DE102015220820A1

DE102015220820A1 - DC converter

Info

Publication number: DE102015220820A1
Application number: DE102015220820.6A
Authority: DE
Inventors: Jiahang Jin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2017-04-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler mit einem Schutz vor Spannungsüberhöhungen in dem Spannungswandler. Beim Überschreiten eines Spannungswertes an einer Induktivität in dem Spannungswandler wird mindestens ein Schaltelement des Spannungswandlers aktiv angesteuert, um auftretende Spannungsspitzen zu reduzieren und eventuell in dem Spannungswandler gespeicherte elektrische Energie abzubauen.The present invention relates to a voltage converter with protection against voltage peaks in the voltage converter. When a voltage value at an inductance in the voltage converter is exceeded, at least one switching element of the voltage converter is actively activated in order to reduce occurring voltage peaks and possibly to reduce electrical energy stored in the voltage converter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Spannungswandler mit einem Überspannungsschutz.The present invention relates to a voltage converter. In particular, the present invention relates to a voltage converter with overvoltage protection.

Stand der TechnikState of the art

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2012 221 687 A1 offenbart eine Spannungswandlerschaltung zum Transformieren einer an ihrem Eingang anliegenden geringen Spannung in eine höhere Ausgangsspannung an einem Ausgang. Die Spannungswandlerschaltung umfasst mindestens einen ersten bis vierten steuerbaren Schalter, die in Form einer H-Brücke verschaltet sind, und einen Transformator mit mindestens einer Primärwicklung, die in dem Querzweig der H-Brücke angeordnet ist, und mit einer Sekundärwicklung.The German patent application DE 10 2012 221 687 A1 discloses a voltage converter circuit for transforming a low voltage applied at its input into a higher output voltage at an output. The voltage converter circuit comprises at least a first to fourth controllable switch, which are connected in the form of an H-bridge, and a transformer having at least one primary winding, which is arranged in the transverse branch of the H-bridge, and with a secondary winding.

Spannungswandler, beispielsweise Gleichspannungswandler, finden in zahlreichen Anwendungsgebieten Einsatz. Beispielsweise werden Gleichspannungswandler eingesetzt, um elektrische Energie von einem ersten Spannungsniveau auf ein von diesem ersten Spannungsniveau abweichendes Spannungsniveau anzuheben oder abzusenken. Häufig werden dabei sogenannte Gegentaktflusswandler (Englisch: push-pull converter) mit einem Vollbrückenflusswandler eingesetzt. Ein Prinzipschaltbild eines solchen Vollbrückenflusswandlers ist beispielsweise in 2 dargestellt. Voltage transformers, for example DC-DC converters, are used in numerous fields of application. For example, DC-DC converters are used to raise or lower electrical energy from a first voltage level to a different voltage level from this first voltage level. Frequently, so-called push-pull flow converters (English: push-pull converter) are used with a full-bridge flux converter. A block diagram of such a full-bridge flux converter is, for example, in 2 shown.

Ein solcher Vollbrückenflusswandler umfasst in der Regel vier Schaltelemente 131–134, über die die beiden Anschlüsse 111 und 112 einer Spannungsquelle wahlweise mit einem der Anschlüsse 121 und 122 der Primärseite eines Transformators 120 elektrisch verbunden werden können. Wenn alle Schalter 131–134 der Vollbrücke ausgeschaltet sind, so kann gegebenenfalls die in dem Transformator 120 gespeicherte Energie eine hohe Spannung zwischen den beiden Anschlüssen der Primärseite induzieren. Solange die Vollbrücke an ihren Anschlüssen 111 und 112 elektrisch mit einer Batterie oder ähnlichem verbunden ist, kann in diesem Fall die gespeicherte elektrisch Energie über die parallel zu den Schaltern 131–134 angeordneten Freilaufdioden abfließen. Ist beispielsweise aufgrund einer Störung oder einer Notabschaltung die Verbindung zu einer solchen Batterie unterbrochen, so stellt der Abbau der in dem Transformator 120 gespeicherten elektrischen Energie eine Herausforderung dar.Such a full-bridge flux converter usually comprises four switching elements 131 - 134 over which the two connectors 111 and 112 a voltage source optionally with one of the connections 121 and 122 the primary side of a transformer 120 can be electrically connected. If all switches 131 - 134 the full bridge are turned off, so may optionally be in the transformer 120 stored energy induce a high voltage between the two terminals of the primary side. As long as the full bridge at their terminals 111 and 112 is electrically connected to a battery or the like, in this case, the stored electrical energy through the parallel to the switches 131 - 134 run off arranged freewheeling diodes. If, for example, due to a fault or an emergency shutdown, the connection to such a battery is interrupted, so does the degradation in the transformer 120 stored electrical energy is a challenge.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem Spannungswandler, dessen in dem Transformator gespeicherte elektrische Energie jederzeit sicher und gefahrlos abgebaut werden kann. Insbesondere besteht ein Bedarf nach einem Spannungswandler, bei dem die in dem Transformator gespeicherte elektrische Energie auch nach einer Trennung des Spannungswandlers von einer primärseitigen Energiequelle noch zuverlässig abgebaut werden kann.There is therefore a need for a voltage converter whose stored in the transformer electrical energy can be degraded safely and safely at any time. In particular, there is a need for a voltage converter in which the electrical energy stored in the transformer can be reliably degraded even after a separation of the voltage converter from a primary-side power source.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt einen Spannungswandler mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.For this purpose, in one aspect, the present invention provides a voltage converter having the features of independent claim 1.

Gemäß diesem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen Spannungswandler mit einem Gleichspannungsanschluss, einem Transformator, einem ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelement sowie einem ersten und einem zweiten Diodenelement. Der Gleichspannungsanschluss umfasst ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement. Mittels des ersten Anschlusselements und des zweiten Anschlusselements kann der Spannungswandler am Gleichspannungsanschluss mit einer Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden werden. Der Transformator umfasst eine Primärseite und eine Sekundärseite. Dabei umfasst insbesondere die Primärseite einen ersten Primäranschluss und einen zweiten Primäranschluss. Über den ersten und zweiten Primäranschluss kann in eine Primärwindung auf der Primärseite des Transformators elektrisch mit Energie eingespeist werden. In accordance with this aspect, the present invention provides a voltage converter having a DC terminal, a transformer, first, second, third and fourth switching elements and first and second diode elements. The DC voltage connection comprises a first connection element and a second connection element. By means of the first connection element and the second connection element, the voltage converter at the DC voltage connection can be electrically connected to a DC voltage source. The transformer comprises a primary side and a secondary side. In particular, the primary side comprises a first primary connection and a second primary connection. Via the first and second primary connection can be electrically fed into a primary winding on the primary side of the transformer with energy.

Das erste Schaltelement umfasst einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Steueranschluss. Der Eingangsanschluss des ersten Schaltelements ist mit dem ersten Anschlusselement des Gleichspannungsanschlusses gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des ersten Schaltelements ist mit dem zweiten Primäranschluss des Transformators gekoppelt. Das zweite Schaltelement umfasst einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Steueranschluss. Der Eingangsanschluss des zweiten Schaltelements ist mit dem ersten Anschlusselement des Gleichspannungsanschluss gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des zweiten Schaltelements ist mit dem ersten Primäranschluss des Transformators gekoppelt. Das dritte Schaltelement umfasst einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Steueranschluss. Der Eingangsanschluss des dritten Schaltelements ist mit dem zweiten Primäranschluss des Transformators gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des dritten Schaltelements ist mit dem zweiten Anschlusselement des Gleichspannungsanschluss gekoppelt. Ferner umfasst das vierte Schaltelement ebenfalls einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen Steueranschluss. Der Eingangsanschluss des vierten Schaltelements ist mit dem ersten Primäranschluss des Transformators gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des vierten Schaltelements ist mit dem zweiten Anschlusselement des Gleichspannungsanschluss gekoppelt. Zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss der vier Schaltelemente kann darüber hinaus jeweils eine Freilaufdiode angeordnet werden.The first switching element includes an input terminal, an output terminal, and a control terminal. The input terminal of the first switching element is coupled to the first terminal element of the DC voltage terminal. The output terminal of the first switching element is coupled to the second primary terminal of the transformer. The second switching element comprises an input terminal, an output terminal and a control terminal. The input terminal of the second switching element is coupled to the first terminal of the DC voltage terminal. The output terminal of the second switching element is coupled to the first primary terminal of the transformer. The third switching element includes an input terminal, an output terminal, and a control terminal. The input terminal of the third switching element is coupled to the second primary terminal of the transformer. The output terminal of the third switching element is coupled to the second terminal of the DC voltage terminal. Furthermore, the fourth switching element also comprises an input terminal, an output terminal and a control terminal. The input terminal of the fourth switching element is coupled to the first primary terminal of the transformer. The output terminal of the fourth switching element is coupled to the second terminal of the DC voltage terminal. In addition, in each case a freewheeling diode can be arranged between the input terminal and the output terminal of the four switching elements.

Das erste Diodenelement umfasst einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Ferner ist das erste Diodenelement dazu ausgelegt, beim Überschreiten einer vorbestimmten Durchbruchspannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des ersten Diodenelements bereitzustellen. Dabei ist der erste Anschluss des ersten Diodenelements mit dem Steueranschluss des ersten Schaltelements elektrisch gekoppelt. Der zweite Anschluss des ersten Diodenelements ist mit dem ersten Primäranschluss des Transformators elektrisch gekoppelt. Das zweite Diodenelement umfasst ebenfalls einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Das zweite Diodenelement ist ebenfalls dazu ausgelegt, beim Überschreiten einer vorbestimmten Durchbruchspannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Diodenelements eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des zweiten Diodenelements bereitzustellen. Der erste Anschluss des zweiten Diodenelements ist mit dem Steueranschluss des zweiten Schaltelements elektrisch gekoppelt. Der zweite Anschluss des zweiten Diodenelements ist mit dem zweiten Primäranschluss des Transformators elektrische gekoppelt.The first diode element comprises a first terminal and a second terminal. Furthermore, the first diode element is designed to provide an electrical connection between the first terminal and the second terminal of the first diode element when a predetermined breakdown voltage is exceeded between the first terminal and the second terminal. In this case, the first terminal of the first diode element is electrically coupled to the control terminal of the first switching element. The second terminal of the first diode element is electrically coupled to the first primary terminal of the transformer. The second diode element also includes a first terminal and a second terminal. The second diode element is also configured to provide an electrical connection between the first terminal and the second terminal of the second diode element when a predetermined breakdown voltage is exceeded between the first terminal and the second terminal of the diode element. The first terminal of the second diode element is electrically coupled to the control terminal of the second switching element. The second terminal of the second diode element is coupled to the second primary terminal of the transformer electrical.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, mindestens zwei Schaltelemente eines Vollbrückenflusswandlers aktiv anzusteuern, wenn eine elektrische Spannung an der Primärseite des Transformators des Vollbrückenflusswandlers über einen vorbestimmten Grenzwert ansteigt. Durch diese aktive Ansteuerung zweier Schaltelemente in dem Vollbrückenflusswandler kann eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen der Primärseite eines Transformators des Vollbrückenflusswandlers bereitgestellt werden. Folglich kann über diese elektrische Verbindung die in der Induktivität des Transformators gespeicherte elektrische Energie abgebaut werden. The present invention is based on the idea of actively activating at least two switching elements of a full-bridge flux converter when an electrical voltage at the primary side of the transformer of the full-bridge flux converter rises above a predetermined limit value. By means of this active activation of two switching elements in the full-bridge flux converter, an electrical connection between the two terminals of the primary side of a transformer of the full-bridge flux converter can be provided. Consequently, the electric energy stored in the inductance of the transformer can be dissipated via this electrical connection.

Das Ansprechen für das Durchschalten der Schaltelemente kann dabei individuell durch Anpassen der Durchbruchspannung des Bauelements zwischen dem Steueranschluss des Schaltelements und dem primärseitigem Anschluss des Transformators eingestellt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Schaltelemente rechtzeitig angesteuert werden, um die in dem Transformator gespeicherte elektrische Energie abzubauen, bevor eine durch die Induktivität des Transformators induzierte Spannung so weit ansteigen kann, dass eines oder mehrere Bauelemente des Vollbrückenflusswandlers Schaden nehmen würden. Darüber hinaus kann die Durchbruchspannung der Diodenelemente auch weiterhin so angepasst werden, dass die Durchbruchspannung auch ausreichend groß ist und insbesondere über der zu erwartenden Ansteuerspannung liegt, die während des normalen Betriebs an den Steueranschlüssen der Schaltelemente angelegt wird. The response for the switching of the switching elements can be adjusted individually by adjusting the breakdown voltage of the device between the control terminal of the switching element and the primary-side terminal of the transformer. In this way it can be ensured that the switching elements are driven in time to reduce the electrical energy stored in the transformer before a voltage induced by the inductance of the transformer can rise to such an extent that one or more components of the full-bridge flux transformer would be damaged. In addition, the breakdown voltage of the diode elements can be further adjusted so that the breakdown voltage is also sufficiently large and, in particular, is above the expected driving voltage which is applied to the control terminals of the switching elements during normal operation.

In dem erfindungsgemäßen Spannungswandler erfolgt somit der Abbau der in einem Transformator gespeicherten elektrischen Energie durch aktives Ansteuern von an dem Transformator angeschlossenen Schaltelementen. Die Spannung für das aktive Ansteuern wird dabei durch die von dem Transformator induzierte Spannung bereitgestellt. Somit sind keine externen Steuersignale notwendig. Der Verzicht auf externe Steuersignale erhöht dabei die Zuverlässigkeit, da die Erzeugung solcher externen Steuersignale eine weitere Fehlerquelle darstellen würde. Darüber hinaus werden die entsprechenden Schaltelemente in dem erfindungsgemäßen Spannungswandler automatisch angesteuert, sobald die induzierte Spannung über den Anschlüssen des Transformators einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Somit sind sämtliche Bauteile innerhalb des Spannungswandlers vor gefährlichen Spannungsüberhöhungen aufgrund von Spannungsspitzen einer durch den Transformator induzierten Spannung geschützt. Da der Energieabbau der in dem Transformator gespeicherten Energie innerhalb des Spannungswandlers selbst erfolgt, kann auch dann die gespeicherte elektrische Energie zuverlässig abgebaut werden, wenn der Spannungswandler von seiner Umgebung elektrisch getrennt wird. Beispielsweise ist selbst dann ein zuverlässiger Spannungsabbau möglich, wenn aufgrund einer Sicherheitsabschaltung oder eines Fehlers der Gleichspannungsanschluss von einer Batterie oder ähnlichem getrennt wird. In the voltage converter according to the invention thus takes place the degradation of the electrical energy stored in a transformer by actively driving connected to the transformer switching elements. The voltage for the active driving is provided by the voltage induced by the transformer. Thus, no external control signals are necessary. The waiver of external control signals increases the reliability, since the generation of such external control signals would constitute another source of error. In addition, the corresponding switching elements are automatically controlled in the voltage converter according to the invention as soon as the induced voltage across the terminals of the transformer exceeds a predetermined threshold. Thus, all components within the voltage converter are protected from dangerous voltage excursions due to voltage spikes of a voltage induced by the transformer. Since the energy dissipation of the energy stored in the transformer takes place within the voltage converter itself, the stored electrical energy can be reliably reduced even when the voltage converter is electrically disconnected from its surroundings. For example, reliable breakdown of voltage is possible even if the DC terminal is disconnected from a battery or the like due to a safety shutdown or a fault.

Gemäß einer Ausführungsform umfassen sowohl das erste Diodenelement als auch das zweite Diodenelement jeweils eine Serienschaltung aus einer Diode und einer Zenerdiode. Insbesondere sind dabei die konventionelle Diode und die Zenerdiode in einer Serienschaltung angeordnet, wobei Diode und Zenerdiode entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen. Zenerdiode und weitere Diode sind folglich an den beiden Anoden oder Katoden miteinander verbunden. Durch eine derartige Schaltungsanordnung einer Diode mit einer Zenerdiode kann auf einfache Weise durch Auswahl einer entsprechenden Zenerdiode die gewünschte Durchbruchspannung des Diodenelements eingestellt werden. Da eine Zenerdiode oberhalb mit einer vorgegebenen Durchbruchspannung reversibel elektrisch leitfähig wird, kann auf diese Weise ein zerstörungsfreier Schutz des Spannungswandlers ermöglicht werden. According to one embodiment, both the first diode element and the second diode element each comprise a series connection of a diode and a zener diode. In particular, the conventional diode and the Zener diode are arranged in a series circuit, wherein the diode and Zener diode have opposite transmission directions. Zener diode and other diode are thus connected to each other at the two anodes or cathodes. By such a circuit arrangement of a diode with a zener diode, the desired breakdown voltage of the diode element can be adjusted in a simple manner by selecting a corresponding zener diode. Since a Zener diode above with a predetermined breakdown voltage reversible electrically becomes conductive, a non-destructive protection of the voltage converter can be made possible in this way.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen sowohl das erste Diodenelement als auch das zweite Diodenelement jeweils einen elektrischen Widerstand. Insbesondere kann dieser elektrische Widerstand in Serie mit weiteren Bauelementen, wie zum Beispiel den oben angeführten Dioden bzw. Zenerdioden angeordnet werden. According to a further embodiment, both the first diode element and the second diode element each comprise an electrical resistance. In particular, this electrical resistance can be arranged in series with other components, such as the above-mentioned diodes or Zener diodes.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Gleichspannungsanschluss des Spannungswandlers mit einer Gleichspannungsquelle koppelbar. Zwischen dem Gleichspannungsanschluss des Spannungswandlers und der Gleichspannungsquelle kann dabei ein elektrisches Schaltelement angeordnet werden. Dieses elektrische Schaltelement kann dazu ausgelegt sein, eine elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Gleichspannungsanschluss zu unterbrechen. Das Schaltelement kann dabei einen elektrischen Strompfad zwischen Gleichspannungsquelle und Gleichspannungsanschluss entweder nur an einem der Anschlusselemente unterbrechen oder alternativ auch beide Strompfade durch das erste Anschlusselement und durch das zweite Anschlusselement gleichzeitig unterbrechen. Der erfindungsgemäße Spannungswandler ermöglicht auch in einem solchen Fall einen zuverlässigen Abbau von elektrischer Energie, die in dem Transformator gespeichert ist, selbst wenn der Spannungswandler mittels des Schaltelements von der Gleichspannungsquelle elektrisch getrennt ist. According to a further embodiment, the DC voltage connection of the voltage converter can be coupled to a DC voltage source. In this case, an electrical switching element can be arranged between the DC voltage connection of the voltage converter and the DC voltage source. This electrical switching element can be designed to interrupt an electrical connection between the DC voltage source and the DC voltage connection. In this case, the switching element can either interrupt an electrical current path between the DC voltage source and the DC voltage connection only at one of the connection elements or, alternatively, simultaneously interrupt both current paths through the first connection element and through the second connection element. The voltage converter according to the invention also enables in such a case a reliable degradation of electrical energy stored in the transformer, even if the voltage converter is electrically isolated from the DC voltage source by means of the switching element.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Schaltelement beispielsweise ein Batterieschutzschalter oder eine Überstromschutzvorrichtung. Auf diese Weise kann der Spannungswandler einerseits durch Öffnen derartiger Schaltelemente in einer Gefahrensituation geschützt werden, andererseits ist selbst beim Öffnen derartiger Schaltelemente noch ein zuverlässiger Energieabbau der in dem Transformator gespeicherten Energie möglich, ohne dass dabei ein Bauteil des Spannungswandlers beschädigt würde.According to a further embodiment, the switching element is for example a battery protection switch or an overcurrent protection device. In this way, the voltage converter can be protected on the one hand by opening such switching elements in a dangerous situation, on the other hand even when opening such switching elements still reliable energy dissipation of the energy stored in the transformer is possible without causing a component of the voltage converter would be damaged.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Elektrofahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Spannungswandler.In another aspect, the present invention provides an electric vehicle having a voltage converter according to the invention.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further embodiments and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Dabei zeigen:Showing:

1: eine schematische Darstellung eines Spannungswandlers gemäß einer Ausführungsform; und 1 FIG. 2: a schematic representation of a voltage converter according to an embodiment; FIG. and

2: eine schematische Darstellung eines konventionellen Spannungswandlers. 2 : a schematic representation of a conventional voltage converter.

Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments

1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Spannungswandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Spannungswandler 1 in diesem Schaltbild so weit vereinfacht dargestellt, dass für ein besseres Verständnis vornehmlich nur die für das Verständnis der Erfindung relevanten Komponenten dargestellt sind. Darüber hinaus kann der Spannungswandler 1 selbstverständlich auch weitere Komponenten umfassen, ohne dass hierdurch das grundlegende Prinzip der Erfindung eingeschränkt würde. Beispielsweise wurde in der Darstellung gemäß 1 auf die Komponenten zur Ansteuerung der in dem Spannungswandler vorgesehenen Schaltelemente verzichtet. 1 shows a schematic diagram of a voltage converter according to an embodiment of the present invention. Here is the voltage converter 1 simplified in this diagram so far shown that for a better understanding primarily only relevant for the understanding of the invention components are shown. In addition, the voltage converter 1 Of course, other components include, without thereby limiting the basic principle of the invention would be limited. For example, in the illustration according to 1 dispensed with the components for controlling the switching elements provided in the voltage converter.

Der Spannungswandler 1 umfasst einen Eingangsanschluss 10, an dem eine Gleichspannung U_E bereitgestellt werden kann. Die Gleichspannung kann hierbei beispielsweise durch eine beliebige Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel eine Batterie, ein Akkumulator oder ähnliches bereitgestellt werden. Als Gleichspannungsquelle kann zum Beispiel eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, vorgesehen sein. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere Gleichspannungsquellen, beispielsweise eine Gleichspannung von einem Gleichspannungsgenerator, wie zum Beispiel einer Photovoltaikanlage, einer Windkraftanlage oder ähnlichem möglich. Die Gleichspannungsquelle 2 kann dabei direkt mit den Anschlüssen 11 und 12 des Gleichspannungsanschlusses 10 des Spannungswandlers 1 elektrisch gekoppelt werden, um eine entsprechende Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss 10 des Spannungswandlers 10 bereitzustellen. Darüber hinaus ist es auch möglich, zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Gleichspannungsanschluss 10 des Spannungswandlers 1 ein Schaltelement 3 vorzusehen. Dieses Schaltelement 3 kann dabei eine elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Gleichspannungsanschluss 10 des Spannungswandlers 1 elektrisch schließen bzw. öffnen. Hierzu wird mindestens ein Schaltelement zwischen einem Anschluss 11, 12 des Gleichspannungsanschluss 10 und der Gleichspannungsquelle 2 angeordnet. Alternativ kann auch sowohl an dem ersten Anschluss 11 als auch an dem zweiten Anschluss 12 des Gleichspannungsanschluss 10 jeweils ein Schaltelement 3 vorgesehen sein. Bei dem Schaltelement 3 kann es sich dabei um ein beliebiges Schaltelement handeln, das dazu geeignet ist, eine elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und einem der Anschlüsse 11, 12 des Gleichspannungsanschluss 10 herzustellen bzw. zu unterbrechen. Insbesondere kann es sich dabei beispielsweise um ein Schaltelement 3 handeln, das dazu geeignet ist, auch eine elektrische Verbindung unter Last, das heißt bei fließendem Strom zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Gleichspannungsanschluss 10 des Spannungswandlers 1, zu unterbrechen. Beispielsweise kann es sich bei dem Schaltelement 3 um eine Überstromschutzvorrichtung handeln, die den elektrischen Strom zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Gleichspannungsanschluss 10 des Spannungswandlers 1 überwacht und beim Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwerts für den überwachten elektrischen Strom die elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Gleichspannungsanschluss 10 unterbricht. Insbesondere sind hierzu sowohl Schmelzsicherungen als auch elektronische Überstromschutzrichtungen denkbar.The voltage converter 1 includes an input port 10 to which a DC voltage U _E can be provided. In this case, the DC voltage can be provided, for example, by any DC voltage source, such as a battery, an accumulator or the like. As a DC voltage source, for example, a vehicle battery, in particular a traction battery of an electric or hybrid vehicle may be provided. In addition, any other direct voltage sources, such as a DC voltage from a DC voltage generator, such as a photovoltaic system, a wind turbine or the like are possible. The DC voltage source 2 can do this directly with the connectors 11 and 12 of the DC voltage connection 10 of the voltage converter 1 be electrically coupled to a corresponding DC voltage at the DC voltage terminal 10 of the voltage converter 10 provide. In addition, it is also possible between the DC voltage source 2 and the DC voltage connection 10 of the voltage converter 1 a switching element 3 provided. This switching element 3 can be an electrical connection between the DC voltage source 2 and the DC voltage connection 10 of the voltage converter 1 close or open electrically. For this purpose, at least one switching element between a connection 11 . 12 the DC voltage connection 10 and the DC voltage source 2 arranged. Alternatively, both at the first port 11 as well as at the second port 12 the DC voltage connection 10 each a switching element 3 be provided. In the switching element 3 this can be any switching element that does is suitable, an electrical connection between the DC voltage source 2 and one of the connections 11 . 12 the DC voltage connection 10 produce or interrupt. In particular, it may be, for example, a switching element 3 act, which is suitable, even an electrical connection under load, that is, with flowing current between the DC voltage source 2 and the DC voltage connection 10 of the voltage converter 1 , to interrupt. For example, it may be in the switching element 3 to act an overcurrent protection device, the electrical current between the DC voltage source 2 and the DC voltage connection 10 of the voltage converter 1 monitored and when exceeding a predetermined threshold for the monitored electrical current, the electrical connection between the DC voltage source 2 and the DC voltage connection 10 interrupts. In particular, both fuses and electronic overcurrent protection devices are conceivable for this purpose.

Der Spannungswandler 1 umfasst darüber hinaus vier Schaltelemente 31, 32, 33 und 34 sowie einen Transformator 20. Der Transformator weist dabei an seiner Primärseite einen ersten Primäranschluss 21 und einen zweiten Primäranschluss 22 auf. Die Beschaltung auf der Sekundärseite kann darüber hinaus je nach Anwendungsfall beliebig ausgeführt werden. Beispielsweise kann, wie in 1 dargestellt, an der Sekundärseite des Transformators eine Schaltung zum Gleichrichten der an der Sekundärseite bereitgestellten Spannung vorgesehen sein. Darüber hinaus sind, wie ausgeführt, beliebige weitere Schaltungsanordnungen an der Sekundärseite des Transformators denkbar. The voltage converter 1 also includes four switching elements 31 . 32 . 33 and 34 as well as a transformer 20 , The transformer has at its primary side a first primary connection 21 and a second primary connection 22 on. The wiring on the secondary side can also be performed arbitrarily depending on the application. For example, as in 1 shown on the secondary side of the transformer, a circuit for rectifying the voltage provided on the secondary side voltage may be provided. In addition, as stated, any further circuit arrangements on the secondary side of the transformer are conceivable.

Jedes der vier Schaltelemente 31–34 weist dabei einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss sowie einen Steueranschluss auf. Zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss kann jeweils eine Freilaufdiode vorgesehen sein. Bei den Schaltelementen 31–34 kann es sich beispielsweise um bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) oder um MOSFET handeln. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere, geeignete Halbleiterschaltelemente möglich. Each of the four switching elements 31 - 34 has an input terminal, an output terminal and a control terminal. Between the input terminal and the output terminal, a freewheeling diode may be provided in each case. At the switching elements 31 - 34 For example, they may be insulated gate bipolar transistors (IGBTs) or MOSFETs. In addition, any other suitable semiconductor switching elements are possible.

Der Eingangsanschluss des ersten Schaltelements 31 ist elektrisch mit dem ersten Anschluss 11 des Gleichspannungsanschluss 10 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des ersten Schaltelements 31 ist elektrisch mit dem zweiten Primäranschluss 22 des Transformators 20 gekoppelt. An dem Steueranschluss des ersten Schaltelements 31 kann darüber hinaus von einer geeigneten Ansteuerschaltung (hier nicht dargestellt) ein Steuersignal bereitgestellt werden. Der Eingangsanschluss des zweiten Schaltelements 32 ist mit dem ersten Anschluss 11 des Gleichspannungsanschluss 10 elektrisch gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des zweiten Schaltelements 32 ist mit dem ersten Primäranschluss 21 des Transformators 20 elektrisch gekoppelt. An dem Steueranschluss des zweiten Schaltelements 32 kann ebenfalls ein Steuersignal bereitgestellt werden. Der Eingangsanschluss des dritten Schaltelements 33 ist mit dem zweiten Primäranschluss 22 des Transformators 20 elektrisch gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des dritten Schaltelements 33 ist mit dem zweiten Anschluss 12 des Gleichspannungsanschluss 10 elektrisch gekoppelt. Auch an dem Steueranschluss des dritten Schaltelements 33 kann ein geeignetes Steuersignal bereitgestellt werden. Der Eingangsanschluss des vierten Schaltelements 34 ist mit dem ersten Primäranschluss 21 des Transformators 20 elektrisch gekoppelt. Der Ausgangsanschluss des vierten Schaltelements 34 ist mit dem zweiten Anschluss 12 des Gleichspannungsanschluss 10 elektrisch gekoppelt. Auch an dem Steueranschluss des vierten Schaltelements 34 kann ein geeignetes Steuersignal bereitgestellt werden.The input terminal of the first switching element 31 is electric with the first connection 11 the DC voltage connection 10 coupled. The output terminal of the first switching element 31 is electrically connected to the second primary terminal 22 of the transformer 20 coupled. At the control terminal of the first switching element 31 In addition, a control signal can be provided by a suitable drive circuit (not shown here). The input terminal of the second switching element 32 is with the first connection 11 the DC voltage connection 10 electrically coupled. The output terminal of the second switching element 32 is with the first primary connection 21 of the transformer 20 electrically coupled. At the control terminal of the second switching element 32 a control signal can also be provided. The input terminal of the third switching element 33 is with the second primary connection 22 of the transformer 20 electrically coupled. The output terminal of the third switching element 33 is with the second connection 12 the DC voltage connection 10 electrically coupled. Also at the control terminal of the third switching element 33 a suitable control signal can be provided. The input terminal of the fourth switching element 34 is with the first primary connection 21 of the transformer 20 electrically coupled. The output terminal of the fourth switching element 34 is with the second connection 12 the DC voltage connection 10 electrically coupled. Also at the control terminal of the fourth switching element 34 a suitable control signal can be provided.

Darüber hinaus umfasst der Spannungswandler 1 ein erstes Diodenelement 41 und ein zweites Diodenelement 42. Das erste Diodenelement 41 ist dabei mit einem Anschluss mit dem ersten Primäranschluss 21 des Transformators 20 elektrisch gekoppelt. Der zweite Anschluss des ersten Diodenelements 41 ist mit dem Steueranschluss des ersten Schaltelements 31 elektrisch gekoppelt. Analog ist der erste Anschluss des zweiten Diodenelements 42 mit dem zweiten Primäranschluss 22 des Transformators 20 elektrisch gekoppelt. Der zweite Anschluss des zweiten Diodenelements 42 ist mit dem Steueranschluss des zweiten Schaltelements 32 elektrisch gekoppelt. Die beiden Diodenelemente 41 und 42 sind dabei jeweils derart ausgeführt, dass sie (bis zu einer maximalen Spannungsfestigkeit der Bauelemente in den jeweiligen Diodenelementen) einen elektrischen Strom in eine Richtung vollständig sperren, während sie in eine entgegengesetzte Stromrichtung oberhalb einer definierten Durchbruchspannung einen elektrischen Stromfluss ermöglichen. Beispielsweise kann diese durch eine Serienschaltung einer Zenerdiode und einer normalen Halbleiterdiode erreicht werden, wenn Zenerdiode und weitere Diode dabei derart angeordnet werden, dass sie entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen. Hierbei sind folglich die beiden Anoden oder die beiden Kathoden von Zenerdiode und weiterer Diode miteinander elektrisch verbunden. Auf diese Weise verhindert die weitere Diode einen Stromfluss in eine Richtung vollständig. In die entgegengesetzte Richtung, also in die Durchlassrichtung der weiteren Diode, ermöglicht die Zenerdiode oberhalb der definierten Durchbruchspannung der Zenerdiode einen elektrischen Stromfluss. Neben einer Zenerdiode sind darüber hinaus auch beliebige weitere geeignete elektrische Bauelemente mit einer definierten Durchbruchspannung möglich. Beispielsweise sind auch sogenannte Suppressordioden oder ähnliches denkbar. Grundsätzlich können darüber hinaus die beiden Diodenelemente 41 und 42 auch durch beliebige andere elektrische Bauelemente realisiert werden, die den elektrischen Strom in eine Richtung sperren und in die entgegengesetzte Richtung einen elektrischen Strom oberhalb einer definierten Durchbruchspannung leiten. In addition, the voltage converter includes 1 a first diode element 41 and a second diode element 42 , The first diode element 41 is there with a connection with the first primary connection 21 of the transformer 20 electrically coupled. The second terminal of the first diode element 41 is connected to the control terminal of the first switching element 31 electrically coupled. Analogously, the first terminal of the second diode element 42 with the second primary connection 22 of the transformer 20 electrically coupled. The second terminal of the second diode element 42 is connected to the control terminal of the second switching element 32 electrically coupled. The two diode elements 41 and 42 are each designed such that they (up to a maximum dielectric strength of the components in the respective diode elements) completely block an electric current in one direction, while allowing an electric current flow in an opposite current direction above a defined breakdown voltage. For example, this can be achieved by a series connection of a Zener diode and a normal semiconductor diode, when the Zener diode and further diode are arranged in such a way that they have opposite transmission directions. In this case, therefore, the two anodes or the two cathodes of Zener diode and further diode are electrically connected to each other. In this way, the further diode completely prevents current flow in one direction. In the opposite direction, ie in the forward direction of the further diode, the zener diode above the defined breakdown voltage of the zener diode allows an electric current flow. In addition to a Zener diode are also any other suitable electrical components with a defined breakdown voltage possible. For example, so-called suppressor diodes or the like are also conceivable. In principle, moreover, the two diode elements 41 and 42 be implemented by any other electrical components that block the electrical current in one direction and conduct in the opposite direction an electric current above a defined breakdown voltage.

Übersteigt somit eine elektrische Spannung zwischen einem Primäranschluss 21, 22 des Transformators 20 und dem entsprechenden Steueranschluss der Schaltelemente 31 und 32 einen zu der Durchbruchspannung der Diodenelemente 41, 42 korrespondierenden Wert, so werden die jeweiligen Steueranschlüsse der Schaltelemente 31, 32 angesteuert. Daraufhin stellen das erste und das zweite Schaltelement 31, 32 zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss jeweils eine zumindest teilweise elektrisch leitfähige Verbindung bereit, wodurch ein elektrischer Stromkreis zwischen dem ersten und zweiten Primäranschluss 21, 22 des Transformators 20 geschlossen wird. Somit kann die maximale Spannung zwischen dem ersten und zweiten Primäranschluss 21, 22 des Transformators 20 begrenzt werden, und die in dem Transformator 20 gespeicherte elektrische Energie kann auf diese Weise abgebaut werden. Hierzu ist es optional auch möglich, in dem ersten und zweiten Diodenelement 41, 42 jeweils einen elektrischen Widerstand vorzusehen. Beispielsweise kann dieser elektrische Widerstand in Serie zu der Zenerdiode und der weiteren Diode angeordnet werden.Thus, exceeds an electrical voltage between a primary terminal 21 . 22 of the transformer 20 and the corresponding control terminal of the switching elements 31 and 32 one to the breakdown voltage of the diode elements 41 . 42 corresponding value, the respective control terminals of the switching elements 31 . 32 driven. Then set the first and the second switching element 31 . 32 provide an at least partially electrically conductive connection between the input terminal and the output terminal, whereby an electrical circuit between the first and second primary terminal 21 . 22 of the transformer 20 is closed. Thus, the maximum voltage between the first and second primary connection 21 . 22 of the transformer 20 be limited, and in the transformer 20 stored electrical energy can be dissipated in this way. For this purpose, it is optionally also possible in the first and second diode element 41 . 42 each to provide an electrical resistance. For example, this electrical resistance can be arranged in series with the Zener diode and the other diode.

Durch die beiden Diodenelemente 41 und 42 werden somit das erste und das zweite Schaltelement 31 und 32 automatisch angesteuert, wenn die elektrische Spannung zwischen dem ersten und zweiten Primäranschluss 21, 22 des Transformators 20 einen definierten Grenzwert überschreitet. Je nach Vorzeichen der Spannung wird dabei entweder das erste Schaltelement 31 oder das zweite Schaltelement 32 aktiv angesteuert. In dem jeweils anderen Schaltelement 31, 32 kann der elektrische Strom dann über die parallel zu dem Schaltelement angeordnete Freilaufdiode fließen. Auf diese Weise wird die maximale Spannung U_max zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss eines Schaltelements 31–34 auf den folgenden Wert begrenzt: U_max = U_Z + U_D + U_GS,on – U_DP, Through the two diode elements 41 and 42 Thus, the first and the second switching element 31 and 32 automatically controlled when the electrical voltage between the first and second primary connection 21 . 22 of the transformer 20 exceeds a defined limit. Depending on the sign of the voltage is either the first switching element 31 or the second switching element 32 actively controlled. In the respective other switching element 31 . 32 the electric current can then flow via the freewheeling diode arranged parallel to the switching element. In this way, the maximum voltage U _max between input terminal and output terminal of a switching element 31 - 34 limited to the following value: U _max = U _Z + U _D + U _{GS, on} - U _DP ,

wobei U_Z die Durchbruchspannung der Zenerdiode in Sperrrichtung, U_D die Durchlassspannung der weiteren Diode des Diodenelements 41, 42, U_GE,on die Ansteuerspannung des jeweiligen Schaltelements und U_DP die parasitäre Diodenspannung der Freilaufdiode parallel zu einem Schaltelement 31–34 ist. Für einen sicheren Betrieb des Spannungswandlers 1 sollte dabei die Sperrspannung der weiteren Dioden in den Diodenelementen 41 und 42 größer sein als die erforderliche Ansteuerspannung der Schaltelemente 31–34. Weiterhin kann durch das Anordnen eines zusätzlichen elektrischen Widerstands im Freilaufpfad die Zeitkonstante verringert werden. Hierdurch ist es möglich, den elektrischen Strom, der auf der Primärseite des Transformators 40 induziert wird, schneller abklingen zu lassen.where U _{Z is} the breakdown voltage of the Zener diode in the reverse direction, U _{D is} the forward voltage of the other diode of the diode element 41 . 42 , U _{GE, on} the drive voltage of the respective switching element and U _DP, the parasitic diode voltage of the freewheeling diode parallel to a switching element 31 - 34 is. For safe operation of the voltage transformer 1 should the blocking voltage of the other diodes in the diode elements 41 and 42 be greater than the required drive voltage of the switching elements 31 - 34 , Furthermore, by arranging an additional electrical resistance in the freewheeling path, the time constant can be reduced. This makes it possible to control the electrical current flowing on the primary side of the transformer 40 is induced to decay faster.

Durch den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1 ist es möglich, Spannungsüberhöhungen innerhalb des Schaltungsaufbaus zu begrenzen, wenn aufgrund eines Fehlers oder einer beabsichtigten Abschaltung sich durch die in dem Transformator gespeicherte elektrische Energie zwischen den Primäranschlüssen 21 und 22 des Transformators 20 eine elektrische Spannung aufbaut. Insbesondere ist selbst dann eine Begrenzung der Spannungsspitzen, sowie ein Abbau der in dem Transformator 20 gespeicherten elektrischen Energie möglich, wenn der Spannungswandler 1 an seinem Eingangsanschluss 10 elektrisch von seiner Umgebung getrennt wird. By the previously described voltage converter according to the invention 1 For example, it is possible to limit voltage overshoots within the circuitry when, due to a fault or intended shutdown, the electrical energy stored in the transformer between the primary terminals 21 and 22 of the transformer 20 builds up an electrical voltage. In particular, even a limitation of the voltage spikes, as well as a degradation of the in the transformer 20 stored electrical energy possible when the voltage transformer 1 at its input terminal 10 is electrically separated from its environment.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen erweiterten Spannungswandler mit einem Schutz vor Spannungsüberhöhungen an den in dem Spannungswandler vorgesehenen Halbleiterschaltelementen. Beim Überschreiten eines Spannungswertes wird mindestens ein Schaltelement des Spannungswandlers aktiv angesteuert, um auftretende Spannungsspitzen zu reduzieren und eventuell in dem Spannungswandler gespeicherte elektrische Energie abzubauen. Hierzu werden zwischen den Primäranschlüssen eines Transformators in dem Spannungswandler und den Steueranschlüssen der Schaltelemente des Spannungswandlers Bauelemente vorgesehen, die oberhalb einer vorgegebenen Grenzspannung elektrisch leitfähig werden.In summary, the present invention relates to an extended voltage converter with a protection against voltage peaks on the provided in the voltage converter semiconductor switching elements. When a voltage value is exceeded, at least one switching element of the voltage converter is actively activated in order to reduce occurring voltage peaks and possibly to reduce electrical energy stored in the voltage converter. For this purpose, components are provided between the primary terminals of a transformer in the voltage converter and the control terminals of the switching elements of the voltage converter, which are electrically conductive above a predetermined threshold voltage.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012221687 A1 [0002]

Claims

Voltage transformer ( 1 ), comprising: a DC voltage connection ( 10 ), with a first connection element ( 11 ) and a second connection element ( 12 ); a transformer ( 20 ), with a primary side and a secondary side, the primary side having a first primary connection ( 21 ) and a second primary connection ( 22 ); a first switching element ( 31 ), having an input terminal, an output terminal and a control terminal, wherein the input terminal of the first switching element ( 31 ) with the first connection element ( 11 ) of the DC voltage connection ( 10 ) is electrically coupled, and the output terminal of the first switching element ( 31 ) with the second primary connection ( 22 ) of the transformer ( 20 ) is electrically coupled; a second switching element ( 32 ), having an input terminal, an output terminal and a control terminal, wherein the input terminal of the second switching element ( 32 ) with the first connection element ( 11 ) of the DC voltage connection ( 10 ) is electrically coupled, and the output terminal of the second switching element ( 32 ) with the first primary connection ( 21 ) of the transformer ( 20 ) is electrically coupled; a third switching element ( 33 ), with an input terminal, an output terminal and a control terminal, wherein the input terminal of the third switching element ( 33 ) with the second primary connection ( 22 ) of the transformer ( 20 ) is electrically coupled, and the output terminal of the third switching element ( 33 ) with the second connection element ( 12 ) of the DC voltage connection ( 10 ) is electrically coupled; a fourth switching element ( 34 ), with an input terminal, an output terminal and a control terminal, wherein the input terminal of the fourth switching element ( 34 ) with the first primary connection ( 21 ) of the transformer ( 20 ) is electrically coupled, and the output terminal of the fourth switching element ( 34 ) with the second connection element ( 12 ) of the DC voltage connection ( 10 ) is electrically coupled; a first diode element ( 41 ), with a first terminal and a second terminal, which is designed, when a predetermined breakdown voltage is exceeded, between the first terminal and the second terminal of the first diode element ( 41 ) an electrical connection between the first terminal and the second terminal of the first diode element ( 41 ), wherein the first terminal of the first diode element ( 41 ) with the control terminal of the first switching element ( 31 ) is electrically coupled and the second terminal of the first diode element ( 41 ) with the first primary connection ( 21 ) of the transformer ( 20 ) is electrically coupled; and a second diode element ( 42 ), with a first terminal and a second terminal, which is designed, when a predetermined breakdown voltage is exceeded, between the first terminal and the second terminal of the second diode element (US Pat. 42 ) an electrical connection between the first terminal and the second terminal of the second diode element ( 42 ), wherein the first terminal of the second diode element ( 42 ) with the control terminal of the second switching element ( 32 ) is electrically coupled and the second terminal of the second diode element ( 42 ) with the second primary connection ( 22 ) of the transformer ( 20 ) is electrically coupled.

Voltage transformer ( 1 ) according to claim 1, wherein the first diode element ( 41 ) and the second diode element ( 42 ) each comprise a series circuit of a diode (D1, D2) and a Zener diode (Z1, Z2).

Voltage transformer ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the first diode element ( 41 ) and the second diode element ( 42 ) each comprise an electrical resistance.

Voltage transformer ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the DC voltage connection ( 10 ) with a DC voltage source ( 2 ) and between the DC voltage connection ( 10 ) and the gender equality source ( 2 ) a switching element ( 3 ) which is adapted to provide an electrical connection between the DC voltage source ( 2 ) and the DC voltage connection ( 10 ) to interrupt.

Voltage transformer ( 1 ) according to claim 4, wherein the switching element ( 3 ) comprises a battery circuit breaker or an overcurrent protection device.

Motor vehicle, comprising: a DC voltage source ( 2 ); and a voltage converter ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, with the DC voltage source ( 2 ) is electrically coupled.