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AT513221B1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Gleichspannungswandler Download PDF

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AT513221B1
AT513221B1 ATA50291/2012A AT502912012A AT513221B1 AT 513221 B1 AT513221 B1 AT 513221B1 AT 502912012 A AT502912012 A AT 502912012A AT 513221 B1 AT513221 B1 AT 513221B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, in welchem mittels zweier Halbleiterschalter (3, 4), etwa Transistoren, zyklisch ein aktiver Energiespeicher, wie eine Induktivität (5), aufladbar und entladbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Überspannungen zu jedem der beiden Halbleiterschalter (3, 4) ein paralleler Zweig mit zumindest zwei in Serie geschalteten Bauteilen vorgesehen ist, nämlich mit einem Kondensator (6, 9) und einer Diode (7, 10), sowie ein beiden Halbleiterschaltern gemeinsamer Widerstand (12), der mittels eines Schalters (13) wahlweise parallel zum - vom Energiespeicher (5) aus gesehen - ersten Bauteil des einen oder des anderen parallelen Zweiges schaltbar ist.

Description

Beschreibung
GLEICHSPANNUNGSWANDLER TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, in welchem mittels eines oder mehrerer Halbleiterschalter, etwa IGBT oder MosFET, zyklisch zumindest ein aktiver Energiespeicher, wie eine Induktivität, aufladbar und entladbar ist, wobei zur Vermeidung von Überspannungen zu jedem der beiden Halbleiterschalter ein paralleler Zweig mit zumindest zwei in Serie geschalteten Bauteilen vorgesehen ist, nämlich mit einem Kondensator und einer Diode.
[0002] Ein Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt, bezeichnet eine elektrische Schaltung, welche eine am Eingang zugeführte Gleichspannung (Eingangsspannung) in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt (Ausgangsspannung). Die Umsetzung erfolgt mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher. Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität (induktiver Wandler) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Transformator. Im Gegensatz dazu werden Wandler mit kapazitiver Speicherung (kapazitiver Wandler) als Ladungspumpen bezeichnet.
[0003] Die gegenständliche Erfindung wird vorzugsweise auf Aufwärtswandler und/oder Abwärtswandler angewendet. Beide Ausführungsformen verwenden eine Induktivität, etwa eine Speicherdrossel, als Zwischenspeicher für die Energie. Bei einem Aufwärtswandler ist die Ausgangsspannung stets größer als oder gleich wie die Eingangsspannung, bei einem Abwärtswandler ist die Ausgangsspannung stets kleiner als oder gleich wie die Eingangsspannung.
[0004] Solche Aufwärts- und/oder Abwärtswandler werden etwa in Ladegeräten verwendet, zum Beispiel in Ladegeräten für Elektroautos.
STAND DER TECHNIK
[0005] Weil die Schaltgeschwindigkeiten der meist als Halbleiterschalter verwendeten Transistoren (z.B. IGBT, FET, SIC-FET) immer größer werden, verursachen die parasitären Induktivitäten in den Zuleitungen zum Gleichspannungswandler immer größere Überspannungen in Form von Spannungsspitzen am Transistor. Um diese Überspannungen zu reduzieren, ist es notwendig, die Schaltungen zu verändern und/oder Zusatzschaltungen einzubauen.
[0006] Eine mögliche Veränderung der bestehenden Schaltung besteht darin, den Gate-Widerstand am Transistor zu erhöhen. Dadurch wird jedoch der Vorteil des schnellen Transistors vernichtet und die Schaltverluste steigen.
[0007] Eine erste Zusatzschaltung besteht in der Beschaltung des Transistors mit einem RC-Glied, also einem Widerstand R und einem Kondensator C. Die Ausschaltverluste des Transistors werden damit teilweise auf das RC-Glied übertragen, die Einschaltverluste und Leitverluste steigen aber, weil das RC- Glied schnell entladen wird.
[0008] Eine zweite Zusatzschaltung besteht in der Beschaltung des Transistors mit einem RCD-Glied (auch als RCD-Snubberschaltung bezeichnet), welches zusätzlich zum RC-Glied eine Diode D umfasst. Diese Diode ermöglicht es, die Verluste im Widerstand des RCD-Glieds zu verringern. Durch Erhöhen des Widerstands des RCD-Glieds können die Verluste, die durch das Entladen des Kondensators des RCD-Glieds im Schalter entstehen, verringert werden.
[0009] Bekannte Ausführungen des RCD-Glieds haben zumindest den Nachteil, dass sie in einem Gerät, welches sowohl als Abwärtswandler (Tiefsetzer), etwa zum Laden einer Batterie, als auch als Aufwärtswandler (Hochsetzer) dient, etwa zum Stützen des Stromnetzes aus einer Batterie, zum Beispiel bei einem rückspeisefähigen Ladegerät, doppelt angeordnet werden müssen.
[0010] Dasselbe gilt für andere Zusatzschaltungen. So ist beispielsweise aus der US 2005226011 AI ein Gleichspannungswandler mit einer Startup-Schaltung bekannt. Diese Star-tup-Schaltung umfasst für jeden Transistor einen eigenen Widerstand, welcher während eines Startvorgangs zum jeweiligen Transistor parallel schaltbar ist.
[0011] Zum weichen Schalten (soft switching) eines Gleichspannungswandlers offenbart die US 6924630 Bl eine Zusatzschaltung, bei der zu jedem Transistor eine jeweilige Spule parallel schaltbar ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0012] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler zur Verfügung zu stellen, welcher die Bedämpfung der Überspannung eines Halbleiterschalters, insbesondere eines Transistors, mit einem RCD-Glied sowohl beim Betrieb als Abwärtswandler als auch beim Betrieb als Aufwärtswandler gewährleistet und welcher mit weniger Bauteilen als herkömmliche Gleichspannungswandler auskommt.
[0013] Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
[0014] Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass zur Vermeidung von Überspannungen zu jedem der beiden Halbleiterschalter ein paralleler Zweig mit zumindest zwei in Serie geschalteten Bauteilen vorgesehen ist, nämlich mit einem Kondensator und einer Diode, sowie ein beiden Halbleiterschaltern gemeinsamer Widerstand, der mittels eines Schalters wahlweise parallel zum - vom Energiespeicher aus gesehen - ersten Bauteil des einen oder des anderen parallelen Zweiges schaltbar ist.
[0015] Damit kann im Vergleich zu herkömmlichen Gleichspannungswandlern ein Widerstand, etwa ein Leistungswiderstand im Bereich von 10 W, eingespart werden und damit Bauvolumen, Bauteilkosten und Verlustleistung.
[0016] Je nachdem, ob vom Energiespeicher aus gesehen der erste Bauteil in beiden parallelen Zweigen der Kondensator oder die Diode ist, wird der gemeinsame Widerstand entweder einem der Kondensatoren oder einer der Dioden parallel geschaltet.
[0017] Die Diode des parallelen Zweigs ist - vom Energiespeicher aus gesehen - in Durchlassrichtung angeordnet, also entgegen der Durchlassrichtung der Freilaufdiode des Halbleiterschalters.
[0018] Eine einfache Ausführungsform der Erfindung bezieht sich darauf, dass der Widerstand mit einem Punkt verbunden ist, der zwischen dem Energiespeicher einerseits und dem Verzweigungspunkt der beiden Leitungen zu den Halbleiterschaltern andererseits liegt.
[0019] Bei einem kombinierten Auf- und Abwärtswandler (Hoch- und Tiefsetzer) gibt es zwei steuerbare Halbleiterschalter, einen zwischen Pluspol und Spule (Tiefsetzschalter) für die Funktion als Abwärtswandler (Tiefsetzer), einen zwischen dem Verbindungspunkt von Tiefsetzschalter und Spule und Minuspol (parallel zur Spule mit Kondensator) für die Funktion als Aufwärtswandler (Hochsetzer). Der Schalter zum Umschalten des Widerstands kann als Relais ausgeführt sein, was den Vorteil hat, dass die Ansteuerung eines Relais einfacher zu realisieren ist als eine Ansteuerung für einen Transistor.
[0020] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers mit zwei steuerbaren Halbleiterschaltern, nämlich einen Tiefsetzschalter und einen Hochsetzschalter, sieht vor, dass für den Betrieb als Tiefsetzer (Abwärtswandler) nur der Tiefsetzschalter eingeschaltet wird und der Widerstand jenem parallelen Zweig zugeschaltet wird, der parallel zum Tiefsetzschalter angeordnet ist.
[0021] Für den Betrieb als Hochsetzer (Aufwärtswandler) ist vorgesehen, dass nur der Hochsetzschalter eingeschaltet wird und der Widerstand jenem parallelen Zweig zugeschaltet wird, der parallel zum Hochsetzschalter angeordnet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0022] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figuren Bezug genommen, aus der weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigen: [0023] Figur 1 einen schematisch dargestellten Gleichspannungswandler nach dem Stand der Technik mit Widerständen parallel zu den Kondensatoren, [0024] Figur 2 einen schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Gleichspannungs wandler mit einem Widerstand, der parallel zu den Kondensatoren geschaltet werden kann, [0025] Figur 3 einen schematisch dargestellten Gleichspannungswandler nach dem Stand der Technik mit Widerständen parallel zu den Dioden, [0026] Figur 4 einen schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Gleichspannungs wandler mit einem Widerstand, der parallel zu den Dioden geschaltet werden kann.
AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0027] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Hoch- und Tiefsetzer (Auf- und Abwärtswandler) dargestellt. Ein herkömmlicher Hoch- und Tiefsetzer in seiner Grundschaltung umfasst lediglich den Eingangskondensator 1, den Ausgangskondensator 2, den als sogenannter Tiefsetzertransistor 3 ausgebildeten Tiefsetzschalter, den als sogenannter Hochsetzertransistor 4 ausgebildeten Hochsetzschalter, sowie die Spule (Induktivität) 5 als aktiven Energiespeicher.
[0028] Zum Tiefsetzertransistor 3 und zum Hochsetzertransistor 4 ist jeweils eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet. Im Tiefsetzbetrieb wechselt (kommutiert) der Strom vom Tiefsetzertransistor 3 auf die Freilaufdiode, die antiparallel zum Hochsetzertransistor 4 ist. Im Hochsetzbetrieb wechselt (kommutiert) der Strom vom Hochsetzertransistor 4 auf die Freilaufdiode, die antiparallel zum Tiefsetzertransistor 3 ist. Diese Freilaufdioden sind meistens im Gehäuse eines IGBT-s integriert, können aber auch antiparallel zum IGBT angeordnet sein und ein eigenes Gehäuse haben.
[0029] Das erfindungsgemäße CD-Glied, also der zum Transistor parallele Zweig, ist in unmittelbarer Nähe des zu schützenden Transistors angeordnet.
[0030] Der parallele Zweig, der den Tiefsetzertransistor 3 schützt, besteht aus den Bauteilen Kondensator 6 und Diode 7 und ist parallel zum Hochsetzertransistor 4 geschaltet, bzw. parallel zur Serienschaltung aus Spule 5 und Ausgangskondensator 2. Dabei sind Kondensator 6 und Diode 7 in Serie zueinander geschaltet, der Kondensator 6 ist in Stromflussrichtung des Hochsetztransistors 4 (hier vom oberen Pluspol zum unteren Minuspol) nach der Diode 7 angeordnet. Parallel zum Kondensator 6 ist der Widerstand 8 angeschlossen. In einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt ist, ist der Widerstand 8 parallel zur Diode 7 geschaltet.
[0031] Der parallele Zweig, der den Hochsetzertransistor 4 schützt, besteht aus den Bauteilen Kondensator 9 und Diode 10 und ist parallel zum Tiefsetzertransistor 3 geschaltet. Dabei sind Kondensator 9 und Diode 10 in Serie zueinander geschaltet, der Kondensator 9 ist in Stromflussrichtung des Tiefsetztransistors 3 (vom Emitter zum Kollektor) nach der Diode 10 angeordnet. Zwischen Kondensator 9 und Diode 10 ist der Widerstand 11 angeschlossen. In einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt ist, ist der Widerstand 11 parallel zur Diode 10 geschaltet.
[0032] Wenn der Gleichspannungswandler wie in Fig. 1 oder 3 dargestellt als Abwärtswandler (Tiefsetzer) arbeitet, etwa, wenn eine am Ausgang angeschlossene Batterie geladen werden soll, so arbeitet er von rechts nach links. Dabei wird nur der Tiefsetzertransistor 3 getaktet (eingeschaltet), der Hochsetzertransistor 4 bleibt ausgeschaltet. Soll der Gleichspannungs-
Wandler aus Fig. 1 oder 3 als Aufwärtswandler (Hochsetzer) arbeiten, so arbeitet er von links nach rechts. Dabei wird nur der Hochsetzertransistor 4 getaktet (eingeschaltet).
[0033] Bei der erfindungsgemäßen Ausführung nach Fig. 2 wird im Unterschied zu Fig. 1 nur ein einziger Widerstand 12 vorgesehen, dessen Zuleitung von einem Punkt abzweigt, der zwischen der Spule 5 einerseits und dem Verzweigungspunkt der beiden Leitungen zu den Halbleiterschaltern 3,4 andererseits liegt. Er ist mit einem Schalter 13 verbunden, der den Widerstand mit einer von zwei Leitungen 14,15 verbinden kann. Die erste Leitung 14 führt zum parallelen Zweig, der parallel zum Tiefsetzertransistor 3 angeordnet ist, nämlich zu einem Punkt, der nach dem Kondensator 9 liegt, also zwischen Diode 10 und Kondensator 9. Der Widerstand 12 kann somit parallel zum Kondensator 9 geschaltet werden.
[0034] Die zweite Leitung 15 führt zum parallelen Zweig, der parallel zum Hochsetzertransistor 4 angeordnet ist, nämlich zu einem Punkt, der nach dem Kondensator 6 liegt, also zwischen Diode 7 und Kondensator 6. Der Widerstand 12 kann somit parallel zum Kondensator 6 geschaltet werden.
[0035] Bei der erfindungsgemäßen Ausführung nach Fig. 4 sind im Vergleich zu Fig. 2 die Positionen von Diode 10 und Kondensator 9 vertauscht. Ebenso sind die Positionen von Diode 7 und Kondensator 6 vertauscht. Somit kann gemäß Fig. 4 der Widerstand 12 mit dem Schalter 13 entweder parallel zur Diode 10 oder parallel zur Diode 7 geschaltet werden. Gegenüber der Ausführung in Fig. 3 kann einer der beiden Widerstände 8, 11 eingespart werden.
[0036] Grundsätzlich können die Schalter 13 für die Widerstände 12 in allen erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten als elektromechanische Schalter (Relais) oder als elektronische Schalter ausgeführt werden. BEZUGSZEICHENLISTE: 1 Eingangskondensator 2 Ausgangskondensator 3 Tiefsetzertransistor 4 Hochsetzertransistor 4 5 Spule 6 Kondensator 7 Diode 8 Widerstand 9 Kondensator 10 Diode 11 Widerstand 12 Widerstand 13 Schalter 14 erste Leitung 15 zweite Leitung

Claims (5)

  1. Patentansprüche
    1. Gleichspannungswandler, in welchem mittels zweier Halbleiterschalter (3, 4) zyklisch zumindest ein aktiver Energiespeicher, wie eine Induktivität (5), aufladbar und entladbar ist, wobei zur Vermeidung von Überspannungen zu jedem der beiden Halbleiterschalter (3, 4) ein paralleler Zweig mit zumindest zwei in Serie geschalteten Bauteilen vorgesehen ist, nämlich mit einem Kondensator (6, 9) und einer Diode (7, 10), dadurch gekennzeichnet, dass zudem ein beiden Halbleiterschaltern gemeinsamer Widerstand (12) vorgesehen ist, der mittels eines Schalters (13) wahlweise parallel zum - vom Energiespeicher (5) aus gesehen - ersten Bauteil des einen oder des anderen parallelen Zweiges schaltbar ist.
  2. 2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (12) mit einem Punkt verbunden ist, der zwischen dem Energiespeicher (5) einerseits und dem Verzweigungspunkt der beiden Leitungen zu den Halbleiterschaltern (3, 4) andererseits liegt.
  3. 3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (13) zum Umschalten des Widerstands (12) als Relais ausgeführt ist.
  4. 4. Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit zwei steuerbaren Halbleiterschaltern, nämlich einen Tiefsetzschalter (3) und einen Hochsetzschalter (4), dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb als Tiefsetzer nur der Tiefsetzschalter (3) eingeschaltet wird und der Widerstand (12) jenem parallelen Zweig zugeschaltet wird, der parallel zum Tiefsetzschalter (4) angeordnet ist.
  5. 5. Verfahren zum Betrieb eines Gleichspannungswandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit zwei steuerbaren Halbleiterschaltern, nämlich einen Tiefsetzschalter (3) und einen Hochsetzschalter (4), dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb als Hochsetzer nur der Hochsetzschalter (4) eingeschaltet wird und der Widerstand (12) jenem parallelen Zweig zugeschaltet wird, der parallel zum Hochsetzschalter (3) angeordnet ist.
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