DE102021200628A1 - Galvanically coupled DC-DC converter and vehicle electrical system - Google Patents
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Abstract
Ein galvanisch koppelnder Gleichspannungswandler mit einer ersten Seite (A1) und einer zweiten Seite (A2) wird beschrieben. Die erste Seite (A1) und die zweite Seite (A2) weisen jeweils ein erstes Potential (U+, V+) und ein zweites Potential (U-, V-) auf. Der Gleichspannungswandler hat eine erste und eine zweite Reihenschaltung (R1, R2) von jeweils einer ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung (S1, S2, S3; S4, S5, S6), die über einen ersten und einen zweiten Verbindungspunkt (VP1, VP2) seriell verbunden sind. Die erste Reihenschaltung (R1) ist zwischen den Potentialen (U+, U-) der ersten Seite (A1) vorgesehen. Die zweite Reihenschaltung (R2) ist zwischen den Potentialen (V+, V-,) der zweiten Seite (A2) vorgesehen. Der erste Verbindungspunkt (VP1) der ersten Reihenschaltung (R1) ist über eine erste Arbeitsinduktivität (L1) mit dem ersten Verbindungspunkt (VP1') der zweiten Reihenschaltung (R2) verbunden. Der zweite Verbindungspunkt (VP2) der ersten Reihenschaltung ist über eine zweite Arbeitsinduktivität (L1') mit dem zweiten Verbindungspunkt (VP2') der zweiten Reihenschaltung angeschlossen.A galvanically coupled DC/DC converter having a first side (A1) and a second side (A2) is described. The first side (A1) and the second side (A2) each have a first potential (U+, V+) and a second potential (U-, V-). The DC-DC converter has a first and a second series connection (R1, R2) of a respective first, second and third transistor device (S1, S2, S3; S4, S5, S6) which are connected via a first and a second connection point (VP1, VP2) are serially connected. The first series circuit (R1) is provided between the potentials (U+, U-) on the first side (A1). The second series connection (R2) is provided between the potentials (V+, V-) of the second side (A2). The first connection point (VP1) of the first series circuit (R1) is connected to the first connection point (VP1') of the second series circuit (R2) via a first working inductance (L1). The second connection point (VP2) of the first series circuit is connected to the second connection point (VP2') of the second series circuit via a second working inductance (L1').
Description
Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen ein Bordnetz auf, das zur Erbringung von hohen Leistungen hohe Betriebsspannungen aufweist. Diese sogenannten Hochvoltbordnetze mit Spannungen von deutlich über 60 V können ebenso unterteilt sein in Bordnetzzweige mit einer Nennspannung, die für einige Komponenten oder auch zum Laden geeignet ist, sowie mit höheren Nennspannungen, etwa Bordnetzzweige mit Akkumulator, die eine im Vergleich hierzu höhere Spannung aufweist. Beispielsweise kann so ermöglicht werden, dass zum Fahren eine Spannung von 400 V bereitsteht, während etwa zum Schnellladen höhere Spannungen verwendet werden können, beispielsweise in Höhe von 800 V. Gleichzeitig kann so ermöglicht werden, dass Hochvoltkomponenten wie elektrische Heizer (etwa ein Katalysatorheizgerät) oder auch ein Hochvolt-Klimakompressor mit 400 V betrieben werden können, ohne dass auf einen Ladevorgang mit höherer Spannung verzichtet werden muss.Vehicles with an electric drive have an on-board electrical system that has high operating voltages to provide high power. These so-called high-voltage vehicle electrical systems with voltages well above 60 V can also be divided into vehicle electrical system branches with a nominal voltage that is suitable for some components or for charging, and with higher nominal voltages, such as vehicle electrical system branches with an accumulator, which has a higher voltage in comparison. For example, it can be made possible that a voltage of 400 V is available for driving, while higher voltages can be used for fast charging, for example 800 V a high-voltage air conditioning compressor can also be operated at 400 V without having to do without a charging process with a higher voltage.
Um Energie zwischen den Bordnetzzweigen mit unterschiedlicher Nennspannung übertragen zu können, werden Gleichspannungswandler verwendet. Diese sollten möglichst kostengünstig und für hohe Leistungen ausgelegt sein und sollten ferner möglichst hohen Schutz vor gefährlichen Berührspannungen bieten, vor allem im Hinblick auf Berührspannungen beim Ladevorgang.In order to be able to transfer energy between the vehicle electrical system branches with different nominal voltages, DC voltage converters are used. These should be as inexpensive as possible and designed for high performance and should also offer the highest possible protection against dangerous contact voltages, especially with regard to contact voltages during the charging process.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich derartige Schaltungen zum Übertragen von Energie mit Hochvoltnetzen mit verschiedenen Spannungen realisieren lassen.It is an object of the invention to indicate a possibility with which circuits of this type can be implemented for transmitting energy with high-voltage networks with different voltages.
Diese Aufgabe wird erfüllt durch den Gleichspannungswandler und das Fahrzeugbordnetz gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den Unteransprüchen, den Figuren und der Beschreibung.This task is fulfilled by the DC-DC converter and the vehicle electrical system according to the independent claims. Further properties, features, embodiments and advantages result from the dependent claims, the figures and the description.
Es wird vorgeschlagen, einen galvanisch koppelnden Gleichspannungswandler vorzusehen, der zwei Seiten aufweist, wobei jede Seite eine Reihenschaltung von mindestens drei Transistoreinrichtungen aufweist. Die Transistoreinrichtungen weisen entweder ein einzelnes Transistorelement oder eine Reihenschaltung mehrerer Transistorelementen auf. Zwischen den sich ergebenden (mindestens) zwei Verbindungspunkten zwischen den Transistoreinrichtungen der Reihenschaltungen sind Arbeitsinduktivitäten vorgesehen. Es ergibt sich durch die Arbeitsinduktivitäten eine symmetrische Verbindung zwischen den Reihenschaltungen der verschiedenen Seiten. Die Verbindung ist im Hinblick auf die (Gleichspannungs-)Potentiale der Seiten symmetrisch. Ferner ergibt sich durch die Verbindung eine Symmetrie in dem Sinne, dass die Seiten bezogen auf die Verbindung (oder deren Mitte) gespiegelt sind und beidseits drei Transistoreinrichtungen aufweisen. Dadurch, dass die (mindestens) zwei Arbeitsinduktivitäten (bezogen auf die Potentiale) die beiden Seiten symmetrisch miteinander verbinden, kann durch Taktung der Transistoreinrichtungen der Reihenschaltungen ein Potentialversatz gezielt erzeugt werden, so dass beispielsweise eine Spannung gegenüber einem Bezugspotential wie Masse minimiert oder auf Null gesetzt werden kann. Zudem ist es möglich, das Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Seiten des Gleichspannungswandlers durch die Taktung einzustellen. Es ist ferner möglich, ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Spannung zwischen den Arbeitsinduktivitäten einerseits und der Spannung zwischen den Potentialen der Seiten andererseits, etwa um einen Wirkungsgrad zu optimieren.It is proposed to provide a galvanically coupled DC/DC converter having two sides, each side having a series connection of at least three transistor devices. The transistor devices have either a single transistor element or a series connection of a plurality of transistor elements. Working inductances are provided between the resulting (at least) two connection points between the transistor devices of the series circuits. The working inductances result in a symmetrical connection between the series circuits on the different sides. The connection is symmetrical with respect to the (DC) potentials of the sides. Furthermore, the connection provides symmetry in the sense that the sides are mirrored with respect to the connection (or its center) and have three transistor devices on either side. Because the (at least) two working inductances (related to the potentials) connect the two sides symmetrically, a potential offset can be generated in a targeted manner by clocking the transistor devices of the series circuits, so that, for example, a voltage compared to a reference potential such as ground is minimized or set to zero can be. In addition, it is possible to set the transformation ratio between the two sides of the DC-DC converter by clocking. It is also possible to optimize a transformation ratio between the voltage between the working inductances on the one hand and the voltage between the potentials of the sides on the other hand, for example in order to optimize efficiency.
Bei der Verwendung von hohen Spannungen zwischen den Potentialen, etwa Spannungen von 400 V oder 800 V ermöglicht die Reihenschaltung der Transistoren, dass diese nur für jeweils einen Anteil der Gesamtspannung ausgelegt sein müssen. Dies gilt insbesondere für Ausführungsformen, bei denen ein zweiter Transistor als Reihenschaltung zweier Transistorelemente ausgebildet ist. Es ist möglich, die Transistorelemente der Transistoreinrichtungen als Superjunction-FETs auszubilden, da sich die Gesamtspannung auf die Transistoreinrichtungen aufteilt.When using high voltages between the potentials, such as voltages of 400 V or 800 V, the series connection of the transistors allows them to be designed for only a portion of the total voltage. This applies in particular to embodiments in which a second transistor is designed as a series connection of two transistor elements. It is possible to construct the transistor elements of the transistor devices as superjunction FETs since the total voltage is divided between the transistor devices.
In den Reihenschaltungen ist (im isolationsfehlerfreien Betrieb) jeweils eine symmetrische Taktung vorgesehen. Dies bedeutet, dass die Transistoreinrichtung zwischen den Verbindungspunkten einerseits und die beiden äußeren Transistoreinrichtungen andererseits komplementär zueinander geschaltet werden, d. h. wechselweise an- und ausgeschaltet werden. Die beiden äußeren Transistoreinrichtungen werden (im isolationsfehlerfreien Betrieb) synchron getaktet. Bezogen auf die mittlere, zweite Transistoreinrichtung ist somit auch die Taktung der ersten Transistoreinrichtung symmetrisch zur dritten Transistoreinrichtung. Das bedeutet, dass ausgehend von der Mitte der Reihenschaltung die beiden äußeren Transistoreinrichtung (erster und dritter Transistor) synchron getaktet werden und komplementär zu der mittleren, zweiten Transistoreinrichtung getaktet werden. Als äußere Transistoreinrichtungen werden hierbei die erste und die dritte Transistoreinrichtung bezeichnet, und insbesondere Transistoreinrichtungen, die direkt und nicht über eine weitere Transistoreinrichtung mit einem der Potentiale der Seiten verbunden ist. Je nach Nutzung sind die Potentiale die Eingangspotentiale oder die Ausgangspotentiale des Wandlers. Der Wandler ist insbesondere bidirektional ausgebildet.Symmetrical clocking is provided in each of the series circuits (in operation without insulation faults). This means that the transistor device between the connection points on the one hand and the two outer transistor devices on the other hand are connected complementarily to one another, i. H. be switched on and off alternately. The two outer transistor devices are clocked synchronously (in insulation-fault-free operation). In relation to the middle, second transistor device, the clocking of the first transistor device is therefore also symmetrical to the third transistor device. This means that, starting from the middle of the series connection, the two outer transistor devices (first and third transistor) are clocked synchronously and are clocked complementary to the middle, second transistor device. The first and third transistor devices are referred to as outer transistor devices, and in particular transistor devices that are connected to one of the potentials of the sides directly and not via a further transistor device. Depending on the use, the potentials are the input potentials or the output potentials of the converter. In particular, the converter is designed to be bidirectional.
Es wird somit ein galvanisch koppelnder Gleichspannungswandler mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite vorgeschlagen. Die erste Seite kann eine Eingangsseite und die zweite Seite eine Ausgangsseite, wobei jedoch vorzugsweise der Gleichspannungswandler bidirektional ist und somit die zweite Seite auch die Funktion eines Eingangs aufweisen kann und die erste Seite die Funktion eines Ausgangs. Aus diesem Grund wird im weiteren Allgemein von einer ersten und zweiten Seite gesprochen, und nur eine Ausführungsform hiervon sieht vor, dass die erste Seite eine Eingangsfunktion hat während die zweite Seite eine Ausgangsfunktion hat. Bei anderen Ausführungsformen oder Betriebsvarianten ist die Funktionszuordnung (Eingang/Ausgang) umgekehrt.A galvanically coupling DC-DC converter with a first side and a second side is thus proposed. The first side can have an input side and the second side can have an output side, but the DC/DC converter is preferably bidirectional and the second side can therefore also have the function of an input and the first side can have the function of an output. For this reason, a first and second side is generally spoken of below, and only one embodiment of this provides that the first side has an input function, while the second side has an output function. In other embodiments or operating variants, the assignment of functions (input/output) is reversed.
Die erste und die zweite Seite weisen jeweils ein erstes und ein zweites Potential auf. Das erste Potential ist vorzugsweise das positive Potential und das zweite Potential das negative Potential. Die Potentiale sind Potentiale einer Eingangs- oder Ausgangsspannung des Wandlers. Des Weiteren gibt es insbesondere ein Bezugspotential, insbesondere Masse, wobei vorzugsweise zumindest auf einer Seite das erste und das zweite Potential symmetrisch zu dem Bezugspotential sind. Im isolationsfehlerfreien Betrieb ist das Bezugspotential elektrisch isoliert von beiden Potentialen des Wandlers.The first and second sides each have a first and a second potential. The first potential is preferably the positive potential and the second potential is the negative potential. The potentials are potentials of an input or output voltage of the converter. Furthermore, there is in particular a reference potential, in particular ground, with the first and the second potential preferably being symmetrical to the reference potential at least on one side. In operation with no insulation faults, the reference potential is electrically isolated from both potentials of the converter.
Der Gleichspannungswandler weist eine erste und eine zweite Reihenschaltung auf. Die Reihenschaltung (die erste sowie die zweite) weist jeweils eine erste, zweite und dritte Transistoreinrichtung auf. Als Transistoreinrichtung wird hierbei ein einzelnes Transistorelement bezeichnet, wobei jedoch auch eine Reihenschaltung von zwei Transistoren als Transistoreinrichtung bezeichnet werden kann. Insbesondere kann die zweite Transistoreinrichtung zwei seriell verbundene Transistorelemente aufweisen. Die erste und die dritte Transistoreinrichtung sind symmetrisch zur zweiten Transistoreinrichtung ausgebildet. Wenn die zweite Transistoreinrichtung als einzelnes Transistorelement ausgebildet ist, sind die ersten und dritten Transistoreinrichtungen symmetrisch zu diesem Transistorelement angeordnet (in der Reihenschaltung). Ist die zweite Transistoreinrichtung realisiert durch zwei serielle Transistorelemente, die über einen Verbindungspunkt (Bezeichnung: Zwischen-Verbindungspunkt) miteinander verbunden sind, dann sind die erste und die dritte Transistoreinrichtung in der Reihenschaltung symmetrisch zu dem Zwischen-Verbindungspunkt angeordnet.The DC-DC converter has a first and a second series connection. The series connection (the first and the second) each have a first, second and third transistor device. A single transistor element is referred to as a transistor device, although a series connection of two transistors can also be referred to as a transistor device. In particular, the second transistor device can have two series-connected transistor elements. The first and the third transistor device are formed symmetrically to the second transistor device. If the second transistor device is formed as a single transistor element, the first and third transistor devices are arranged symmetrically with respect to this transistor element (in the series connection). If the second transistor device is implemented by two serial transistor elements which are connected to one another via a connection point (designation: intermediate connection point), then the first and the third transistor device in the series connection are arranged symmetrically to the intermediate connection point.
Bezogen auf die Transistoreinrichtung bestehen in der Reihenschaltung zwei Verbindungspunkte. Die erste Transistoreinrichtung ist über einen ersten Verbindungspunkt mit der zweiten Transistoreinrichtung verbunden. Die zweite Transistoreinrichtung ist über einen zweiten Verbindungspunkt mit der dritten Transistoreinrichtung verbunden. Dies gilt für beide Reihenschaltungen und somit für beide Seiten. Falls die zweite Transistoreinrichtung mit zwei Transistorelementen ausgebildet ist, dann besteht der zweite Verbindungspunkt als Verbindungspunkt zwischen der ersten Transistoreinrichtung und einem äußeren Ende der zweiten Transistoreinrichtung, wobei der zweite Verbindungspunkt zwischen der dritten Transistoreinrichtung und dem anderen äußeren Ende der zweiten Transistoreinrichtung vorgesehen ist.In relation to the transistor device, there are two connection points in the series connection. The first transistor device is connected to the second transistor device via a first connection point. The second transistor device is connected to the third transistor device via a second connection point. This applies to both series connections and thus to both sides. If the second transistor device is formed with two transistor elements, then the second connection point exists as a connection point between the first transistor device and an outer end of the second transistor device, the second connection point being provided between the third transistor device and the other outer end of the second transistor device.
Die erste Reihenschaltung ist zwischen den Potentialen der ersten Seite vorgesehen. Diese Potentiale sind insbesondere Gleichspannungspotentiale, beispielsweise Versorgungspotentiale oder Eingangs- bzw. Ausgangspotentiale. Die zweite Reihenschaltung ist zwischen den Potentialen der zweiten Seite vorgesehen. Auch diese sind Gleichspannungspotentiale, beispielsweise Versorgungspotentiale oder Ausgangs- bzw. Eingangspotentiale. Zwischen den Potentialen der ersten Reihenschaltung kann die Eingangsspannung vorgesehen sein und zwischen den Potentialen der zweiten Reihenschaltung kann die Ausgangsspannung vorgesehen sein. Auch der umgekehrte Fall ist möglich, abhängig von der Einbindung des Gleichspannungswandlers in das restliche Fahrzeugbordnetz.The first series connection is provided between the potentials of the first side. These potentials are, in particular, DC voltage potentials, for example supply potentials or input or output potentials. The second series connection is provided between the potentials of the second side. These are also direct voltage potentials, for example supply potentials or output or input potentials. The input voltage can be provided between the potentials of the first series circuit and the output voltage can be provided between the potentials of the second series circuit. The opposite case is also possible, depending on the integration of the DC-DC converter into the rest of the vehicle electrical system.
Wie erwähnt ist zwischen den Reihenschaltungen bzw. zwischen den verschiedenen Seiten eine induktive Verbindung vorgesehen. Diese wird gebildet von zwei Arbeitsinduktivitäten. Eine erste Arbeitsinduktivität verbindet den ersten Verbindungspunkt der ersten Reihenschaltung mit dem ersten Verbindungspunkt der zweiten Reihenschaltung. Der zweite Verbindungspunkt der ersten Reihenschaltung ist über eine zweite Arbeitsinduktivität mit dem zweiten Verbindungspunkt der zweiten Reihenschaltung verbunden. Das erste Potential der ersten Seite hat das gleiche Vorzeichen wie das erste Potential der zweiten Seite, und das zweite Potential der ersten Seite hat das gleiche Vorzeichen wie das zweite Potential der zweiten Seite. Dadurch ergibt sich, dass der erste Verbindungspunkt beider Reihenschaltungen über die erste Transistoreinrichtung mit dem ersten Potential der jeweiligen Seite verbunden ist. Der zweite Verbindungspunkt der Reihenschaltung ist über die zugehörige dritte Transistoreinrichtung mit dem zweiten Potential der jeweiligen Seite verbunden. Somit ist der erste Verbindungspunkt dem ersten Potential zuzuordnen und der zweite Verbindungspunkt dem zweiten Potential zuzuordnen. Die erste Arbeitsinduktivität ist somit auch dem ersten Potential zuzuordnen und die zweite Arbeitsinduktivität dem zweiten Potential zuzuordnen. Dadurch ergibt sich eine Symmetrie zwischen den Arbeitsinduktivitäten bezogen auf die zweite Transistoreinrichtung oder, falls vorhanden, auf deren Zwischen-Verbindungspunkt.As mentioned, an inductive connection is provided between the series circuits or between the different sides. This is formed by two working inductances. A first working inductance connects the first connection point of the first series circuit to the first connection point of the second series circuit. The second connection point of the first series circuit is connected to the second connection point of the second series circuit via a second working inductance. The first potential of the first side has the same sign as the first potential of the second side and the second potential of the first side has the same sign as the second potential of the second side. This results in the first connection point of the two series circuits being connected to the first potential of the respective side via the first transistor device. The second connection point of the series connection is connected to the second potential of the respective side via the associated third transistor device. Thus, the first connection point is to be assigned to the first potential and the second connection point is to be assigned to the second potential. The first working inductance can thus also be assigned to the first potential and the second working inductance has to be assigned to the second potential. This results in a symmetry between the working inductances based on the second transistor means or, if present, on their intermediate connection point.
Die durch die Arbeitsinduktivitäten gebildete induktive Verbindung zwischen den Reihenschaltungen der verschiedenen Seiten ermöglicht es, dass durch Taktung die erste Seite zur zweiten Seite verschoben werden kann (bezogen auf deren Potentiale), so dass etwa bei einer durch einen Fehler hervorgerufene Asymmetrie durch die Taktung eine Potentialverschiebung der zweiten Seite zur ersten Seite (oder umgekehrt) erzeugt werden kann, um so etwa eine Asymmetrie auszugleichen oder einen gefährlichen Stromfluss zu verhindern, insbesondere zu einem Bezugspotential. Insbesondere besteht zwischen der ersten Reihenschaltung und der zweiten Reihenschaltung, d. h. zwischen der ersten und der zweiten Seite nur die genannte induktive Verbindung. Zwischen der ersten und der zweiten Seite besteht somit keine direkte, ohmsche Verbindung.The inductive connection formed by the working inductances between the series circuits of the different sides enables the first side to be shifted to the second side by clocking (in relation to their potentials), so that, for example, in the event of an asymmetry caused by a fault, a potential shift is caused by the clocking can be generated from the second side to the first side (or vice versa), in order to compensate for an asymmetry or to prevent a dangerous flow of current, in particular to a reference potential. In particular, between the first series connection and the second series connection, i. H. between the first and the second side only said inductive connection. There is therefore no direct, ohmic connection between the first and the second side.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Transistoreinrichtungen jeweils einzelne Transistoren (gleichbedeutend mit einzelnen Transistorelemente). Als einzelne Transistoren werden einzelne Transistorbauelemente bezeichnet, oder die aus mehreren Transistorbauelementen zusammengesetzt sind (beispielsweise als Kaskodenschaltung oder als Darlingtontransistor ausgebildet), die jedoch derart miteinander verbunden sind, dass die mehreren Transistorbauelemente zusammen funktionell als ein einzelner Transistor verwendet werden. Hierbei können die erste Reihenschaltung und die zweite Reihenschaltung jeweils mit einer ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtung ausgebildet sein, die jeweils als einzelne Transistoren ausgebildet sind. Ferner können auch nur die ersten, zweiten und dritten Transistoreinrichtungen der ersten Reihenschaltung oder der zweiten Reihenschaltung, nicht jedoch beider Reihenschaltungen als einzelne Transistoren ausgebildet sein.According to one embodiment, the transistor devices are each individual transistors (equivalent to individual transistor elements). Individual transistors refer to individual transistor components, or which are composed of several transistor components (e.g. formed as a cascode circuit or as a Darlington transistor), but which are connected to one another in such a way that the plurality of transistor components are used together functionally as a single transistor. In this case, the first series circuit and the second series circuit can each be formed with a first, second and third transistor device, which are each formed as individual transistors. Furthermore, only the first, second and third transistor devices of the first series circuit or the second series circuit, but not both series circuits, can be embodied as individual transistors.
Unabhängig von der Ausbildung der Transistoreinrichtungen verfügt jede Reihenschaltung über zwei Verbindungspunkte (wie oben definiert) und es sind vorzugsweise (genau) zwei Arbeitsinduktivitäten vorgesehen, wobei die erste die ersten Verbindungspunkte der verschiedenen Reihenschaltung verbindet und die zweite Arbeitsinduktivität die zweiten Verbindungspunkte der verschiedenen Reihenschaltungen miteinander verbindet.Regardless of the configuration of the transistor devices, each series circuit has two connection points (as defined above) and there are preferably (precisely) two working inductances provided, the first connecting the first connection points of the different series circuits and the second working inductance connecting the second connection points of the different series circuits with one another .
Es kann vorgesehen sein, dass die Transistoreinrichtungen der ersten Reihenschaltung oder der zweiten Reihenschaltung (in diesem Fall nicht beide Reihenschaltungen) jeweils einzelne Transistoren bzw. einzelne Transistorelemente sind. Hierbei ist vorzugsweise die erste sowie die dritte Transistoreinrichtung der jeweils anderen Reihenschaltung jeweils als ein einzelner Transistor ausgebildet, wie bei der erstgenannten Reihenschaltung, jedoch ist die zweite Transistoreinrichtung der anderen Reihenschaltung, welche die erste mit der dritten Transistoreinrichtung verbindet, als Teil-Reihenschaltung zweier einzelner Transistoren (oder Transistoreinrichtungen) ausgeführt, die über einen Zwischenverbindungspunkt miteinander verbunden sind.It can be provided that the transistor devices of the first series circuit or the second series circuit (in this case not both series circuits) are in each case individual transistors or individual transistor elements. In this case, the first and the third transistor device of the respective other series connection is preferably in the form of a single transistor, as in the first-mentioned series connection, but the second transistor device of the other series connection, which connects the first to the third transistor device, is a partial series connection of two individual ones Transistors (or transistor devices) connected to each other via an interconnection point.
Im Weiteren ist ausgeführt, dass dieser Zwischen-Verbindungspunkt (der zweiten Transistoreinrichtung) im Rahmen des Gleichspannungswandlers mit anderen Komponenten des Gleichspanungswandlers verbunden ist. Es kann somit vorgesehen sein, dass bei der ersten Reihenschaltung die drei Transistoreinrichtungen als einzelne Transistoren ausgeführt sind bzw. als einzelne Transistorelemente, während die zweite Reihenschaltung vorsieht, dass die erste und dritte Transistoreinrichtung (d. h. die äußeren Transistoreinrichtungen) als einzelne Transistorelemente ausgebildet sind, während die zweite Transistoreinrichtung als Teil-Reihenschaltung ausgebildet ist. Dies kann auch umgekehrt sein: Es kann vorgesehen sein, dass die drei Transistoreinrichtungen der zweiten Reihenschaltung jeweils als einzelne Transistoren oder Transistorelemente ausgebildet sind, während dies bei der ersten Reihenschaltung nur für die erste und dritte Transistoreinrichtung gilt, während die zweite, dazwischenliegende Transistoreinrichtung als Teil-Reihenschaltung zweier einzelner Transistoren ausgeführt ist. Umfasst somit eine der Reihenschaltung als zweite Transistoreinrichtung eine Teil-Reihenschaltung zweier einzelner Transistoren oder Transistorelemente, ergeben sich insgesamt für diese Reihenschaltung eine Reihenschaltung mit der ersten Transistoreinrichtung, die über die zwei einzelnen Transistoren bzw. Transistorelemente der Teil-Reihenschaltung mit der dritten Transistoreinrichtung verbunden sind, während die zwei einzelnen Transistoren bzw. Transistorelemente zwischen der ersten und dritten Transistoreinrichtung als Reihenschaltung (mindestens) zweier Transistorelemente ausgebildet ist.It is also stated that this intermediate connection point (of the second transistor device) is connected to other components of the DC-DC converter as part of the DC-DC converter. Provision can thus be made for the three transistor devices in the first series connection to be in the form of individual transistors or as individual transistor elements, while the second series connection provides for the first and third transistor devices (i.e. the outer transistor devices) to be in the form of individual transistor elements, while the second transistor device is designed as a partial series connection. This can also be the other way around: It can be provided that the three transistor devices of the second series connection are each designed as individual transistors or transistor elements, while this only applies to the first and third transistor device in the first series connection, while the second, intermediate transistor device is part - Series connection of two individual transistors is performed. If one of the series circuits includes a partial series circuit of two individual transistors or transistor elements as the second transistor device, this series circuit results in a series circuit with the first transistor device, which is connected to the third transistor device via the two individual transistors or transistor elements of the partial series circuit , while the two individual transistors or transistor elements are formed between the first and third transistor devices as a series connection of (at least) two transistor elements.
Im weiteren ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der auf beiden Seiten die zweite Transistoreinrichtung jeweils als Teil-Reihenschaltung zweier einzelner Transistorelemente ausgeführt ist. Bei einem derartigen Gleichspannungswandler ist die erste Transistoreinrichtung jede der beiden Reihenschaltungen jeweils als einzelne Transistoren bzw. Transistorelemente ausgebildet. Dies gilt auch für die dritte Transistoreinrichtung. Mit anderen Worten sind die Transistoreinrichtungen als Einzeltransistoren ausgebildet, die mit dem ersten oder dem zweiten Potential (direkt) verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform gilt für jede der beiden Reihenschaltungen, dass die zweite Transistoreinrichtung, welche die erste mit der dritten Transistoreinrichtung verbindet, als Teil-Reihenschaltung zweier einzelner Transistoren ausgeführt ist. Diese zwei einzelnen Transistoren der zweiten Transistoreinrichtung sind über einen Zwischen-Verbindungspunkt miteinander verbunden. Mit anderen Worten können die äußeren Transistoreinrichtungen (erste und dritte Transistoreinrichtung) als einzelne Transistoren ausgebildet sein, während die mittlere Transistoreinrichtung (d. h. die zweite Transistoreinrichtung) als Teil-Reihenschaltung zweier einzelner Transistoren ausgeführt ist. Die Transistoren, die die zweite Transistoreinrichtung bilden, werden vorzugsweise synchron geschaltet (insbesondere im isolationsfehlerfreien Betrieb).An embodiment is also shown in which the second transistor device on both sides is in the form of a partial series connection of two individual transistor elements. In such a DC voltage converter, the first transistor device of each of the two series circuits is in the form of individual transistors or transistor elements. This also applies to the third transistor device. In other words, the transistor devices are in the form of individual transistors which are (directly) connected to the first or the second potential. In this embodiment, for each of the two series circuits, the second transistor device, which connects the first to the third transistor device, is a partial series circuit of two individual transistors. These two individual transistors of the second transistor device are connected to one another via an intermediate connection point. In other words, the outer transistor devices (first and third transistor device) can be embodied as individual transistors, while the middle transistor device (ie the second transistor device) is embodied as a partial series connection of two individual transistors. The transistors that form the second transistor device are preferably switched synchronously (in particular in operation without an insulation fault).
Weist eine Seite einen Zwischen-Verbindungspunkt auf (nämlich der zweiten Transistoreinrichtung), dann kann vorgesehen sein, dass dieser Verbindungspunkt mit einem Kondensator-Verbindungspunkt einer zweiteiligen Zwischenkreiskondensatoreinrichtung verbunden ist. Eine derartige Zwischenkreiskondensatoreinrichtung ist an die Potentiale derjenigen Seite angeschlossen, der auch der Zwischen-Verbindungspunkt angehört. Weist eine Seite einen Zwischen-Verbindungspunkt auf, dann bedeutet dies, dass deren zweite Transistoreinrichtung als Teil-Reihenschaltung ausgebildet ist, welche den Zwischen-Verbindungspunkt aufweist. Weist die erste Seite einen Zwischen-Verbindungspunkt auf, so ist dieser vorzugsweise mit einem Kondensator-Verbindungspunkt einer zweiteiligen Zwischenkreiskondensatoreinrichtung der ersten Seite verbunden. Weist die zweite Seite einen Zwischen-Verbindungspunkt auf, dann ist dieser mit einem Kondensator-Verbindungspunkt einer zweiteiligen Zwischenkreis-Kondensatoreinrichtung verbunden, die an die Potentiale der zweiten Seite angeschlossen ist. Somit ist der Zwischen-Verbindungspunkt einer Seite vorzugsweise mit dem Kondensator-Verbindungspunkt der gleichen Seite verbunden, d. h. mit dem Kondensator-Verbindungspunkt, der einer zweiteiligen Zwischenkreis-Kondensatoreinrichtung angehört, die mit den Potentialen dieser Seite verbunden ist. Es besteht insbesondere keine Verbindung zwischen einem Zwischen-Verbindungspunkt einer zweiten Transistoreinrichtung einer Seite mit der anderen Seite, insbesondere nicht mit einem Kondensator-Verbindungspunkt einer Zwischenkreis-Kondensatoreinrichtung der anderen Seite. Der oder die Zwischen-Verbindungspunkte sind mit dem Kondensator-Verbindungspunkt derselben Seite und somit mit der Zwischenkreis-Kondensatoreinrichtung derselben Seite verbunden. Wie erwähnt besteht zwischen den verschiedenen Seiten nur eine induktive Verbindung, die gebildet wird von den beiden Arbeitsinduktivitäten.If one side has an intermediate connection point (namely the second transistor device), provision can be made for this connection point to be connected to a capacitor connection point of a two-part intermediate circuit capacitor device. Such an intermediate circuit capacitor device is connected to the potentials of that side to which the intermediate connection point also belongs. If one side has an intermediate connection point, this means that its second transistor device is in the form of a partial series connection which has the intermediate connection point. If the first side has an intermediate connection point, this is preferably connected to a capacitor connection point of a two-part intermediate circuit capacitor device on the first side. If the second side has an intermediate connection point, then this is connected to a capacitor connection point of a two-part intermediate circuit capacitor device, which is connected to the potentials of the second side. Thus, the intermediate connection point of one side is preferably connected to the capacitor connection point of the same side, i. H. with the capacitor connection point, which belongs to a two-part intermediate circuit capacitor device, which is connected to the potentials of this side. In particular, there is no connection between an intermediate connection point of a second transistor device on one side and the other side, in particular not with a capacitor connection point of an intermediate circuit capacitor device on the other side. The intermediate connection point or points are connected to the capacitor connection point on the same side and thus to the intermediate circuit capacitor device on the same side. As mentioned, there is only one inductive connection between the different sides, which is formed by the two working inductances.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verbindungspunkte der zweiten Reihenschaltung mit denjenigen Enden der Arbeitsinduktivitäten verbunden sind, die den Verbindungspunkten der ersten Reihenschaltung abgewandt sind. Alternativ sind die Arbeitsinduktivitäten über eine Gleichtaktdrossel mit der zweiten Seite verbunden. Es kann jedoch auch eine Gleichtaktdrossel zwischen den Arbeitsinduktivitäten und der ersten Seite vorgesehen sein. Dies kann mit der vorangehend platzierten Gleichtaktdrossel kombiniert sein, oder kann eine Alternative hierzu darstellen. Die induktive Verbindung zwischen den beiden Seiten kann somit von den Arbeitsinduktivitäten vorgesehen sein, die mit einer Gleichtaktdrossel kombiniert sind. Hierbei sind die Arbeitsinduktivitäten über die Gleichtaktdrossel mit der zweiten Seite verbunden (oder auch mit der ersten Seite). Die induktive Verbindung kann somit neben den Arbeitsinduktivitäten eine Gleichtaktdrossel aufweisen, die den Arbeitsinduktivitäten vor- und/oder nachgeschaltet ist. Auch hierbei überbrückt kein Element, insbesondere kein konduktives oder ohmsches Element, die Arbeitsinduktivitäten.Provision can be made for the connection points of the second series circuit to be connected to those ends of the working inductances which are remote from the connection points of the first series circuit. Alternatively, the working inductances are connected to the second side via a common-mode choke. However, a common-mode choke can also be provided between the working inductances and the first side. This can be combined with the previously placed common mode choke, or can be an alternative to it. The inductive connection between the two sides can thus be provided by the working inductances combined with a common mode choke. In this case, the working inductances are connected to the second side (or also to the first side) via the common-mode choke. In addition to the working inductances, the inductive connection can therefore have a common-mode choke which is connected upstream and/or downstream of the working inductances. Here too, no element, in particular no conductive or ohmic element, bridges the working inductances.
Ferner kann die induktive Verbindung einen Glättungskondensator aufweisen. Dieser ist an die beiden Arbeitsinduktivitäten angeschlossen. Der Glättungskondensator verbindet somit die beiden Arbeitsinduktivitäten (bzw. Potentiale von Enden der Arbeitsinduktivitäten) miteinander. Der Glättungskondensator ist insbesondere an die Enden der Arbeitsinduktivitäten und der Gleichtaktdrossel angeschlossen, über die diese miteinander verbunden sind. Die beiden Enden des Glättungskondensators können zwischen den jeweiligen Verknüpfungspunkten zwischen Gleichtaktdrossel und jeweiliger Arbeitsinduktivität angeschlossen sein. Über die Gleichtaktdrossel verbindet der Glättungskondensator somit den ersten Verbindungspunkt mit dem zweiten Verbindungspunkt (beispielsweise der zweiten Reihenschaltung).Furthermore, the inductive connection can have a smoothing capacitor. This is connected to the two working inductances. The smoothing capacitor thus connects the two working inductances (or potentials from the ends of the working inductances) with one another. In particular, the smoothing capacitor is connected to the ends of the working inductances and the common-mode choke, via which these are connected to one another. The two ends of the smoothing capacitor can be connected between the respective connection points between the common-mode choke and the respective working inductance. The smoothing capacitor thus connects the first connection point to the second connection point (for example the second series circuit) via the common-mode choke.
Vorzugsweise umfasst der Gleichspannungswandler eine Steuerung, die ansteuernd mit den Transistoreinrichtungen des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Die Steuerung ist eingerichtet, in einem Wandlerzustand (bzw. in einem isolationsfehlerfreien Wandlerzustand) die ersten und dritten der Transistoreinrichtungen der Reihenschaltung gleichzeitig in einen An-Zustand anzusteuern (und auch in einem gleichzeitig einen Aus-Zustand anzusteuern). Somit steuert die Steuerung die ersten und dritten Transistoreinrichtungen synchron. Mit anderen Worten werden die äußeren Transistoren der Reihenschaltung gleichzeitig in gleicher Weise geschaltet. Die zweite Transistoreinrichtung wird im (isolationsfehlerfreien) Wandlerzustand der Steuerung in einer Weise angesteuert, die komplementär zur Ansteuerung der ersten und dritten Transistoreinrichtungen ist. Dies betrifft die erste Reihenschaltung, die zweite Reihenschaltung, oder beide. Die Ansteuerung der ersten Reihenschaltung und die Ansteuerung der zweiten Reihenschaltung können unterschiedliche Tastverhältnisse und/oder Taktfrequenzen aufweisen. Die Ansteuerung der ersten Reihenschaltung kann zeitlich abgestimmt sein auf die Ansteuerung der zweiten Reihenschaltung, oder umgekehrt.The DC-DC converter preferably includes a controller which is connected to the transistor devices of the DC-DC converter in a driving manner. The controller is set up to simultaneously drive the first and third of the transistor devices of the series connection into an on state (and also to simultaneously drive an off state in a converter state) in a converter state (or in a converter state free of insulation faults). Thus, the controller controls the first and third transistor devices synchronously. In other words, the outer transistors of the series connection are switched simultaneously in the same way. In the (insulation-fault-free) converter state of the controller, the second transistor device is driven in a manner that is complementary to the driving of the first and third transistor devices. This affects the first series connection, the second series connection, or both. The control of the first series circuit and the control of the second series circuit can have different duty cycles and/or clock frequencies. The activation of the first series connection can be coordinated in time with the activation of the second series connection, or vice versa.
Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, in dem (isolationsfehlerfreien) Wandlerzustand die zweiten Transistoreinrichtungen jeder Reihenschaltung einerseits und die zweiten und dritten Transistoreinrichtungen andererseits wechselweise in einen An-Zustand (und auch in einen Aus-Zustand) anzusteuern. Es können auch Zwischenphasen vorgesehen sein, in denen die drei Transistoreinrichtungen der Reihenschaltung offen sind, abweichend von der ansonsten wechselweisen Ansteuerung. Die Steuerung ist hierzu ausgestaltet.The controller is preferably set up to drive the second transistor devices of each series connection on the one hand and the second and third transistor devices on the other hand alternately into an on state (and also into an off state) in the (insulation fault-free) converter state. Intermediate phases can also be provided, in which the three transistor devices of the series connection are open, in contrast to the otherwise alternating activation. The controller is designed for this.
Die Steuerung steuert die Transistoreinrichtungen gemäß Tastverhältnisse an, wobei das Tastverhältnis der Ansteuerung der zweiten Transistoreinrichtungen sich unterscheiden kann von dem Tastverhältnis, mit dem die ersten und dritten Transistoreinrichtungen angesteuert werden.The controller controls the transistor devices according to duty ratios, it being possible for the duty ratio for driving the second transistor devices to differ from the duty ratio with which the first and third transistor devices are driven.
Allgemein werden die erste und dritte Transistoreinrichtung einerseits und die zweite Transistoreinrichtung andererseits im (isolationsfehlerfreien) Wandlerzustand der Steuerung von der Steuerung mit unterschiedlichen Taktsignalen angesteuert, die jedoch derart miteinander verknüpft sind, dass im Wandlerzustand der Steuerung nie alle drei Transistoreinrichtungen (einer oder beider Seiten) gleichzeitig im An-Zustand sind. Jedoch können sich die drei Transistoreinrichtungen einer Reihenschaltung gleichzeitig im Aus-Zustand befinden, auch im Wandlerzustand der Steuerung. Somit ergibt sich nicht notwendigerweise ein komplementäres Verhältnis der Ansteuerung der zweiten Transistoreinrichtung zu der Ansteuerung der ersten und dritten Transistoreinrichtungen.In general, the first and third transistor devices on the one hand and the second transistor device on the other hand are driven by the controller with different clock signals when the converter is in the (insulation-fault-free) converter state, but these are linked to one another in such a way that all three transistor devices (on one or both sides) are never switched off in the converter state of the controller. are in the on state at the same time. However, the three transistor devices of a series circuit can be in the off state at the same time, even in the converter state of the controller. This does not necessarily result in a complementary ratio of the driving of the second transistor device to the driving of the first and third transistor devices.
Um insbesondere asymmetrische Potentialverschiebungen gezielt zu erzeugen, die beispielsweise fehlerinduzierten Potentialverschiebungen entgegentreten (bzw. um eine Asymmetrie gegenüber dem Bezugspotential zumindest teilweise zu kompensieren), kann der dritte Transistor mit einem anderen Taktsignal angesteuert werden als der erste Transistor. Dadurch verschiebt sich abhängig vom Taktsignal der zweiten und dritten Transistoreinrichtung das Potential des zweiten Verbindungspunkts. Auf gleiche Weise kann gezielt eine Potentialasymmetrie (bezogen auf das Bezugspotential) für den ersten Verbindungspunkt erzeugt werden, indem die erste und die zweite Transistoreinrichtung entsprechend getaktet werden, jedoch die erste Transistoreinrichtung nicht wie die dritte Transistoreinrichtung getaktet wird. Ein Isolationsfehlerbetrieb kann vorsehen, dass wie erwähnt für die ersten und die dritte Transistoreinrichtung unterschiedliche Taktsignale verwendet werden. Als Isolationsfehlerbetrieb wird ein Betrieb bezeichnet, bei dem eine mangelhafte Isolation zwischen dem Bezugspotential und einem der beiden Potentiale (einer der Seiten) besteht.In order in particular to specifically generate asymmetrical potential shifts which, for example, counteract error-induced potential shifts (or to at least partially compensate for an asymmetry with respect to the reference potential), the third transistor can be driven with a different clock signal than the first transistor. As a result, the potential of the second connection point shifts as a function of the clock signal of the second and third transistor device. In the same way, a potential asymmetry (relative to the reference potential) for the first connection point can be generated in a targeted manner by clocking the first and second transistor devices accordingly, but not clocking the first transistor device like the third transistor device. An insulation fault operation can provide that, as mentioned, different clock signals are used for the first and the third transistor device. An operation in which there is insufficient insulation between the reference potential and one of the two potentials (one of the sides) is referred to as insulation fault operation.
Besteht der Isolationsfehler zwischen dem ersten Potential und dem Bezugspotential, dann kann die erste Transistoreinrichtung (d.h. diejenige, welche direkt mit dem isolationsfehlerbehafteten Potential verbunden ist) in einen dauerhaften An-Zustand versetzt werden (um eine Spannung zwischen dem Bezugspotential und dem ersten Potential zu vermeiden), und die erste und zweite Transistoreinrichtung werden getaktet geschaltet, vorzugsweise wechselweise an und aus. Besteht der Isolationsfehler zwischen dem zweiten Potential und dem Bezugspotential, dann kann die dritte Transistoreinrichtung (d.h. diejenige, welche direkt mit dem isolationsfehlerbehafteten Potential verbunden ist) in einen dauerhaften An-Zustand versetzt werden (um eine Spannung zwischen dem Bezugspotential und dem zweiten Potential zu vermeiden), und die zweite und dritte Transistoreinrichtung werden getaktet geschaltet, vorzugsweise wechselweise an und aus. Es kann vorgesehen sein, dass die betreffenden Transistoreinrichtungen teilweise wechselweise angesteuert werden und teilweise beide im Aus-Zustand sind. Die betreffenden Transistoreinrichtungen (d.h. diejenigen die nicht an ein isolationsfehlerbehaftetes Potential direkt angeschlossen sind) werden vorzugsweise getaktet geschaltet. Ferner kann die Transistoreinrichtung, die direkt mit dem isolationsfehlerbehafteten Potential verbunden ist, mit einem höheren Tastverhältnis angesteuert werden (Maximum: Tastverhältnis von 1), als die Transistoreinrichtung, die direkt mit dem anderen Potential (der gleichen Seite) verbunden ist bzw. mit einem höheren Tastverhältnis als die zweite Transistoreinrichtung. Besteht ein Isolationsfehler zwischen einem Potential (einer Seite) und dem Bezugspotential, etwa Erde bzw. Masse, dann kann die direkt mit diesem Potential verbundene Transistoreinrichtung mit einem Tastverhältnis angesteuert werden, das geeignet ist, dass der Betrag der Spannung zwischen dem isolationsfehlerbehafteten Potential und Masse unter einer vorgegebenen Grenze liegt, die beispielsweise eine noch zulässigen Berührspannung kennzeichnet. Die Grenze kann einer maximal zulässigen Berührspannung entsprechen, gegebenenfalls verringert um eine Sicherheitsmarge. Dadurch können trotz Isolationsfehler Berührspannungen unter einer (zulässigen) Grenze gehalten werden, während der Wandler (in Grenzen) noch weiterhin eine Spannung wandelt und somit eine Spannung zur Versorgung von Fahrzeugkomponenten bereitstellt. Dies ermöglicht etwa eine Limp-Home-Funktionalität.If the insulation fault exists between the first potential and the reference potential, then the first transistor device (i.e. that which is directly connected to the insulation-faulty potential) can be placed in a permanently on state (to avoid a voltage between the reference potential and the first potential ), and the first and second transistor devices are switched in a clocked manner, preferably alternately on and off. If the insulation fault exists between the second potential and the reference potential, then the third transistor device (i.e. the one which is directly connected to the potential which is affected by the insulation fault) can be put into a permanent on state (in order to avoid a voltage between the reference potential and the second potential ), and the second and third transistor devices are switched in a clocked manner, preferably alternately on and off. Provision can be made for the relevant transistor devices to be partially driven alternately and for both to be in the off state. The transistor devices concerned (i.e. those not directly connected to an insulation-defective potential) are preferably switched in a clocked manner. Furthermore, the transistor device directly connected to the insulation-defective potential can be driven with a higher duty cycle (maximum: duty cycle of 1) than the transistor device directly connected to the other potential (same side) or with a higher one duty cycle as the second transistor device. If there is an insulation fault between a potential (one side) and the reference potential, such as earth or ground, then the transistor device directly connected to this potential can be driven with a duty cycle that is suitable for the magnitude of the voltage between the potential with the insulation fault and ground is below a predetermined limit, which characterizes, for example, a contact voltage that is still permissible. The limit can correspond to a maximum permissible touch voltage, possibly reduced by a safety margin. In this way, despite an insulation fault, touch voltages can be kept below a (permissible) limit, while the converter (within limits) continues to convert a voltage and thus provides a voltage for supplying vehicle components. This enables a limp home functionality, for example.
Bei synchroner Ansteuerung der ersten und dritten Transistoreinrichtungen ergeben sich jedoch Potentiale für den ersten und zweiten Verbindungspunkt, die zueinander symmetrisch sind, bezogen auf ein Bezugspotential wie beispielsweise Masse.When the first and third transistor devices are driven synchronously, however, potentials result for the first and second connection points which are symmetrical to one another, based on a reference potential such as ground, for example.
Im (isolationsfehlerfreien) Wandlerzustand werden die zweite Transistoreinrichtung einerseits und die erste und dritte Transistoreinrichtung andererseits zueinander wechselweise angesteuert, wobei weder alle drei Transistoreinrichtungen gleichzeitig im An-Zustand sind, noch die ersten und dritten Transistoreinrichtungen unterschiedlich angesteuert werden.In the (insulation fault-free) converter state, the second transistor device on the one hand and the first and third transistor devices on the other hand are driven alternately, with neither all three transistor devices being in the on state at the same time, nor the first and third transistor devices being driven differently.
Zur gezielten Potentialverschiebung, etwa zur Kompensation eines Isolationsfehlers (gegenüber einem Bezugspotential) oder zur Verringerung von Berührungsspannungen ist die Steuerung für einen Isolationsfehlerzustand ausgebildet. Wenn ein Isolationsfehler auftritt, d. h. ein Isolationsfehlerzustand für die Steuerung vorgesehen ist, dann kann die erste (oder dritte) Transistoreinrichtung dauerhaft angeschaltet sein, während die anderen beiden Transistoren wechselweise im An-Zustand sind.The control for an insulation error state is designed for targeted potential shifting, for example to compensate for an insulation error (compared to a reference potential) or to reduce touch voltages. If an insulation fault occurs, i. H. an isolation fault condition is provided for the controller, then the first (or third) transistor means may be permanently on while the other two transistors are alternately on.
Insbesondere bei einem Isolationsfehler zwischen dem ersten Potential der ersten oder zweiten Seite einerseits und einem Bezugspotential, etwa Erde, andererseits, kann die erste Transistoreinrichtung dauerhaft in einem An-Zustand angesteuert werden. Hierbei wird insbesondere diejenige Transistoreinrichtung dauerhaft im An-Zustand angesteuert, die mit dem Potential verbunden ist, das den Isolationsfehler aufweist. Ferner wird hierbei die dritte Transistoreinrichtung und die zweite Transistoreinrichtung wechselweise, d. h. nicht gleichzeitig, in einen An-Zustand angesteuert, vorzugsweise gemäß einer Pulsweitenmodulation (und einem betreffenden Tastverhältnis). Hierbei wird die Transistoreinrichtung, die direkt mit dem fehlerbehafteten Potential verbunden ist, angesteuert, dauerhaft in einen An-Zustand zu gehen. Alternativ oder vorzugsweise in Kombination hiermit kann die Steuerung eingerichtet sein, bei einem Isolationsfehler zwischen dem zweiten Potential der ersten Seite und einem Bezugspotential den dritten Transistor (der ersten Reihenschaltung) dauerhaft in einen An-Zustand anzusteuern, sowie den ersten und den zweiten Transistor dieser Reihenschaltung wechselweise gemäß einen An-Zustand anzusteuern. Auch hierbei wird die Transistoreinrichtung, die direkt mit dem isolationsfehlerbehafteten Potential verbunden ist, dauerhaft angeschaltet, und die sich daran anschließende, zweite Transistoreinrichtung sowie die Transistoreinrichtung, die direkt mit dem anderen Potential verbunden ist, getaktet angesteuert, nämlich wechselweise in einem An-Zustand (und einem Aus-Zustand). Eine wechselweise Ansteuerung kann hierbei bedeuten, dass die Ansteuersignale direkt komplementär zueinander sind, oder dass ein Transistor ausgeschaltet ist, wenn der andere sich in einem An-Zustand befindet, jedoch beide Transistoren gleichzeitig ausgeschaltet sein können.In particular in the event of an insulation fault between the first potential of the first or second side on the one hand and a reference potential, for example earth, on the other hand, the first transistor device can be driven permanently in an on state. In this case, in particular that transistor device which is connected to the potential which has the insulation defect is permanently driven in the on state. Furthermore, in this case the third transistor device and the second transistor device are switched alternately, i. H. non-simultaneously, driven to an on-state, preferably according to pulse width modulation (and related duty cycle). In this case, the transistor device, which is directly connected to the faulty potential, is driven to permanently go into an on state. Alternatively or preferably in combination with this, the controller can be set up to drive the third transistor (of the first series connection) permanently into an on state in the event of an insulation fault between the second potential on the first side and a reference potential, as well as the first and the second transistor of this series connection alternately drive according to an on-state. Here, too, the transistor device, which is directly connected to the potential with the insulation defect, is permanently switched on, and the subsequent, second transistor device and the transistor device, which is directly connected to the other potential, are controlled in a clocked manner, namely alternately in an on state ( and an off state). Alternate driving here can mean that the driving signals are directly complementary to each other, or that one transistor is turned off when the other is in an on state, but both transistors can be turned off at the same time.
Der hier erwähnte Gleichspannungswandler kann nicht nur zur Übertragung von Leistung allgemein verwendet werden, sondern erlaubt auch neben einer Spannungsanpassung eine Potentialverschiebung der Potentialen der zweiten Seite gegenüber denen der ersten Seite oder umgekehrt. Die Steuerung kann zudem eingerichtet sein, die Spannung und/oder ein Potential an der zweiten Seite gemäß einer ersten Vorgabe sowie die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt der ersten Reihenschaltung und/oder ein Potential des ersten oder zweiten Verbindungspunkt der ersten Reihenschaltung gemäß einer zweiten Vorgabe einzustellen. Mit anderen Worten kann die Steuerung eingerichtet sein, zum einen gemäß der ersten Vorgabe die Ausgangsspannung der zweiten Seite einzustellen, wenn die erste Seite als Eingangsseite verwendet wird (oder umgekehrt). Darüber hinaus ist die Steuerung ferner eingerichtet, die Spannung zwischen den Verbindungspunkten der ersten Reihenschaltung einzustellen. Darüberhinaus kann die Steuerung einen Potentialversatz der zweiten Seite gegenüber einem Bezugspotential einstellen. Es ist daher möglich, mittels der Steuerung als zwei verschiedene einstellbare Größen zum Einen die Ausgangsspannung einzustellen und zum anderen die Spannung der Eingangsseite einzustellen, d. h. die Spannung, die an die Arbeitsinduktivitäten abgegeben wird (entsprechend der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungspunkt). Diese Größen lassen sich getrennt voneinander einstellen, da, wenn eine bestimmte Spannung an der ersten Seite (zwischen den Verbindungspunkten dort) definiert ist, die Transistoreinrichtungen der zweiten Seite zur Einstellung der Spannung an der zweiten Seite (gemäß erster Vorgabe) einzustellen. Dies erlaubt einen Betrieb der beiden Reihenschaltungen bei einem optimierten Arbeitspunkt, selbst wenn die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung jeweils für sich bereits definiert sind. Als weitere einstellbare Größe lässt sich der Potentialversatz zwischen der als Ausgangsseite verwendeten Seite und einem Bezugspotential einstellen, etwa wenn ein Isolationsfehler gegenüber diesem vorliegt, wie im Weiteren dargestellt ist.The DC-DC converter mentioned here can not only be used generally for the transmission of power, but also allows, in addition to voltage adjustment, a potential shift of the potentials on the second side compared to those on the first side or vice versa. The controller can also be set up, the voltage and / or a potential on the second side according to a first specification and the voltage between the first and second connection point of the first series circuit and / or a potential of the first or second connection point of the first series circuit according to a second set default. In other words, the controller can be set up, on the one hand, to set the output voltage of the second side according to the first specification if the first side is used as the input side (or vice versa). In addition, the controller is also set up to adjust the voltage between the connection points of the first series connection. In addition, the controller can set a potential offset of the second side with respect to a reference potential. It is therefore possible to set the output voltage and the voltage on the input side by means of the controller as two different adjustable variables, i. H. the voltage delivered to the working inductors (corresponding to the voltage between the first and second connection points). These quantities can be adjusted separately from each other because when a certain voltage is defined on the first side (between the connection points there) the transistor devices of the second side adjust to adjust the voltage on the second side (according to the first specification). This allows the two series circuits to be operated at an optimized operating point, even if the input voltage and the output voltage are each already defined. The potential offset between the side used as the output side and a reference potential can be set as a further variable that can be set, for example if there is an insulation fault with respect to it, as is shown below.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, auch ein Potential des ersten oder zweiten Verbindungspunkts der ersten Reihenschaltung gemäß einer weiteren Vorgabe einzustellen. Als weitere Größe ist es daher möglich, das Potential und somit die Spannung des ersten oder zweiten Verbindungspunkts bezogen auf ein Bezugspotential gemäß einer Vorgabe einzustellen. Die zweite Vorgabe gibt daher vor, ob und wie stark eine Potentialverschiebung zwischen den ersten beiden Seiten bzw. zwischen der Ausgabeseite und dem Bezugspotential stattfinden soll. Dies kann insbesondere dazu dienen, bei einem Isolationsfehler oder einer anderweitig begründeten Asymmetrie der Potentiale gegenüber einer Bezugsspannung zumindest ein Potential einer Seite gegenüber der Bezugsspannung derart einzustellen, dass dort keine gefährliche Berührspannung entsteht bzw. die Spannung gegenüber dem Bezugspotential Null ist oder unter einer Gefahrengrenze wie beispielsweise 60 V, 40 V, 20 V oder 10 V liegt. Mit anderen Worten ist die Steuerung somit auch eingerichtet, bei Verwendung einer der beiden Seiten als Eingangsstufe, die andere Seite derart zu takten, dass an dieser eine gewünschte (geringe) Potentialdifferenz zwischen einem der Potentiale gegenüber einem Bezugspotential auftritt. Auch dies kann unabhängig von einem erwünschten Übertragungsverhältnis eingestellt werden, insbesondere unabhängig von einer Spannung, die an der Eingangsstufe an die Arbeitsinduktivitäten abgegeben wird, oder auch unabhängig von der Ausgangsspannung der Seite, die als Ausgangsstufe verwendet wird.The controller can be set up to also set a potential of the first or second connection point of the first series connection according to a further specification. As a further variable, it is therefore possible to set the potential and thus the voltage of the first or second connection point in relation to a reference potential according to a specification. The second specification therefore specifies whether and how strong a potential shift between between the first two pages or between the output page and the reference potential. In particular, in the event of an insulation fault or an otherwise justified asymmetry of the potentials with respect to a reference voltage, this can be used to set at least one potential on one side with respect to the reference voltage in such a way that no dangerous touch voltage occurs there or the voltage with respect to the reference potential is zero or below a danger limit such as for example 60V, 40V, 20V or 10V. In other words, the controller is also set up, when using one of the two sides as an input stage, to clock the other side in such a way that a desired (small) potential difference between one of the potentials and a reference potential occurs there. This can also be set independently of a desired transmission ratio, in particular independently of a voltage that is delivered to the working inductances at the input stage, or also independently of the output voltage of the side that is used as the output stage.
Die
In beiden Figuren ist ein galvanisch koppelnder Gleichspannungswandler mit einer ersten Seite A1 und einer zweiten Seite A2 vorgesehen. Jede Seite hat ein erstes Potential und ein zweites Potential. Das erste Potential ist positiv, das zweite Potential ist negativ. Hierbei ist das Potential U+ das erste Potential der ersten Seite und V+ das erste Potential der zweiten Seite. Das zweite Potential der ersten Seite ist das Potential U- und das zweite Potential der zweiten Seite das Potential V-. Der Gleichspannungswandler verfügt über eine erste und eine zweite Reihenschaltung R1, R2 von Transistoreinrichtungen. Die
In
Es besteht ein Bezugspotential M, welches sich im fehlerfreien Betriebsfall in der Mitte zwischen den Potentialen U+, U- befindet. Insbesondere ist das Bezugspotential M im fehlerfreien Betrieb elektrisch isoliert von dem ersten und dem zweiten Potential U+, U- (und auch von V+, V-). Zwischen den Potentialen U+, U- besteht die Spannung UHV1 und zwischen den Potentialen V+, V- besteht das Potential UHV2. Der Gleichspannungswandler ist eingerichtet, die Spannung UHV1 in die Spannung UHV2 zu wandeln. Zwischen dem positiven Potential U+ der ersten Seite A1 und dem Bezugspotential M besteht das Potential UHV1P und zwischen dem zweiten Potential U- der ersten Seite A1 und dem Bezugspotential M besteht die Spannung UHV1 M. Im fehlerfreien Betrieb sind beide Spannungen gleich groß; das erste und das zweite Potential sind symmetrisch zu dem Bezugspotential M.There is a reference potential M, which is located in the middle between the potentials U+, U- in error-free operation. In particular, the reference potential M is electrically isolated from the first and the second potential U+, U− (and also from V+, V−) during error-free operation. The voltage UHV1 exists between the potentials U+, U- and the potential UHV2 exists between the potentials V+, V-. The DC-DC converter is set up to convert the voltage UHV1 into the voltage UHV2. The potential UHV1P exists between the positive potential U+ on the first side A1 and the reference potential M, and the voltage UHV1M exists between the second potential U− on the first side A1 and the reference potential M. In error-free operation, the two voltages are the same; the first and the second potential are symmetrical to the reference potential M.
Auf der zweiten Seite A2 besteht zwischen dem ersten Potential V+ und dem Bezugspotential M die Spannung UHV2P und zwischen dem zweiten Potential V-der zweiten Seite A2 und dem Bezugspotential M besteht die Spannung UHV2M. Auch diese sind im fehlerfreien Betriebsfall gleich groß. Besteht ein einseitiger Isolationsfehler, dann verschiebt sich der Bezug der Potentiale U+, U- gegenüber dem Potential M bzw. es verschiebt sich die Potentiallage der Potentiale V+, V-gegenüber dem Bezugspotential M.The voltage UHV2P exists between the first potential V+ and the reference potential M on the second side A2, and the voltage UHV2M exists between the second potential V− of the second side A2 and the reference potential M. These are also the same size in error-free operation. If there is a one-sided insulation fault, then the reference of the potentials U+, U- in relation to the potential M shifts or the potential level of the potentials V+, V- in relation to the reference potential M shifts.
Zwischen den beiden Seiten A1, A2 befindet sich in den Schaltungen der
Eine Steuerung C ist ansteuernd, wie mit den Doppelpfeilen dargestellt, mit den Transistoreinrichtungen S1 bis S6 bzw. S1 bis S8 verbunden. Diese ist eingerichtet, in einem Betriebszustand, etwa in dem Normalbetriebszustand (d.h. in einem isolationsfehlerfreien Betriebszustand), die dritten und ersten Transistoreinrichtungen der Reihenschaltungen synchron an- und auszuschalten. Ferner ist die eingerichtet, die zweiten Transistoreinrichtungen und die ersten und dritten Transistoreinrichtungen derselben Reihenschaltung nicht gleichzeitig anzuschalten. Wenn die ersten und dritten Transistoren ausgeschaltet sind, schaltet die Steuerung C die zweiten Transistoreinrichtungen S an. Die Steuerung C ist eingerichtet, beispielsweise eine Sollspannung über den Glättungskondensator C3 bzw. zwischen den Enden der Arbeitsinduktivitäten L1, L1', die der ersten Seite abgewandt sind, gemäß einer Sollspannung einzustellen. Hierzu werden die zweite Transistoreinrichtung einerseits und die erste und dritte Transistoreinrichtung andererseits abwechselnd an- und ausgeschaltet, um so über die Arbeitsinduktivitäten einen Wandlungseffekt zu erreichen. Die Steuerung C ist ferner eingerichtet, die zweite Transistoreinrichtung der zweiten Reihenschaltung R2 einerseits und die erste und dritte Transistoreinrichtung der zweiten Reihenschaltung R2 abwechselnd an- und auszuschalten, um so eine Spannung zwischen den Potentialen V+, V- gemäß einer Sollspannung zu erreichen. Die Steuerung C ist ferner eingerichtet, die zweite Transistoreinrichtung der zweiten Reihenschaltung R2 einerseits und die erste Transistoreinrichtung der zweiten Reihenschaltung R2 abwechselnd an- und auszuschalten, um so eine Spannung zwischen den Potentialen V+, V- gemäß einer Sollspannung zu erzeugen. Auch hierbei ergibt sich ein Wandlereffekt ausgehend von der Spannung, die zwischen den Enden der beiden Arbeitsinduktivitäten L1, L1' liegt, die der ersten Reihenschaltung R1 abgewandt sind.A controller C is drivingly connected to the transistor devices S1 to S6 or S1 to S8, as shown by the double arrows. This is set up to switch the third and first transistor devices of the series circuits on and off synchronously in an operating state, for example in the normal operating state (i.e. in an operating state free of insulation faults). Furthermore, it is set up not to turn on the second transistor devices and the first and third transistor devices of the same series connection at the same time. When the first and third transistors are off, the controller C turns the second transistor devices S on. The controller C is set up, for example, to set a target voltage across the smoothing capacitor C3 or between the ends of the working inductances L1, L1' that face away from the first side, according to a target voltage. For this purpose, the second transistor device on the one hand and the first and third transistor devices on the other hand are switched on and off alternately in order to achieve a conversion effect via the working inductances. The controller C is also set up to alternately switch on and off the second transistor device of the second series connection R2 on the one hand and the first and third transistor device of the second series connection R2 in order to achieve a voltage between the potentials V+, V- according to a target voltage. The controller C is also set up to alternately switch on and off the second transistor device of the second series circuit R2 on the one hand and the first transistor device of the second series circuit R2 in order to generate a voltage between the potentials V+, V- according to a target voltage. In this case, too, there is a converter effect based on the voltage that lies between the ends of the two working inductances L1, L1', which face away from the first series circuit R1.
Zudem können mittels der Steuerung C die ersten und die dritten Transistoreinrichtungen verschieden angesteuert werden, so dass sich eine Potentialverschiebung ergibt. Dies betrifft die Potentiale an den Punkten VP1, VP2, VP1', VP2' sowie V+, V- und/oder U+, U-. Dies wird insbesondere mit einem Fehlerfall ausgeführt, in dem ein (einseitiger) Isolationsfehler zwischen einem der Potentiale U+, U-, V+, V- und dem Bezugspotential M auftritt. Dadurch kann die Spannung des isolationsfehlerbehafteten Potentials und dem Bezugspotential M summiert oder auf Null gesetzt werden, um so gefährliche Berührspannungen an Teilen zu vermeiden, die mit dem Bezugspotential M in Verbindung stehen. Dies betrifft die Minimierung eine der Spannungen UHV1 P, UHV1 M, UHV2P oder UHV2M. Die erste Seite A1 kann als Eingangsseite dienen, während die zweite Seite als Ausgang des Gleichspannungswandlers dient, so dass die Spannung UHV2 von der Steuerung C eingestellt wird. Jedoch kann auch bei einem Rückspeisevorgang die Spannung UHV2 gemäß einer Spannungsvorgabe in eine gewünschte Spannung UHV1 umgewandelt werden.In addition, the first and the third transistor devices can be driven differently by means of the controller C, resulting in a potential shift. This affects the potentials at the points VP1, VP2, VP1', VP2' as well as V+, V- and/or U+, U-. This is carried out in particular with a fault in which a (one-sided) insulation fault between one of the potentials U+, U-, V+, V- and the reference potential M occurs. As a result, the voltage of the potential with the insulation fault and the reference potential M can be summed or set to zero in order to avoid dangerous contact voltages on parts that are connected to the reference potential M. This concerns the minimization of one of the voltages UHV1 P, UHV1 M, UHV2P or UHV2M. The first side A1 can serve as the input side, while the second side serves as the output of the DC/DC converter, so that the voltage UHV2 is set by the controller C. However, the voltage UHV2 can also be converted into a desired voltage UHV1 in accordance with a voltage specification during a feedback process.
In der
In der
Im Gegensatz hierzu ist in der
Auf jeder Seite sind ferner die Zwischenkreiskondensatoreinrichtungen zweiteilig vorgesehen in Form von zwei Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind. Die Enden dieser Kondensatorreihenschaltung ist mit den jeweiligen ersten Potential (U+, V+) und zweiten Potential (U-, V-) der jeweiligen Seite A1, A2 verbunden. Der Zwischen-Verbindungspunkt ZP der (zweiten Transistoreinrichtung S2, S3) der ersten Seite A1 ist mit dem Kondensatorverbindungspunkt KP der ersten Seite A1 direkt verbunden. Auf der zweiten Seite A2 ist der Zwischenverbindungspunkt ZP' (der zweiten Transistoreinrichtung S6, S7) direkt mit dem Kondensator-Verbindungspunkt KP' verbunden, über den die Kondensatorelemente der Zwischenkreiskondensatoreinrichtung seriell miteinander verbunden sind. An den Zwischen-Verbindungspunkt kann ein Neutralleiteranschluss angeschlossen werden, etwa ein Neutralleiteranschluss eines Ladeeingangs, wobei vorzugsweise nur die als Eingangsseite verwendete Seite des Wandlers diese Verbindung aufweist.Furthermore, the intermediate circuit capacitor devices are provided in two parts on each side in the form of two capacitors which are connected in series. The ends of this capacitor series circuit are connected to the respective first potential (U+, V+) and second potential (U-, V-) of the respective side A1, A2. The intermediate connection point ZP of the (second transistor device S2, S3) on the first side A1 is directly connected to the capacitor connection point KP on the first side A1. On the second side A2, the intermediate connection point ZP' (of the second transistor device S6, S7) is connected directly to the capacitor connection point KP', via which the capacitor elements of the intermediate circuit capacitor device are connected to one another in series. A neutral conductor connection can be connected to the intermediate connection point, for example a neutral conductor connection of a charging input, with preferably only the side of the converter used as the input side having this connection.
Die Punkte KP, KP' sowie ZP, ZP' bilden jeweils ein Potentialmittelpunkt. Die Potentiale U+, U- sind (im isolationsfehlerfreien Fall) gegenüber den Punkten KP bzw. ZP symmetrisch vorgesehen. Dies gilt auch für die zweite Seite, in der die Potentiale V+, V- symmetrisch zu den Punkten KP', ZP' vorgesehen sind.The points KP, KP' and ZP, ZP' each form a potential center. The potentials U+, U- are (in the case of no insulation faults) provided symmetrically with respect to the points KP and ZP. This also applies to the second side, in which the potentials V+, V- are provided symmetrically to the points KP', ZP'.
Die Anzahl der Transistorelemente bzw. Transistoren in der Reihenschaltung R1, kann von der Anzahl der Transistoren bzw. Transistorelemente der Reihenschaltung R2 abweichen. So ist eine Schaltung basierend auf der
Die Zweiteiligkeit der in
In den
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