DE102019218893B4 - Step-up converter and method for operating a step-up converter - Google Patents

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Abstract

Hochsetzsteller (1), umfassend einen Spannungsanschluss (2) für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss (3) für ein negatives Potential eines Energiespeichers (40) sowie einen Spannungsanschluss (4) für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss (5) für ein negatives Potential einer Energiequelle (50), wobei die beiden Spannungsanschlüsse (3, 5) für das negative Potential miteinander verbunden sind, wobei der Hochsetzsteller (1) mindestens zwei Halbbrückenschaltungen (10) aufweist, die parallel geschaltet sind, wobei jede Halbbrückenschaltung (10) mindestens einen oberen Leistungsschalter (T1) und mindestens einen unteren Leistungsschalter (T2) aufweist, wobei zwischen dem oberen Leistungsschalter (T1) und dem Spannungsanschluss (2) für das positive Potential eine erste Überstromsicherung (F1) angeordnet ist und zwischen dem unteren Leistungsschalter (T2) und dem Spannungsanschluss (3) für das negative Potential eine zweite Überstromsicherung (F2) angeordnet ist, wobei die Mittelabgriffe (M) der Halbbrückenschaltungen (10) über mindestens eine Induktivität (L) mit dem Spannungsanschluss (4) für das positive Potential der Energiequelle (50) verbunden sind, wobei parallel zu der Reihenschaltung von oberem Leistungsschalter (T1), unterem Leistungsschalter (T2) und zweiter Überstromsicherung (F2) ein weiterer erster Leistungsschalter (Th1) in Reihe mit einem Kondensator (C) angeordnet ist und parallel zu der Reihenschaltung von erster Überstromsicherung (F1), oberem Leistungsschalter (T1) und unterem Leistungsschalter (T2) ein weiterer zweiter Leistungsschalter (Th2) in einer Reihe mit einem Kondensator (C) angeordnet ist.Boost converter (1), comprising a voltage connection (2) for a positive potential and a voltage connection (3) for a negative potential of an energy store (40) and a voltage connection (4) for a positive potential and a voltage connection (5) for a negative potential an energy source (50), the two voltage connections (3, 5) for the negative potential being connected to one another, the step-up converter (1) having at least two half-bridge circuits (10) connected in parallel, each half-bridge circuit (10) having at least one upper circuit breaker (T1) and at least one lower circuit breaker (T2), a first overcurrent fuse (F1) being arranged between the upper circuit breaker (T1) and the voltage connection (2) for the positive potential and between the lower circuit breaker (T2) and a second overcurrent fuse (F2) is arranged on the voltage connection (3) for the negative potential, wherein the center taps (M) of the half-bridge circuits (10) are connected via at least one inductance (L) to the voltage connection (4) for the positive potential of the energy source (50), being parallel to the series connection of the upper circuit breaker (T1) and the lower circuit breaker (T2) and second overcurrent fuse (F2) a further first circuit breaker (Th1) is arranged in series with a capacitor (C) and parallel to the series connection of the first overcurrent fuse (F1), upper circuit breaker (T1) and lower circuit breaker (T2) another second power switch (Th2) is arranged in a row with a capacitor (C).

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochsetzsteller und ein Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers.The invention relates to a step-up converter and a method for operating a step-up converter.

Hochsetzsteller werden dazu benötigt, eine niedrige Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung zu wandeln. Ein Anwendungsgebiet ist beispielsweise das Laden einer Hochvoltbatterie in einem Traktionsnetz eines Kraftfahrzeugs aus einer Brennstoffzelle, einer externen Ladesäule oder einer Batterie mit einer geringeren Nennspannung als die Hochvoltbatterie.Boost converters are required to convert a low input voltage into a higher output voltage. One area of application is, for example, charging a high-voltage battery in a traction network of a motor vehicle from a fuel cell, an external charging station or a battery with a lower nominal voltage than the high-voltage battery.

Für Hochsetzsteller existieren verschiedene Topologien, wobei bei einer Ausführungsform Halbbrückenschaltungen zur Anwendung kommen. Derartige Ausführungen haben einerseits den Vorteil, dass diese sich gut parallelisieren lassen, sodass die entstehenden Ripple beim Wandeln sich besser ausgleichen lassen. Des Weiteren sind Ausführungen möglich, wo die Halbbrückenschaltungen mehrere Funktionen übernehmen können. Beispielsweise ist aus der US 2016 / 0 226 396 A1 ein Hochsetzsteller bekannt, der aus zwei Halbbrücken mit Halbleiter-Leistungsschaltern besteht, wobei unterer und oberer Zweig jeder Halbbrücke mit einer Schmelzsicherung ausgestattet ist, und wobei der Verbindungspunkt der beiden Halbleiter-Leistungsschalter einer jeden Halbbrücke über eine Induktivität mit dem positiven Pol einer Energiequelle verbunden ist. Weiterhin ist aus de DE 11 2013 007 105 T5 r ein Hochsetzsteller bekannt, der eine Spannung einer Energiequelle hochsetzt und an einen Energiespeicher abgibt, wobei der Hochsetzsteller aus einer einzelnen Halbbrückenschaltung aus Halbleiter-Leistungsschaltern besteht und die Halbbrückenschaltung eine Sicherung zwischen dem unteren Halbleiterschalter und Masse aufweist und wobei ferner der Verbindungspunkt der beiden Halbleiter-Leistungsschalter über eine Induktivität mit dem positiven Pol einer Energiequelle verbunden ist. Schließlich ist aus WELCHKO, B.A. et al.: Fault tolerant threephase AC motor drive topologies: a comparison of features, cost, and limitations. In: IEEE Transactions on Power Electronics, Bd. 19, Juli 2004, Nr. 4, S. 1108-1116 bekannt einen Wechselrichter mit einer Gleichspannungs-Energiequelle zu versorgen, wobei der Wechselrichter mehrere Halbbrückenschaltungen aufweist, die parallel geschaltet sind, wobei jede Halbbrückenschaltung mindestens einen oberen Leistungsschalter und mindestens einen unteren Leistungsschalter aufweist, wobei zwischen dem oberen Leistungsschalter und dem Spannungsanschluss für das positive Potential der Energiequelle eine erste Überstromsicherung ist und zwischen dem unteren Leistungsschalter und dem Spannungsanschluss für das negative Potential der Energiequelle eine zweite Überstromsicherung angeordnet ist, wobei parallel zu der Reihenschaltung von oberem Leistungsschalter, unterem Leistungsschalter und zweiter Überstromsicherung ein weiterer erster Leistungsschalter in Reihe mit einem Kondensator angeordnet ist und parallel zu der Reihenschaltung von erster Überstromsicherung, oberem Leistungsschalter und unterem Leistungsschalter ein weiterer zweiter Leistungsschalter in einer Reihe mit einem Kondensator angeordnet ist.There are various topologies for boost converters, with half-bridge circuits being used in one embodiment. Such designs have the advantage, on the one hand, that they can be easily parallelized, so that the ripple that occurs when converting can be better compensated for. Furthermore, versions are possible where the half-bridge circuits can take on several functions. For example, from the US 2016/0 226 396 A1 a step-up converter is known which consists of two half bridges with semiconductor power switches, the lower and upper branches of each half bridge being equipped with a fuse, and the connection point of the two semiconductor power switches of each half bridge being connected to the positive pole of an energy source via an inductance . Furthermore, from de DE 11 2013 007 105 T5 r a boost converter is known that boosts a voltage of an energy source and delivers it to an energy storage device, the boost converter consisting of a single half-bridge circuit of semiconductor power switches and the half-bridge circuit having a fuse between the lower semiconductor switch and ground, and the connection point of the two semiconductor Circuit breaker is connected to the positive pole of an energy source via an inductance. Finally it's over WELCHKO, BA et al .: Fault tolerant threephase AC motor drive topologies: a comparison of features, cost, and limitations. In: IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19, July 2004, No. 4, pp. 1108-1116 known to supply an inverter with a direct voltage energy source, the inverter having several half-bridge circuits that are connected in parallel, each half-bridge circuit having at least one upper power switch and at least one lower power switch, wherein between the upper power switch and the voltage connection for the positive potential of the Energy source is a first overcurrent fuse and a second overcurrent fuse is arranged between the lower circuit breaker and the voltage connection for the negative potential of the energy source, a further first circuit breaker being arranged in series with a capacitor parallel to the series connection of the upper circuit breaker, lower circuit breaker and second overcurrent fuse and parallel to the series connection of the first overcurrent fuse, upper circuit breaker and lower circuit breaker, another second circuit breaker in one Series is arranged with a capacitor.

Ein Problem bei derartigen Halbbrückenschaltungen ist, dass im Fall eines Kurzschlusses zwischen positivem Potential und negativem Potential in einer Halbbrückenschaltung der gesamte Hochsetzsteller abgeschaltet werden muss.One problem with such half-bridge circuits is that in the event of a short circuit between positive potential and negative potential in a half-bridge circuit, the entire step-up converter must be switched off.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Hochsetzsteller zu schaffen, bei dem die Verfügbarkeit verbessert ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers zur Verfügung zu stellen.The invention is based on the technical problem of creating a step-up converter in which the availability is improved, as well as providing a method for operating a step-up converter.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch einen Hochsetzsteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from a step-up converter with the features of claim 1 and a method for operating a step-up converter with the features of claim 8. Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.

Hierzu umfasst der Hochsetzsteller einen Spannungsanschluss für ein positives Potential und einen Spannungsanschuss für ein negatives Potential eines Energiespeichers sowie einen Spannungsanschluss für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss für ein negatives Potential einer Energiequelle, wobei die beiden Spannungsanschlüsse für das negative Potential miteinander verbunden sind. Der Hochsetzsteller weist mindestens zwei Halbbrückenschaltungen auf, die parallel geschaltet sind, wobei jede Halbbrückenschaltung mindestens einen oberen Leistungsschalter und mindestens einen unteren Leistungsschalter aufweist, wobei zwischen dem oberen Leistungsschalter und dem Spannungsanschluss für das positive Potential eine erste Überstromsicherung angeordnet ist und zwischen dem unteren Leistungsschalter und dem Spannungsanschluss für das negative Potential eine zweite Überstromsicherung angeordnet ist, wobei die Mittelabgriffe der Halbbrückenschaltungen über mindestens eine Induktivität mit dem Spannungsanschluss für das positive Potential der Energiequelle verbunden sind. Parallel zu der Reihenschaltung von oberem Leistungsschalter, unterem Leistungsschalter und zweiter Überstromsicherung ist ein weiterer erster Leistungsschalter in Reihe mit einem Kondensator angeordnet und parallel zu der Reihenschaltung vom erster Überstromsicherung, oberem Leistungsschalter und unterem Leistungsschalter ein weiterer zweiter Leistungsschalter in Reihe mit einem Kondensator angeordnet ist. Durch den weiteren ersten Leistungsschalter oder den weiteren zweiten Leistungsschalter kann gezielt ein Überstrom erzeugt werden, der schnell und zuverlässig die zugeordnete Überstromsicherung auslöst, sodass eine fehlerhafte Halbbrückenschaltung galvanisch von der Potentialleitung getrennt wird.For this purpose, the step-up converter comprises a voltage connection for a positive potential and a voltage connection for a negative potential of an energy store as well as a voltage connection for a positive potential and a voltage connection for a negative potential of an energy source, the two voltage connections for the negative potential being connected to one another. The step-up converter has at least two half-bridge circuits that are connected in parallel, each half-bridge circuit having at least one upper circuit breaker and at least one lower circuit breaker, a first overcurrent fuse being arranged between the upper circuit breaker and the voltage connection for the positive potential and between the lower circuit breaker and A second overcurrent fuse is arranged on the voltage connection for the negative potential, the center taps of the half-bridge circuits being connected via at least one inductance to the voltage connection for the positive potential of the energy source. In parallel to the series connection of the upper circuit breaker, lower circuit breaker and second overcurrent fuse, another first circuit breaker is arranged in series with a capacitor and, parallel to the series circuit of the first overcurrent fuse, upper circuit breaker and lower circuit breaker, another second circuit breaker is arranged in series with a capacitor. By the further first circuit breaker or the further second Circuit breakers can specifically generate an overcurrent that triggers the assigned overcurrent fuse quickly and reliably, so that a faulty half-bridge circuit is galvanically isolated from the potential line.

Mittels des in Reihe geschalteten Kondensators werden gezielt parasitäre Induktivitäten kompensiert, sodass der Stromanstieg sehr schnell ist, sodass ausreichend schnell Energie in der Überstromsicherung umgesetzt wird, um diese auszulösen. Somit kann innerhalb eines Taktzyklus die Überstromsicherung ausgelöst werden. Die Kapazität des Kondensators wird dabei auf die Kennwerte der Überstromsicherung und die parasitären Induktivitäten ausgelegt. Dabei wir die Kapazität so gering wie möglich ausgelegt, um Chip-Fläche einzusparen. Dabei sei angemerkt, dass die Auslösung gezielt erfolgen kann, ohne dass bereits eine andere Überstromsicherung ausgelöst hat. Die Überstromsicherung ist beispielsweise als Schmelzsicherung, Bonddraht oder Leiterbahn ausgebildet.By means of the capacitor connected in series, parasitic inductances are specifically compensated so that the current rise is very fast, so that energy is converted in the overcurrent protection sufficiently quickly to trigger it. This means that the overcurrent protection can be triggered within one clock cycle. The capacitance of the capacitor is designed for the characteristic values of the overcurrent protection and the parasitic inductances. The capacity is designed to be as low as possible in order to save chip space. It should be noted that tripping can take place in a targeted manner without another overcurrent fuse having already tripped. The overcurrent fuse is designed, for example, as a fuse, bonding wire or conductor track.

Vorzugsweise werden dabei die parallel geschalteten Halbbrückenschaltungen versetzt angesteuert, sodass sich die Ripple der Ausgangsspannung teilweise kompensieren.In this case, the half-bridge circuits connected in parallel are preferably actuated offset, so that the ripples of the output voltage partially compensate each other.

In einer Ausführungsform ist jede Halbbrückenschaltung über eine eigene Induktivität mit dem Spannungsanschluss für das positive Potential der Energiequelle verbunden, sodass auch Einzelfehler in einer Induktivität nicht zum Totalausfall führen.In one embodiment, each half-bridge circuit is connected to the voltage connection for the positive potential of the energy source via its own inductance, so that even individual faults in an inductance do not lead to total failure.

In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Hochsetzsteller mindestens vier Halbbrückenschaltungen, wobei jeweils die Mittelabgriffe zweier Halbbrückenschaltungen mit einer gemeinsamen Induktivität mit dem Spannungsanschluss für das positive Potential der Energiequelle verbunden sind. Dadurch wird die Anzahl der Induktivitäten halbiert, wobei auch bei Ausfall einer Induktivität der Hochsetzsteller weiterarbeiten kann. Dabei wird ausgenutzt, dass der Ausfall einer passiven Induktivität sehr unwahrscheinlich ist. Prinzipiell können sich auch mehr als zwei Halbbrückenschaltungen eine Induktivität teilen, wobei im Extremfall sich alle Halbbrückenschaltungen nur eine einzige Induktivität teilen.In an alternative embodiment, the step-up converter comprises at least four half-bridge circuits, the center taps of two half-bridge circuits having a common inductance being connected to the voltage connection for the positive potential of the energy source. This halves the number of inductances, and the step-up converter can continue to operate even if one inductance fails. This makes use of the fact that the failure of a passive inductance is very unlikely. In principle, more than two half-bridge circuits can also share one inductance, with all half-bridge circuits sharing only a single inductance in the extreme case.

In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zu den Spannungsanschlüssen für den Energiespeicher und/oder parallel zu den Spannungsanschlüssen für die Energiequelle ein Kondensator angeordnet. Der Kondensator am Energiespeicher dient dabei als Zwischenkreiskondensator und glättet die Ausgangsspannung. Der Kondensator an der Energiequelle dient primär als Filter gegen hochfrequente Störkomponenten.In a further embodiment, a capacitor is arranged parallel to the voltage connections for the energy store and / or parallel to the voltage connections for the energy source. The capacitor on the energy store serves as an intermediate circuit capacitor and smooths the output voltage. The capacitor at the energy source serves primarily as a filter against high-frequency interfering components.

Die oberen und unteren Leistungsschalter sind vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet.The upper and lower power switches are preferably designed as MOSFETs.

In einer weiteren Ausführungsform ist den oberen Leistungsschaltern und den unteren Leistungsschaltern jeweils ein Strom- und/oder Temperatursensor zugeordnet, sodass frühzeitig ein sich anbahnender Defekt erkannt werden kann. Vorzugsweise kommen beide Sensoren zum Einsatz. Strom- und Temperatursensoren können in die Leistungsschalter integriert sein oder aber separate Sensoren sein. Weiter vorzugsweise ist auch einem Mittelabgriff der Halbbrücke ein Stromsensor zugeordnet.In a further embodiment, the upper circuit breakers and the lower circuit breakers are each assigned a current and / or temperature sensor, so that an impending defect can be detected at an early stage. Both sensors are preferably used. Current and temperature sensors can be integrated into the circuit breakers or they can be separate sensors. A current sensor is also preferably assigned to a center tap of the half-bridge.

In einer weiteren Ausführungsform sind der weitere erste Leistungsschalter und der weitere zweite Leistungsschalter als Thyristoren ausgebildet. Diese weisen eine gute Sperrfähigkeit auf und können schnell große Ströme schalten.In a further embodiment, the further first power switch and the further second power switch are designed as thyristors. These have a good blocking ability and can switch large currents quickly.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Halbbrückenmodule jeweils als integrierter Chip ausgebildet.In a further embodiment, the half-bridge modules are each designed as an integrated chip.

In einer weiteren Ausführungsform sind die ersten und zweiten Überstromsicherungen als Leiterbahn oder Bonddraht ausgebildet, sodass sich diese besonders einfach in einem Chip realisieren lassen.In a further embodiment, the first and second overcurrent fuses are designed as a conductor track or bonding wire, so that these can be implemented particularly easily in one chip.

Das Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers beinhaltet, das im Fehlerfall oder einem sich anbahnenden Fehler eines Leistungsschalters der zugeordnete weitere Leistungsschalter durchgeschaltet wird, um die zugeordnete Überstromsicherung auszulösen, um so innerhalb eines Taktzyklus den defekten Leistungsschalter galvanisch von dem Potential des Energiespeichers zu trennen. Anschließend kann die betroffene Halbbrückenschaltung abgeschaltet werden und der Hochsetzbetrieb mit den verbleibenden Halbbrückenschaltungen weiter betrieben werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Hochsetzsteller mit entsprechend reduzierter Leistung betrieben wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die verbleibenden Halbbrückenschaltungen zumindest temporär mit erhöhter Leistung betrieben werden, um den Ausfall der einen Halbbrückenschaltung zu kompensieren. Dies kann dem Kraftfahrzeugführer signalisiert werden, sodass dieser beispielsweise eine Werkstatt anfahren kann, um die defekte Halbbrückenschaltung auszutauschen.The method for operating a step-up converter includes that in the event of a fault or an impending fault in a circuit breaker, the associated additional circuit breaker is switched through in order to trigger the associated overcurrent protection in order to galvanically separate the defective circuit breaker from the potential of the energy store within one clock cycle. The affected half-bridge circuit can then be switched off and the step-up mode can be continued with the remaining half-bridge circuits. It can be provided that the step-up converter is operated with a correspondingly reduced power. Alternatively, it can be provided that the remaining half-bridge circuits are operated at least temporarily with increased power in order to compensate for the failure of one half-bridge circuit. This can be signaled to the motor vehicle driver so that he can, for example, drive to a workshop to replace the defective half-bridge circuit.

In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Auslösen der Überstromsicherung vorsorglich auch die andere Überstromsicherung der Halbbrückenschaltung ausgelöst.In a further embodiment, after the overcurrent fuse has been triggered, the other overcurrent fuse of the half-bridge circuit is also triggered as a precaution.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

  • 1 eine Schaltungsanordnung eines Hochsetzstellers in einer ersten Ausführungsform,
  • 2 eine Schaltungsanordnung eines Hochsetzstellers in einer zweiten Ausführungsform und
  • 3 einen Leistungsschalter mit Sensoren.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments. The figures show:
  • 1 a circuit arrangement of a step-up converter in a first embodiment,
  • 2 a circuit arrangement of a step-up converter in a second embodiment and
  • 3 a circuit breaker with sensors.

In der 1 ist ein Hochsetzsteller 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Der Hochsetzsteller 1 umfasst einen Spannungsanschluss 2 für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss 3 für ein negatives Potential eines Energiespeichers 40 sowie einen Spannungsanschluss 4 für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss 5 für ein negatives Potential einer Energiequelle 50, wobei die beiden Spannungsanschlüsse 3, 5 für das negative Potential miteinander verbunden sind. Dabei ist die Nennspannung der Energiequelle 50 kleiner als die Nennspannung des Energiespeichers 40. Der Energiespeicher 40 ist beispielsweise eine Hochvoltbatterie mit einer Nennspannung von 800 V und die Energiequelle 50 ist beispielsweise eine Brennstoffzelle oder eine Batterie mit einer Nennspannung zwischen 200 V bis 300 V. Des Weiteren weist der Hochsetzsteller 1 noch Anschlüsse 6 für weitere Hochvoltkomponenten 60 auf.In the 1 is a boost converter 1 shown in a first embodiment. The boost converter 1 includes a voltage connection 2 for a positive potential and a voltage connection 3 for a negative potential of an energy store 40 as well as a voltage connection 4th for a positive potential and a voltage connection 5 for a negative potential of an energy source 50 , the two voltage connections 3 , 5 for the negative potential are connected to each other. Here is the nominal voltage of the energy source 50 less than the nominal voltage of the energy storage 40 . The energy storage 40 is for example a high-voltage battery with a nominal voltage of 800 V and the energy source 50 is for example a fuel cell or a battery with a nominal voltage between 200 V to 300 V. Furthermore, the step-up converter 1 still connections 6th for other high-voltage components 60 on.

Der Hochsetzsteller 1 weist sechs Halbbrückenschaltungen 10 auf, die parallelgeschaltet sind, wobei jede Halbbrückenschaltung 10 mindestens einen oberen Leistungsschalter T1 und mindestens einen unteren Leistungsschalter T2 aufweist. Diese werden auch als High-Side- und Low-Side-Schalter bezeichnet. Parallel zu den Leistungsschaltern T1, T2 sind jeweils Freilaufdioden D angeordnet. Zwischen dem oberen Leistungsschalter T1 und dem Spannungsanschluss 2 für das positive Potential ist eine erste Überstromsicherung F1 angeordnet, die vorzugsweise als entsprechend dimensionierte Leiterbahn oder Bonddraht ausgebildet ist. Entsprechend ist zwischen dem unteren Leistungsschalter T2 und dem Anschluss 3 für das negative Potential eine zweite Überstromsicherung F2 angeordnet, die ebenfalls vorzugsweise als Leiterbahn oder Bonddraht ausgebildet ist. Der Mittelabgriff M der Halbbrückenschaltung 10 ist jeweils über eine Induktivität L mit dem Spannungsanschluss 4 für das positive Potential der Energiequelle 50 verbunden. Weiter ist parallel zu der Reihenschaltung von oberem Leistungsschalter T1, unterem Leistungsschalter T2 und zweiter Überstromsicherung ein weiterer erster Leistungsschalter Th1 in Reihe mit einem Kondensator C angeordnet und parallel zu der Reihenschaltung von erster Überstromsicherung F1, oberem Leistungsschalter T1 und unterem Leistungsschalter T2 ein weiterer zweiter Leistungsschalter Th2 in Reihe mit einem Kondensator C angeordnet. Parallel zu den Spannungsanschlüssen 2, 3 des Energiespeichers 40 ist mindestens ein Kondensator Cdc und parallel zu den Spannungsanschlüssen 4, 5 der Energiequelle ist mindestens ein Kondensator CLS angeordnet. Durch eine nicht dargestellte Steuereinheit können dann die oberen Leistungsschalter T1 und unteren Leistungsschalter T2 derart angesteuert werden, dass die Spannung zwischen den Spannungsanschlüssen 4, 5 auf eine höhere Spannung zwischen den Spannungsanschlüssen 2, 3 gewandelt wird. Dabei werden die Halbbrückenschaltungen 10 vorzugsweise zeitlich versetzt zueinander angesteuert, damit sich entstehende Ripple am Kondensator Cdc nicht überlagern.The boost converter 1 has six half-bridge circuits 10 which are connected in parallel, each half-bridge circuit 10 at least one upper circuit breaker T1 and at least one lower circuit breaker T2 having. These are also known as high-side and low-side switches. In parallel with the circuit breakers T1 , T2 are each free wheeling diodes D. arranged. Between the upper circuit breaker T1 and the voltage connection 2 A first overcurrent protection is required for the positive potential F1 arranged, which is preferably designed as a correspondingly dimensioned conductor track or bonding wire. Correspondingly is between the lower circuit breaker T2 and the connection 3 a second overcurrent fuse for the negative potential F2 arranged, which is also preferably designed as a conductor track or bonding wire. The tapping of funds M. the half-bridge circuit 10 is in each case via an inductance L. with the voltage connection 4th for the positive potential of the energy source 50 connected. Next is parallel to the series connection of the upper circuit breaker T1 , lower circuit breaker T2 and a second overcurrent fuse, a further first circuit breaker Th 1 in series with a capacitor C. arranged and parallel to the series connection of the first overcurrent fuse F1 , upper circuit breaker T1 and lower circuit breaker T2 another second circuit breaker Th 2 in series with a capacitor C. arranged. Parallel to the voltage connections 2 , 3 of the energy storage 40 is at least one capacitor C dc and parallel to the voltage connections 4th , 5 the energy source is at least one capacitor C LS arranged. The upper circuit breakers can then be controlled by a control unit (not shown) T1 and lower circuit breaker T2 can be controlled in such a way that the voltage between the voltage connections 4th , 5 to a higher voltage between the voltage connections 2 , 3 is converted. Thereby the half-bridge circuits 10 preferably controlled at a time offset from one another, so that ripples appearing on the capacitor C dc do not overlay.

Den Leistungsschaltern T1, T2 sind Stromsensoren 7 und Temperatursensoren 8 zugeordnet, deren Daten von der Steuereinheit 30 oder einer anderen Einheit ausgewertet werden, sodass frühzeitig ein Fehler oder ein sich anbahnender Fehler (wie z.B. eine Durchlegierung) erfasst werden kann (siehe auch 3). Dies ist beispielsweise in 1 durch ein Kreuz an dem oberen Leistungsschalter T1 der linken Halbbrückenschaltung 10 symbolisiert. In diesem Fall steuert die Steuereinheit 30 oder eine andere Einheit den zugeordneten weiteren ersten Leistungsschalter Th1 an, sodass ein großer Auslösestrom fließt, der die erste Überstromsicherung F1 auslöst, wobei der Stromfluss gestrichelt dargestellt ist. Anschließend kann dann noch die zweite Überstromsicherung F2 ausgelöst werden, indem der weitere zweite Leistungsschalter Th2 angesteuert wird, was aber nicht zwingend ist. Die linke Halbbrückenschaltung 10 kann dann abgeschaltet werden bzw. wird nicht mehr angesteuert, wobei aufgrund der galvanischen Trennung die defekte Halbbrückenschaltung 10 keine Rückwirkung auf den übrigen Hochsetzsteller 1 hat. Die übrigen Halbbrückenschaltungen 10 können dann wie zuvor angesteuert werden oder aber diese werden modifiziert angesteuert, sodass der zeitliche Versatz in der Ansteuerung wieder konstant ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Strom über die einzelnen Halbbrückenschaltungen 10 erhöht wird, um so den Leistungsverlust der abgeschalteten Halbbrückenschaltung 10 zu kompensieren.The circuit breakers T1 , T2 are current sensors 7th and temperature sensors 8th assigned their data from the control unit 30th or another unit, so that an error or an impending error (such as a failure) can be detected at an early stage (see also 3 ). This is for example in 1 by a cross on the upper circuit breaker T1 the left half-bridge circuit 10 symbolizes. In this case the control unit controls 30th or another unit the associated further first circuit breaker Th 1 so that a large tripping current flows, which is the first overcurrent protection F1 triggers, the current flow is shown in dashed lines. Then the second overcurrent protection can be used F2 be triggered by the further second circuit breaker Th 2 is controlled, but this is not mandatory. The left half-bridge circuit 10 can then be switched off or is no longer activated, with the defective half-bridge circuit due to the galvanic separation 10 no effect on the rest of the step-up converter 1 has. The remaining half-bridge circuits 10 can then be controlled as before, or they are controlled in a modified manner so that the time offset in the control is constant again. It can also be provided that the current via the individual half-bridge circuits 10 is increased, so as to reduce the power loss of the disconnected half-bridge circuit 10 to compensate.

In der 2 ist eine alternative Ausführungsform für einen Hochsetzsteller 1 dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu 1 teilen sich zwei Halbbrückenschaltungen 10 eine Induktivität L, wozu die beiden Mittelabgriffe M miteinander verbunden sind. Somit kann die Anzahl von passiven Induktivitäten halbiert werden. Dabei wird ausgenutzt, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit von passiven Induktivitäten erheblich geringer ist als von halbleiterelektronischen Bauteilen.In the 2 is an alternative embodiment for a boost converter 1 shown, wherein the same elements are provided with the same reference numerals. In contrast to 1 share two half-bridge circuits 10 an inductance L. , including the two center taps M. are connected to each other. Thus, the number of passive inductances can be halved. This makes use of the fact that the probability of failure of passive inductances is considerably lower than that of semiconductor electronic components.

Die Halbbrückenschaltungen 10 sind vorzugsweise als integrierte Chips ausgebildet, sodass bei einem Defekt einer Halbbrückenschaltung 10 einfach nur der Chip ausgetauscht werden muss.The half-bridge circuits 10 are preferably designed as integrated chips, so that in the event of a defect in a half-bridge circuit 10 only the chip has to be replaced.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
HochsetzstellerBoost converter
22
SpannungsanschlussVoltage connection
33
SpannungsanschlussVoltage connection
44th
SpannungsanschlussVoltage connection
55
SpannungsanschlussVoltage connection
66th
Anschlüsseconnections
77th
StromsensorenCurrent sensors
88th
TemperatursensorenTemperature sensors
1010
HalbbrückenschaltungHalf-bridge circuit
3030th
SteuereinheitControl unit
4040
EnergiespeicherEnergy storage
5050
EnergiequelleEnergy source
6060
HochvoltkomponenteHigh-voltage component
T1T1
oberer Leistungsschalterupper circuit breaker
T2T2
unterer Leistungsschalterlower circuit breaker
F1F1
erste Überstromsicherungfirst overcurrent protection
F2F2
zweite Überstromsicherungsecond overcurrent protection
Th1Th1
weiterer erster Leistungsschalteranother first circuit breaker
Th2Th2
weiterer zweiter Leistungsschalteranother second circuit breaker
CC.
Kondensatorcapacitor
CdcCdc
Kondensatorcapacitor
CLSCLS
Kondensatorcapacitor
LL.
InduktivitätInductance
MM.
MittelabgriffFund tapping
DD.
FreilaufdiodeFreewheeling diode

Claims (9)

Hochsetzsteller (1), umfassend einen Spannungsanschluss (2) für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss (3) für ein negatives Potential eines Energiespeichers (40) sowie einen Spannungsanschluss (4) für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss (5) für ein negatives Potential einer Energiequelle (50), wobei die beiden Spannungsanschlüsse (3, 5) für das negative Potential miteinander verbunden sind, wobei der Hochsetzsteller (1) mindestens zwei Halbbrückenschaltungen (10) aufweist, die parallel geschaltet sind, wobei jede Halbbrückenschaltung (10) mindestens einen oberen Leistungsschalter (T1) und mindestens einen unteren Leistungsschalter (T2) aufweist, wobei zwischen dem oberen Leistungsschalter (T1) und dem Spannungsanschluss (2) für das positive Potential eine erste Überstromsicherung (F1) angeordnet ist und zwischen dem unteren Leistungsschalter (T2) und dem Spannungsanschluss (3) für das negative Potential eine zweite Überstromsicherung (F2) angeordnet ist, wobei die Mittelabgriffe (M) der Halbbrückenschaltungen (10) über mindestens eine Induktivität (L) mit dem Spannungsanschluss (4) für das positive Potential der Energiequelle (50) verbunden sind, wobei parallel zu der Reihenschaltung von oberem Leistungsschalter (T1), unterem Leistungsschalter (T2) und zweiter Überstromsicherung (F2) ein weiterer erster Leistungsschalter (Th1) in Reihe mit einem Kondensator (C) angeordnet ist und parallel zu der Reihenschaltung von erster Überstromsicherung (F1), oberem Leistungsschalter (T1) und unterem Leistungsschalter (T2) ein weiterer zweiter Leistungsschalter (Th2) in einer Reihe mit einem Kondensator (C) angeordnet ist.Boost converter (1), comprising a voltage connection (2) for a positive potential and a voltage connection (3) for a negative potential of an energy store (40) and a voltage connection (4) for a positive potential and a voltage connection (5) for a negative potential an energy source (50), the two voltage connections (3, 5) for the negative potential being connected to one another, the step-up converter (1) having at least two half-bridge circuits (10) connected in parallel, each half-bridge circuit (10) having at least one upper circuit breaker (T1) and at least one lower circuit breaker (T2), a first overcurrent fuse (F1) being arranged between the upper circuit breaker (T1) and the voltage connection (2) for the positive potential and between the lower circuit breaker (T2) and a second overcurrent fuse (F2) is arranged on the voltage connection (3) for the negative potential, wherein the center taps (M) of the half-bridge circuits (10) are connected via at least one inductance (L) to the voltage connection (4) for the positive potential of the energy source (50), being parallel to the series connection of the upper circuit breaker (T1) and the lower circuit breaker (T2) and second overcurrent fuse (F2) a further first circuit breaker (Th 1 ) is arranged in series with a capacitor (C) and parallel to the series connection of the first overcurrent fuse (F1), upper circuit breaker (T1) and lower circuit breaker (T2) a further second power switch (Th 2 ) is arranged in a row with a capacitor (C). Hochsetzsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Halbbrückenschaltung (10) über eine eigene Induktivität (L) mit dem Spannungsanschluss (4) für das positive Potential der Energiequelle (50) verbunden ist.Boost converter after Claim 1 , characterized in that each half-bridge circuit (10) is connected to the voltage connection (4) for the positive potential of the energy source (50) via its own inductance (L). Hochsetzsteller nach Anspruch 1, umfassend mindestens vier Halbbrückenschaltungen (10), wobei jeweils die Mittelabgriffe (M) zweiter Halbbrückenschaltungen (10) mit einer gemeinsamen Induktivität (L) mit dem Spannungsanschluss (4) für das positive Potential der Energiequelle (50) verbunden sind.Boost converter after Claim 1 , comprising at least four half-bridge circuits (10), the center taps (M) of the second half-bridge circuits (10) being connected with a common inductance (L) to the voltage connection (4) for the positive potential of the energy source (50). Hochsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Spannungsanschlüssen (2, 3) für den Energiespeicher (40) und/oder parallel zu den Spannungsanschlüssen (4, 5) für die Energiequelle (50) ein Kondensator (Cdc, CLS) angeordnet ist.Step-up converter according to one of the preceding claims, characterized in that a capacitor (C dc , C LS ) is arranged. Hochsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem oberen Leistungsschalter (T1) und dem unteren Leistungsschalter (T2) jeweils ein Stromsensor (7) und/oder Temperatursensor (8) zugeordnet ist.Step-up converter according to one of the preceding claims, characterized in that the upper power switch (T1) and the lower power switch (T2) are each assigned a current sensor (7) and / or temperature sensor (8). Hochsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere erste Leistungsschalter (Th1) und der weitere zweite Leistungsschalter (Th2) als Thyristoren ausgebildet sind.Step-up converter according to one of the preceding claims, characterized in that the further first power switch (Th 1 ) and the further second power switch (Th 2 ) are designed as thyristors. Hochsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrückenschaltungen (10) mit den zugeordneten weiteren Leistungsschaltern (Th1, Th2) jeweils als integrierter Chip ausgebildet sind.Step-up converter according to one of the preceding claims, characterized in that the half-bridge circuits (10) with the associated further power switches (Th 1 , Th 2 ) are each designed as an integrated chip. Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers (1) mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Fehlerfall oder einem sich anbahnenden Fehler eines Leistungsschalters (T1, T2) einer Halbbrückenschaltung (10) der zugeordnete weitere Leistungsschalter (Th1, Th2) durchgeschaltet wird, um die zugeordnete Überstromsicherung (F1, F2) auszulösen.Method for operating a step-up converter (1) with the features of Claim 1 , thereby characterized in that in the event of a fault or an impending fault in a circuit breaker (T1, T2) of a half-bridge circuit (10), the associated additional circuit breaker (Th 1 , Th 2 ) is switched through in order to trigger the associated overcurrent fuse (F1, F2). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend die andere Überstromsicherung (F2, F1) der Halbbrückenschaltung (10) ausgelöst wird.Procedure according to Claim 8 , characterized in that then the other overcurrent fuse (F2, F1) of the half-bridge circuit (10) is triggered.
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WELCHKO, B.A. et al.: Fault tolerant three-phase AC motor drive topologies: a comparison of features, cost, and limitations. In: IEEE Transactions on Power Electronics, Bd. 19, Juli 2004, Nr. 4, S. 1108-1116.

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