( 16 ) with the output module ( 14 ).