DE102014014639A1 - Bidirectional push-pull flux converter and method for its operation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler (1) mit einer Eingangsstufe (2) zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einen eine Primärwicklung (3) und eine Sekundärwicklung (4) aufweisenden Transformator (5) zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung (U0) und einer Ausgangsstufe (6) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung (U0) in eine zweite Gleichspannung (UAus). Um zu erreichen, dass der Gegentaktflusswandler (1) einfach aufgebaut ist und einen Ausgangsstrom aufweist, dessen Welligkeit geringer ist als bei vergleichbaren bekannten Gegentaktflusswandlern, schlägt die Erfindung vor, den Gegentaktflusswandler (1) symmetrisch aufzubauen, wobei sowohl die Eingangsstufe (2) als auch die Ausgangstufe (6) als H-Schaltbrücken (12, 15) mit vor- bzw. nachgeschalteten LC-Gliedern (9, 19) ausgebildet ist. Zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) werden jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) in den beiden H-Schaltbrücken (12, 15) mit Hilfe einer Steuereinrichtung (13) abwechselnd an- und abgeschaltet, so dass der Transformator während eines ersten Zeitintervalles T1 in einer ersten Richtung und während eines zweiten Zeitintervalles T2 = T1 in der Gegenrichtung durchflutet wird, wobei der Tastgrad d > 1 gewählt ist.The invention relates to a bidirectional push-pull type flux converter (1) having an input stage (2) for converting a first DC voltage into a first AC voltage, a transformer (5) having a primary winding (3) and a secondary winding (4) for transmitting the first AC voltage to a second one AC voltage (U0) and an output stage (6) for converting the second AC voltage (U0) into a second DC voltage (UAus). To achieve that the push-pull flow converter (1) is simple and has an output current whose ripple is less than in comparable known push-pull flow converters, the invention proposes to symmetrically construct the push-pull flow converter (1), wherein both the input stage (2) and the output stage (6) is designed as H-switching bridges (12, 15) with upstream or downstream LC elements (9, 19). For operation of the push-pull type flux converter (1), two semiconductor switching element pairs (S1, S4; S2, S3 and S5, S8, S6, S7) in the two H-switching bridges (12, 15) are alternately switched on and off by means of a control device (13) is turned off, so that the transformer is flooded during a first time interval T1 in a first direction and during a second time interval T2 = T1 in the opposite direction, the duty cycle d> 1 is selected.

Description

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler mit einer Eingangsstufe zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einen eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisenden Transformator zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung und einer Ausgangsstufe zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb des bidirektionalen Gegentaktflusswandlers.The invention relates to a bidirectional Gegentaktflusswandler having an input stage for converting a first DC voltage into a first AC voltage, a primary winding and a secondary winding having transformer for transmitting the first AC voltage to a second AC voltage and an output stage for converting the second AC voltage into a second DC voltage. The invention further relates to a method for operating the bidirectional push-pull type flux converter.

Gegentaktflusswandler sind beispielsweise aus dem Wikipedia-Artikel „Gegentaktflusswandler” vom 06.07.2014 bekannt ( http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler ). Insbesondere werden dort Gegentaktflusswandler mit Vollbrückenansteuerung näher beschrieben. Bei diesen bekannten Gleichspannungswandlern umfasst die jeweilige Eingangsstufe eine H-Schaltbrücke, die sich aus vier MOS-Feldeffekttransistoren zusammensetzt, wobei die Primärwicklung des Transformators im Mittelsteg angeordnet ist. Die Ausgangsstufe besteht im Wesentlichen aus einem Diodenbrückengleichrichter, dem ein Tiefpassfilter aus serieller Induktivität und parallelem Kondensator nachgeschaltet ist.Push-pull flux converters are known, for example, from the Wikipedia article "push-pull flux converter" of 06.07.2014 ( http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler ). In particular, push-pull flux converters with full-bridge control are described in greater detail there. In these known DC-DC converters, the respective input stage comprises an H-switching bridge, which is composed of four MOS field effect transistors, wherein the primary winding of the transformer is arranged in the central web. The output stage consists essentially of a diode bridge rectifier, which is followed by a low-pass filter of series inductance and parallel capacitor.

Nachteilig bei diesem bekannten Gegentaktflusswandler ist unter anderem, dass es sich nicht um einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler handelt. Außerdem müssen die in der Eingangsstufe verwendeten Halbleiterschaltelemente durch zusätzliche Schutzschaltungen gegen Überspannungen gesichert werden, die beim Ein- und Ausschalten der Schaltelemente aufgrund der Streuinduktivitäten des Transformators auftreten können.A disadvantage of this known push-pull flow converter is, inter alia, that it is not a bidirectional Gegentaktflusswandler. In addition, the semiconductor switching elements used in the input stage must be protected by additional protection circuits against overvoltages that can occur when turning on and off of the switching elements due to the stray inductances of the transformer.

Zwar wird in dem Wikipedia-Artikel erwähnt, dass der Tastgrad d (Verhältnis der Einschaltdauern T1 und T2 beider Halbbrücken der H-Schaltbrücke zur Zykluszeit To) etwa 1 werden kann, doch soll ebenfalls sicher vermieden werden, dass alle Halbleiterschaltelemente in der Eingangsstufe gleichzeitig eingeschaltet werden, d. h. der Tastgrad muss stets etwas kleiner als 1 sein.Although it is mentioned in the Wikipedia article that the duty cycle d (ratio of the turn-on times T1 and T2 of both half-bridges of the H-bridge to the cycle time To) can be about 1, but also should be avoided that all semiconductor switching elements in the input stage simultaneously turned on be, d. H. the duty cycle must always be slightly less than 1.

Sofern der Tastgrad wesentlich kleiner als 1 ist, ergibt sich außerdem am Ausgang des Gegentaktflusswandlers eine Gleichspannung mit relativ großer Welligkeit.If the duty cycle is significantly less than 1, also results in the output of Gegentaktflusswandlers a DC voltage with relatively large ripple.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bidirektionalen Gegentaktflusswandler zu offenbaren, der einfach aufgebaut ist und dessen jeweiliger Ausgangsstrom eine geringe Welligkeit aufweist. Außerdem soll ein Verfahren zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers offenbart werden.The invention has for its object to disclose a bidirectional Gegentaktflusswandler, which is simple in construction and whose respective output current has a low ripple. In addition, a method for operating the Gegentaktflusswandlers be disclosed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Gegentaktflusswandlers durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.This object is achieved with respect to the push-pull flow converter by the features of claim 1 and with respect to the method by the features of claim 4. Further, particularly advantageous embodiments of the invention disclose the dependent claims.

Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, den Gegentaktflusswandler symmetrisch aufzubauen, d. h., sowohl die Eingangsstufe als auch die Ausgangsstufe des Gegentaktflusswandlers als H-Schaltbrücke mit vor- bzw. nachgeschalteten LC-Gliedern auszubilden. Die Steuereinrichtung ist dabei derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare in den beiden H-Schaltbrücken mit Hilfe der Steuereinrichtung abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird (Wechseldurchflutung). Dabei ist von besondere Bedeutung, dass der Tastgrad d nicht ≤ 1, sondern > 1 gewählt wird.Essentially, the invention is based on the idea of constructing the push-pull flux converter symmetrically, i. h., Both the input stage and the output stage of Gegentaktflusswandlers form as H-switching bridge with upstream or downstream LC elements. In this case, the control device is constructed in such a way that two semiconductor switching element pairs in the two H switching bridges are alternately switched on and off with the aid of the control device so that the transformer can be switched on during a first time interval (T1) in a first direction and during a first time interval second time interval (T2 = T1) in the opposite direction is flooded (alternating flow). It is of particular importance that the duty cycle d not ≤ 1, but> 1 is selected.

Im Gegensatz zu bekannten Gegentaktflusswandlern werden kurzfristig also alle Halbleiterschaltelementpaare gleichzeitig eingeschaltet und damit die Wicklungen des Transformators kurzzeitig kurzgeschlossen, so dass es beim Ein- und Ausschalten der Halbleiterschaltelemente aufgrund der Streuinduktivitäten des Transformators nicht zu Überspannungen an den Schaltelementen kommen kann und zusätzliche Schutzschaltungen entbehrlich sind. Der durch den kurzzeitigen Kurzschluss der Primärwicklung des Transformators entstehende Kurzschlussstrom wird durch die eingangsseitige Speicherdrossel begrenzt, so dass es zu keiner Beschädigung der angeschlossenen Batterie kommen kann.In contrast to known Gegentaktflusswandlern so short of all semiconductor switching element pairs are turned on simultaneously and thus shorted the windings of the transformer so that it can not lead to overvoltages on the switching elements when switching on and off of the semiconductor switching elements due to the stray inductances of the transformer and additional protection circuits are unnecessary. The resulting short-circuiting of the primary winding of the transformer short-circuit current is limited by the input side storage choke, so that there may be no damage to the connected battery.

Aufgrund der Tatsache, dass der Tastgrad lediglich etwas größer als 1 ist, ergibt sich ausgangsseitig eine sehr geringe Welligkeit des Gleichstromes.Due to the fact that the duty cycle is only slightly greater than 1, there is a very low ripple of the direct current on the output side.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Halbleiterschaltelementpaare derart durch die Steuereinrichtung angesteuert werden, dass sich die beiden Zeitintervalle (T1 und T2) während eines Zeitraumes von < 200 ns, vorzugsweise während eines Zeitraumes von ≤ 100 ns, überdecken.It has proved to be advantageous if the semiconductor switching element pairs are controlled by the control device such that the two time intervals (T1 and T2) overlap during a period of <200 ns, preferably over a period of ≤100 ns.

Da der erfindungsgemäße Gegentaktflusswandler symmetrisch aufgebaut ist, sind Eingangs- und Ausgangsstufe vertauschbar, d. h. der Gegentaktflusswandler ist bidirektional verwendbar.Since the Gegentaktflusswandler invention is constructed symmetrically, input and output stage are interchangeable, d. H. the push-pull flow converter can be used bidirectionally.

Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der erfindungsgemäße Gegentaktflusswandler mit einem fest vorgegebenen Tastgrad betrieben wird, so dass das Übersetzungsverhältnis des Wandlers im Wesentlichen nur durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators bestimmt ist. Sollte eine Spannungsregelung erforderlich sein, so erfolgt diese vorzugsweise nicht durch eine Impulsweitenmodulation des erfindungsgemäßen Gegentaktflusswandlers selbst, sondern durch eine Impulsweitenmodulation eines dem erfindungsgemäßen Wandler nachgeschalteten Aufwärts- oder Abwärtswandlers.It has proven to be advantageous if the Gegentaktflusswandler invention is operated with a fixed predetermined duty cycle, so that the transmission ratio of the converter in the Essentially determined only by the transmission ratio of the transformer. If a voltage control is required, this is preferably not done by a pulse width modulation of Gegentaktflusswandlers invention itself, but by a pulse width modulation of the converter according to the invention downstream up or down converter.

Bei den Halbleiterschaltelementen der beiden H-Schaltbrücken handelt es sich vorzugsweise um Feldeffekttransistoren, insbesondere um MOS-Feldeffekttransistoren.The semiconductor switching elements of the two H-jumpers are preferably field-effect transistors, in particular MOS field-effect transistors.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will become apparent from the following, with reference to figures explained embodiments. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Schaltung eines erfindungsgemäßen bidirektionalen Gegentaktflusswandlers im ausgeschalteten Zustand; 1 a schematic representation of a circuit of a bidirectional Gegentaktflusswandlers invention in the off state;

2a–2d zeitliche Verläufe der Steuersignale an den Halbleiterschaltelementen der beiden Schaltbrücken, der Spannungen U0 am Ausgang des Transformators und der Spannung U1 am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke sowie der Spannung UAus am Ausgang des Gegentaktflusswandlers; 2a - 2d time profiles of the control signals to the semiconductor switching elements of the two switching bridges, the voltages U0 at the output of the transformer and the voltage U1 at the output of the second H-bridge and the voltage U out at the output of Gegentaktflusswandlers;

3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Fotovoltaikanlage mit einem die erfindungsgemäßen bidirektionalen Gegentaktflusswandler verwendenden Batteriespeicher. 3 a simplified block diagram of a photovoltaic system with a bi-directional Gegentaktflusswandler invention using battery memory.

In 1 ist mit 1 ein erfindungsgemäßer bidirektionaler Gegentaktflusswandler (DC/DC-Wandler) mit einer Eingangsstufe 2 zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung UEin in eine erste Wechselspannung, einem eine Primärwicklung 3 und eine Sekundärwicklung 4 aufweisenden Transformator 5 zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung U0 und einer Ausgangsstufe 6 zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung U0 in eine zweite Gleichspannung UAus bezeichnet.In 1 is with 1 an inventive bidirectional Gegentaktflusswandler (DC / DC converter) with an input stage 2 for converting a first DC voltage U A into a first AC voltage, one a primary winding 3 and a secondary winding 4 having transformer 5 for transmitting the first alternating voltage into a second alternating voltage U0 and an output stage 6 to convert the second AC voltage U0 into a second DC voltage U Aus .

Die Eingangsstufe 2 weist zwei Eingangsanschlüsse 7, 8 auf, die über ein erstes LC-Glied 9, bestehend aus einer seriell angeordneten ersten Speicherdrossel 10 und einem parallel zu den Eingangsanschlüssen 7, 8 angeordneten ersten Kondensator 11, mit einer ersten H-Schaltbrücke 12 verbunden sind.The entrance level 2 has two input terminals 7 . 8th on, which has a first LC element 9 consisting of a serially arranged first storage throttle 10 and one parallel to the input terminals 7 . 8th arranged first capacitor 11 , with a first H-bridge 12 are connected.

Die erste H-Schaltbrücke 12 wird durch vier Halbleiterschaltelemente S1–S4 gebildet, die durch eine Steuereinrichtung 13 ansteuerbar sind. Als Halbleiterschaltelemente S1–S4 werden dabei vorzugsweise MOS-Feldeffekttransistoren verwendet.The first H-bridge 12 is formed by four semiconductor switching elements S1-S4, which are controlled by a control device 13 are controllable. As semiconductor switching elements S1-S4 MOS field effect transistors are preferably used.

In dem Mittelsteg 14 der ersten H-Schaltbrücke 12 ist die Primärwicklung 3 des Transformators 5 angeordnet.In the central pier 14 the first H-bridge 12 is the primary winding 3 of the transformer 5 arranged.

Die Ausgangsstufe 6 umfasst eine zweite H-Schaltbrücke 15 mit vier durch die Steuereinrichtung ansteuerbare Halbleiterschaltelemente S5–S8 (vorzugsweise ebenfalls MOS-Feldeffekttransistoren), wobei die Sekundärwicklung 4 des Transformators 5 in dem Mittelsteg 16 der zweiten H-Schaltbrücke 15 angeordnet ist.The output stage 6 includes a second H-bridge 15 with four controllable by the controller semiconductor switching elements S5-S8 (preferably also MOS field effect transistors), wherein the secondary winding 4 of the transformer 5 in the central pier 16 the second H-bridge 15 is arranged.

Ausgangsseitig ist die zweite H-Schaltbrücke 15 über ein aus einer seriell angeordneten zweiten Speicherdrossel 17 und einem parallel angeordneten zweiten Kondensator 18 bestehenden zweiten LC-Glied 19 mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen 20, 21 der Ausgangsstufe 6 verbunden.On the output side is the second H-switching bridge 15 via one of a serially arranged second storage throttle 17 and a second capacitor arranged in parallel 18 existing second LC element 19 with appropriate output connections 20 . 21 the output stage 6 connected.

Die Steuereinrichtung 13 umfasst einen Mikrokontroller und ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des erfindungsgemäßen Gegentaktflusswandlers 1 jeweils zwei (diagonal gegenüberliegende) Halbleiterschaltelementpaare S1, S4 und S2, S3 der ersten H-Schaltbrücke 12 sowie S5, S8 und S6, S7 der zweiten H-Schaltbrücke 15 mit Hilfe der Steuereinrichtung 13 abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator 5 während eines ersten Zeitintervalles in einer ersten Richtung und während eines zweiten Zeitintervalles in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke 15 sich eine Gleichspannung ergibt.The control device 13 comprises a microcontroller and is constructed such that for operation of the push-pull type flux converter according to the invention 1 each two (diagonally opposite) semiconductor switching element pairs S1, S4 and S2, S3 of the first H-switching bridge 12 as well as S5, S8 and S6, S7 of the second H-bridge 15 with the help of the control device 13 be alternately turned on and off, leaving the transformer 5 during a first time interval in a first direction and during a second time interval in the opposite direction is flooded and at the output of the second H-switching bridge 15 a DC voltage results.

Eventuell auftretende Überspannungen, die ausgangsseitig durch die Streuinduktivität des Transformators 5 erzeugt werden, können durch eine in 1 nicht dargestellte, am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke 15 parallel zu dieser angeordneten Schaltung abgefangen werden (z. B. durch eine Serienschaltung einer entsprechenden Diode und eines Kondensators).Any overvoltages occurring on the output side due to the stray inductance of the transformer 5 can be generated by a in 1 not shown, at the output of the second H-bridge 15 be intercepted parallel to this arranged circuit (eg, by a series connection of a corresponding diode and a capacitor).

2a und 2b zeigen die Zeitintervalle T1 und T2 während welcher die Halbleiterschaltelementpaare S1, S4 und S5, S8 sowie S2, S3 und S6, S7 angeschaltet sind. Dabei sind während einer kurzen Zeitdifferenz Δt von ca. 100 ns alle vier Halbleiterschaltelemente S1–S4 und S5–S8 der ersten und der zweiten H-Schaltbrücke 12 und 15 eingeschaltet, so dass kurzzeitig die Primärwicklung 3 sowie die Sekundärwicklung 4 des Transformators 5 kurzgeschlossen werden und an der ersten Speicherdrossel 10 ausgangsseitig nahezu Null Volt anliegen. Die Stromänderung in der Speicherdrossel 10, die durch den kurzzeitigen Kurzschluss entsteht (bei einem konkreten Beispiel betrug sie ca. 1,5 A), ist im Verhältnis zum Nutzstrom (bei dem Beispiel betrug dieser 33 A) vernachlässigbar. 2a and 2 B show the time intervals T1 and T2 during which the semiconductor switching element pairs S1, S4 and S5, S8 and S2, S3 and S6, S7 are turned on. In this case, all four semiconductor switching elements S1-S4 and S5-S8 of the first and the second H-switching bridge are during a short time difference .DELTA.t of about 100 ns 12 and 15 turned on, so that briefly the primary winding 3 as well as the secondary winding 4 of the transformer 5 be short-circuited and at the first storage choke 10 output side almost zero volts applied. The current change in the storage choke 10 , which is caused by the short-circuit (in a specific example, it was about 1.5 A), is in Ratio to the useful flow (in the example, this 33 A) was negligible.

2c ist der zeitliche Verlauf der zweiten Wechselspannung U0 am Ausgang des Transformators 5 zu entnehmen, der durch die zweite H-Schaltbrücke 15 in eine pulsmodulierte Gleichspannung U1 umgewandelt wird (2d). 2c is the time course of the second AC voltage U0 at the output of the transformer 5 to be seen by the second H-bridge 15 is converted into a pulse-modulated DC voltage U1 ( 2d ).

Durch das der zweiten Schaltbrücke 15 nachgeschaltete zweite LC-Glied 19 entsteht aus der Gleichspannung U1 eine Ausgangsspannung UAus mit einem sehr geringen Wechselspannungsanteil.By the second switching bridge 15 downstream second LC element 19 arises from the DC voltage U1 an output voltage U Aus with a very low AC voltage component.

Der vorstehend beschriebene bidirektionale DC/DC-Wandler 1 hat sich besonders in Systemen zur Speicherung von regenerativer Energie mittels einem aus mehreren Batteriezellen bestehenden Batteriespeicher bewährt. Dabei wird vorzugsweise jeder Batteriezelle ein eigener bidirektionaler DC/DC-Wandler zugeordnet, so dass auch unterschiedliche Batteriezellen oder Batteriezellen mit unterschiedlichem Ladezustand verwendbar sind.The bidirectional DC / DC converter described above 1 has proven itself particularly in systems for storing regenerative energy by means of a battery storage consisting of several battery cells. In this case, preferably each battery cell is assigned its own bidirectional DC / DC converter, so that different battery cells or battery cells with different state of charge can be used.

In 3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Fotovoltaikanlage mit einem derartigen Batteriespeicher dargestellt.In 3 is a simplified block diagram of a photovoltaic system shown with such a battery storage.

Dabei liefert eine Energiequelle 22 (Solarzelle) Strom, der über einen Wechselrichter 23 einem öffentlichen Stromnetz oder einem Gebäudenetz zugeführt wird. Überschüssige elektrische Energie wird hingegen in einem Energiespeicher 24 zwischengespeichert und kann später bedarfsgerecht abgerufen werden.It provides an energy source 22 (Solar cell) Electricity flowing through an inverter 23 a public power grid or a building network is supplied. Excess electrical energy, however, is in an energy store 24 cached and can be retrieved later as needed.

Jeder Batteriezelle 25 des Energiespeichers 24 ist ein eigener erfindungsgemäßer bidirektionaler DC/DC-Wandler 1 zugeordnet, wobei alle DC/DC-Wandler 1 energiequellenseitig parallel geschaltet sind.Each battery cell 25 of the energy store 24 is a separate inventive bidirectional DC / DC converter 1 assigned, with all DC / DC converters 1 are connected in parallel on the power source side.

Beträgt also die von der Energiequelle 22 erzeugte Spannung beispielsweise 60 V, so wird diese Spannung bei dem Ladevorgang des Energiespeichers 24 auf die maximale Ladespannung der jeweiligen Batteriezelle 25 (z. B. 3, 5 V) mittels des ihm zugeordneten DC/DC-Wandlers 1 heruntertransformiert. Bei dem Entladevorgang des Energiespeichers 24 hingegen transformiert der jeweilige DC/DC-Wandler 1 dann die an der entsprechenden Batteriezelle 25 anliegende Spannung auf einen Spannungswert von 60 V, die dann von dem Wechselrichter 23 in eine entsprechende Wechselspannung transformiert wird.So that is from the source of energy 22 generated voltage, for example, 60 V, so this voltage in the charging of the energy storage 24 to the maximum charging voltage of the respective battery cell 25 (eg, 3.5 V) by means of its associated DC / DC converter 1 stepped down. During the discharge process of the energy storage 24 whereas the respective DC / DC converter is transformed 1 then the at the corresponding battery cell 25 applied voltage to a voltage value of 60 V, which is then from the inverter 23 is transformed into a corresponding AC voltage.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise nicht zwingend erforderlich, dass die Steuereinrichtung 13 einen Mikrokontroller enthält. Insbesondere bei einem Betrieb mit festem Übersetzungsverhältnis (konstantem Tastgrad) kann es ausreichen, lediglich einen Taktgenerator zur Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente zu verwenden.The invention is of course not limited to the embodiments described above. For example, it is not mandatory that the control device 13 contains a microcontroller. In particular, in a fixed gear ratio operation (constant duty cycle), it may be sufficient to use only one clock generator for driving the semiconductor switching elements.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
(bidirektionaler) DC/DC-Wandler, (bidirektionaler) Gegentaktflusswandler(bidirectional) DC / DC converter, (bidirectional) push-pull type flux converter
22
Eingangsstufedoorstep
33
Primärwicklungprimary
44
Sekundärwicklungsecondary winding
55
Transformatortransformer
66
Ausgangsstufeoutput stage
7, 87, 8
Eingangsanschlüsseinput terminals
99
(erstes) LC-Glied(first) LC element
1010
erste Speicherdrosselfirst storage throttle
1111
erster Kondensatorfirst capacitor
1212
erste H-Schaltbrückefirst H-switching bridge
1313
Steuereinrichtungcontrol device
1414
Mittelsteg (erste H-Schaltbrücke)Middle bridge (first H-bridge)
1515
zweite H-Schaltbrückesecond H-switching bridge
1616
Mittelsteg (zweite H-Schaltbrücke)Middle bridge (second H-bridge)
1717
zweite Speicherdrosselsecond storage throttle
1818
zweiter Kondensatorsecond capacitor
1919
(zweites) LC-Glied(second) LC element
20, 2120, 21
Ausgangsanschlüsseoutput terminals
2222
Energiequelleenergy
2323
Wechselrichterinverter
2424
Energiespeicherenergy storage
2525
Batteriezellebattery cell
S1–S4S1-S4
HalbleiterschaltelementeSemiconductor switching elements
S5–S8S5-S8
HalbleiterschaltelementeSemiconductor switching elements
T1, T2T1, T2
Zeitintervalletime intervals
Δt.delta.t
Zeitdifferenztime difference
U0U0
zweite Wechselspannungsecond AC voltage
U1U1
pulsmodulierte Gleichspannungpulse modulated DC voltage
UAus U out
Ausgangsspannung, zweite GleichspannungOutput voltage, second DC voltage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler [0002] http://en.wikipedia.org/wiki/Gegentaktflusswandler [0002]

Claims (5)

Bidirektionaler Gegentaktflusswandler mit einer Eingangsstufe (2) zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einem mindestens eine Primärwicklung (3) und mindestens eine Sekundärwicklung (4) aufweisenden Transformator (5) zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung (U0) und einer Ausgangsstufe (6) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung (U0) in eine zweite Gleichspannung (UAus), mit den Merkmalen: a) die Eingangsstufe (2) umfasst eine erste H-Schaltbrücke (12) mit vier durch eine Steuereinrichtung (13) ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen (S1–54), wobei die Primärwicklung (3) des Transformators (5) in dem Mittelsteg (14) der ersten H-Schaltbrücke (12) angeordnet ist; b) die Ausgangsstufe (6) umfasst eine zweite H-Schaltbrücke (15) mit vier durch die Steuereinrichtung (13) ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen (S5–S8), wobei die Sekundärwicklung (4) des Transformators (5) in dem Mittelsteg (16) der zweiten H-Schaltbrücke (15) angeordnet ist; c) der ersten H-Schaltbrücke (12) sind eingangsseitig ein aus einer seriell angeordneten ersten Speicherdrossel (10) und einem parallel angeordneten ersten Kondensator (11) bestehendes erstes LC-Glied (9) vorgeschaltet und der zweiten H-Schaltbrücke (15) sind ausgangsseitig ein aus einer seriell angeordneten zweiten Speicherdrossel (17) und einem parallel angeordneten zweiten Kondensator (18) bestehendes zweites LC-Glied (19) nachgeschaltet; d) die Steuereinrichtung (13) ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) in den beiden H-Schaltbrücken (12, 15) mit Hilfe der Steuereinrichtung (13) abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator (5) während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke (15) sich eine pulsmodulierte Gleichspannung (U1) ergibt, wobei e) der sich aus den beiden Zeitintervallen (T1, T2) und der Zykluszeit (To) ergebende Tastgrad d = 2 T1/To derart gewählt ist, dass d > 1 ist.Bidirectional push-pull flux converter with an input stage ( 2 ) for converting a first DC voltage into a first AC voltage, an at least one primary winding ( 3 ) and at least one secondary winding ( 4 ) having transformer ( 5 ) for transmitting the first alternating voltage into a second alternating voltage (U0) and an output stage ( 6 ) for converting the second alternating voltage (U0) into a second direct voltage (U Aus ), having the features: a) the input stage (U) 2 ) comprises a first H-bridge ( 12 ) with four by a control device ( 13 ) controllable semiconductor switching elements (S1-54), wherein the primary winding ( 3 ) of the transformer ( 5 ) in the middle bridge ( 14 ) of the first H-bridge ( 12 ) is arranged; b) the output stage ( 6 ) comprises a second H-bridge ( 15 ) with four by the control device ( 13 ) controllable semiconductor switching elements (S5-S8), wherein the secondary winding ( 4 ) of the transformer ( 5 ) in the middle bridge ( 16 ) of the second H-bridge ( 15 ) is arranged; c) the first H-bridge ( 12 ) are input side of a serially arranged first storage throttle ( 10 ) and a first capacitor arranged in parallel ( 11 ) existing first LC element ( 9 ) and the second H-bridge ( 15 ) are on the output side of a serially arranged second storage throttle ( 17 ) and a second capacitor ( 18 ) existing second LC element ( 19 ) downstream; d) the control device ( 13 ) is constructed such that for operation of the push-pull type flux converter ( 1 ) two semiconductor switching element pairs (S1, S4, S2, S3 and S5, S8, S6, S7) in the two H-switching bridges ( 12 . 15 ) with the aid of the control device ( 13 ) are switched on and off alternately so that the transformer ( 5 ) is flooded in the opposite direction during a first time interval (T1) in a first direction and during a second time interval (T2 = T1) corresponding to the duration of the first time interval, and at the output of the second H-bridge ( 15 ) results in a pulse-modulated DC voltage (U1), wherein e) of the two time intervals (T1, T2) and the cycle time (To) resulting duty cycle d = 2 T1 / To is selected such that d> 1. Bidirektionaler Flusswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) derart ausgestaltet ist, dass im Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) die Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) derart ansteuerbar sind, dass sich die beiden Zeitintervalle (T1, T2) während eines Zeitraumes von < 200 ns, vorzugsweise von ≤ 100 ns, überdecken.Bidirectional flux converter according to claim 1, characterized in that the control device ( 13 ) is designed such that during operation of the push-pull type flux converter ( 1 ), the semiconductor switching element pairs (S1, S4, S2, S3 and S5, S8, S6, S7) are controllable such that the two time intervals (T1, T2) overlap during a period of <200 ns, preferably of ≤ 100 ns. Bidirektionaler Flusswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbleiterschaltelementen (51–58) der beiden H-Schaltbrücken (12, 15) um Feldeffekttransistoren, vorzugsweise um MOS-Feldeffekttransistoren, handelt.Bidirectional flux converter according to one of Claims 1 to 3, characterized in that, in the case of the semiconductor switching elements ( 51 - 58 ) of the two H-jumpers ( 12 . 15 ) are field-effect transistors, preferably MOS field-effect transistors. Verfahren zum Betrieb des bidirektionalen Flusswandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) in den beiden H-Schaltbrücken (12, 15) abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator (5) während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird und sich am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke (15) eine pulsmodulierte Gleichspannung (U1) ergibt, wobei der sich aus den beiden Zeitintervallen und der Zykluszeit To ergebende Tastgrad d = 2 T1/To derart gewählt wird, dass d > 1 ist.Method for operating the bidirectional flux converter according to one of Claims 1 to 3, characterized in that in each case two pairs of semiconductor switching elements (S1, S4; S2, S3 and S5, S8; S6, S7) in the two H-jumpers ( 12 . 15 ) are switched on and off alternately so that the transformer ( 5 ) is flooded in the opposite direction during a first time interval (T1) in a first direction and during a second time interval (T2 = T1) corresponding to the duration of the first time interval and at the output of the second H-bridge ( 15 ) yields a pulse-modulated DC voltage (U1), wherein the duty cycle d = 2 T1 / To resulting from the two time intervals and the cycle time To is selected such that d> 1. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) derart an- und abgeschaltet werden, dass sich die beiden Zeitintervalle (T1, T2) während eines Zeitraumes von < 200 ns, vorzugsweise von ≤ 100 ns, überdecken.Method according to Claim 4, characterized in that the pairs of semiconductor switching elements (S1, S4; S2, S3 and S5, S8; S6, S7) are switched on and off in such a way that the two time intervals (T1, T2) during a period of < 200 ns, preferably of ≤ 100 ns cover.
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