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DE102018220757A1 - Galvanically isolating DC / DC converter - Google Patents

Galvanically isolating DC / DC converter Download PDF

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Publication number
DE102018220757A1
DE102018220757A1 DE102018220757.7A DE102018220757A DE102018220757A1 DE 102018220757 A1 DE102018220757 A1 DE 102018220757A1 DE 102018220757 A DE102018220757 A DE 102018220757A DE 102018220757 A1 DE102018220757 A1 DE 102018220757A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
winding
current
bridge circuit
converter
designed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018220757.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Andreas Burgermeister
Dirk Schekulin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bucher Hydraulics AG
Original Assignee
Schmidhauser AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schmidhauser AG filed Critical Schmidhauser AG
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Priority to EP19812747.4A priority patent/EP3888235A1/en
Priority to PCT/EP2019/082619 priority patent/WO2020109325A1/en
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Abstract

Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100), aufweisend:
- eine erste H-Brückenschaltung (2) mit zwei Brückenzweigen (3, 4),
- eine zweite H-Brückenschaltung (5) mit zwei Brückenzweigen (6, 7),
- einen Transformator (8) mit einer ersten Wicklung (9), einer zweiten Wicklung (10) und einem ferromagnetischen Kern (11),
- einen ersten DC-Entkopplungskondensator (12),
- einen zweiten DC-Entkopplungskondensator (13), und
- eine Steuereinheit (14), die dazu ausgebildet ist, Schaltmittel (S1 bis S4) der ersten H-Brückenschaltung (2) und Schaltmittel (S'1 bis S'4) der zweiten H-Brückenschaltung (5) anzusteuern,
- wobei der erste DC-Entkopplungskondensator (12) und die erste Wicklung (9) in Reihe zwischen Mittenabgriffe (15, 16) der beiden Brückenzweige (3, 4) der ersten H-Brückenschaltung (2) eingeschleift sind, und
- wobei der zweite DC-Entkopplungskondensator (13) und die zweite Wicklung (10) in Reihe zwischen Mittenabgriffe (17, 18) der beiden Brückenzweige (6, 7) der zweiten H-Brückenschaltung (5) eingeschleift sind.

Figure DE102018220757A1_0000
Galvanically isolating DC / DC converter (100), comprising:
- a first H-bridge circuit (2) with two bridge branches (3, 4),
- a second H-bridge circuit (5) with two bridge branches (6, 7),
- a transformer (8) with a first winding (9), a second winding (10) and a ferromagnetic core (11),
- a first DC decoupling capacitor (12),
- A second DC decoupling capacitor (13), and
a control unit (14) which is designed to control switching means (S1 to S4) of the first H-bridge circuit (2) and switching means (S'1 to S'4) of the second H-bridge circuit (5),
- The first DC decoupling capacitor (12) and the first winding (9) are connected in series between center taps (15, 16) of the two bridge branches (3, 4) of the first H-bridge circuit (2), and
- The second DC decoupling capacitor (13) and the second winding (10) are looped in series between center taps (17, 18) of the two bridge branches (6, 7) of the second H-bridge circuit (5).
Figure DE102018220757A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen galvanisch trennenden DC/DC-Wandler.The invention relates to a galvanically isolating DC / DC converter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen galvanisch trennenden DC/DC-Wandler zur Verfügung zu stellen, der eine hohe Effizienz aufweist.The object of the invention is to provide a galvanically isolating DC / DC converter which has a high efficiency.

Der Erfindung löst diese Aufgabe durch einen galvanisch trennenden DC/DC-Wandler nach Anspruch 1.The invention solves this problem by a galvanically isolating DC / DC converter according to claim 1.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist eine erste H-Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen auf. Hinsichtlich des grundlegenden Aufbaus und der grundlegenden Funktionen von H-Brückenschaltungen sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.The galvanically isolating DC / DC converter has a first H-bridge circuit with two bridge branches. With regard to the basic structure and the basic functions of H-bridge circuits, reference is also made to the relevant specialist literature.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist weiter eine zweite H-Brückenschaltung mit zwei Brückenzweigen auf.The galvanically isolating DC / DC converter also has a second H-bridge circuit with two bridge branches.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist weiter einen, insbesondere galvanisch trennenden, Transformator mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einem ferromagnetischen Kern auf.The galvanically isolating DC / DC converter also has an, in particular galvanically isolating, transformer with a first winding, a second winding and a ferromagnetic core.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist weiter einen ersten Gleichstrom/Gleichspannungs(DC)-Entkopplungskondensator und einen zweiten DC-Entkopplungskondensator auf.The galvanically isolating DC / DC converter also has a first direct current / direct voltage (DC) decoupling capacitor and a second DC decoupling capacitor.

Der galvanisch trennende DC/DC-Wandler weist weiter eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, die bzw. der dazu ausgebildet ist, Schaltmittel der ersten H-Brückenschaltung und Schaltmittel der zweiten H-Brückenschaltung anzusteuern. Ein jeweiliger Brückenzweig kann beispielsweise zwei in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltmittel aufweisen, beispielsweise in Form insulated-gate bipolar Transistoren, kurz IGBT.The galvanically isolating DC / DC converter also has a control unit, for example in the form of a microprocessor, which is designed to control switching means of the first H-bridge circuit and switching means of the second H-bridge circuit. A respective bridge branch can have, for example, two semiconductor switching means connected in series, for example in the form of insulated-gate bipolar transistors, IGBT for short.

Der erste DC-Entkopplungskondensator und die erste Wicklung sind in Reihe zwischen einen Mittenabgriff des ersten Brückenzweigs der ersten H-Brückenschaltung und einen Mittenabgriff des zweiten Brückenzweigs der ersten H-Brückenschaltung eingeschleift. Entsprechend sind der zweite DC-Entkopplungskondensator und die zweite Wicklung in Reihe zwischen einen Mittenabgriff des ersten Brückenzweigs der zweiten H-Brückenschaltung und einen Mittenabgriff des zweiten Brückenzweigs der zweiten H-Brückenschaltung eingeschleift. Für den Fall, dass ein jeweiliger Brückenzweig zwei in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltmittel aufweist, ist der Mittenabgriff der elektrische Verbindungspunkt der beiden Halbleiter-Schaltmittel.The first DC decoupling capacitor and the first winding are connected in series between a center tap of the first bridge branch of the first H-bridge circuit and a center tap of the second bridge branch of the first H-bridge circuit. Correspondingly, the second DC decoupling capacitor and the second winding are connected in series between a center tap of the first bridge branch of the second H-bridge circuit and a center tap of the second bridge branch of the second H-bridge circuit. In the event that a respective bridge branch has two semiconductor switching means connected in series, the center tap is the electrical connection point of the two semiconductor switching means.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Steuereinheit einen oder mehrere Stromsensoren auf, der bzw. die dazu ausgebildet ist/sind, mittelbar und/oder unmittelbar einen Strom in die erste Wicklung und/oder einen Strom in die zweite Wicklung zu messen. Die Steuereinheit ist für diesen Fall dazu ausgebildet, eine magnetische Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns basierend auf einem Verlauf des oder der gemessenen Ströme zu ermitteln, wobei oberhalb der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns eine magnetische Sättigung des ferromagnetischen Kerns auftritt. Die Sättigungsschwelle repräsentiert beispielsweise einen materialspezifischen Höchstwert der Magnetisierung M, der auch durch Erhöhen der äußeren magnetischen Feldstärke H nicht überschritten werden kann. Eine Schaltfrequenz der Schaltmittel der ersten H-Brückenschaltung und die Schaltfrequenz der Schaltmittel der zweiten H-Brückenschaltung werden basierend auf der ermittelten Sättigungsschwelle eingestellt. Typisch ist die Schaltfrequenz für alle Schaltmittel identisch. Wenn beispielsweise basierend auf der Strommessung eine magnetische Sättigung des ferromagnetischen Kerns ermittelt wird, dann wird die Schaltfrequenz der Schaltmittel so lange erhöht, bis gerade keine magnetische Sättigung mehr vorliegt.According to one embodiment, the control unit has one or more current sensors which are / are designed to indirectly and / or directly measure a current in the first winding and / or a current in the second winding. In this case, the control unit is designed to determine a magnetic saturation threshold of the ferromagnetic core based on a profile of the measured current or currents, with magnetic saturation of the ferromagnetic core occurring above the saturation threshold of the ferromagnetic core. The saturation threshold represents, for example, a material-specific maximum value of the magnetization M, which cannot be exceeded even by increasing the external magnetic field strength H. A switching frequency of the switching means of the first H-bridge circuit and the switching frequency of the switching means of the second H-bridge circuit are set based on the determined saturation threshold. The switching frequency is typically identical for all switching means. If, for example, a magnetic saturation of the ferromagnetic core is determined based on the current measurement, the switching frequency of the switching means is increased until there is no magnetic saturation at all.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Schaltfrequenz der Schaltmittel der ersten H-Brückenschaltung und der Schaltmittel der zweiten H-Brückenschaltung derart einzustellen, dass der ferromagnetische Kern um ein vorgebbares Maß unterhalb seiner Sättigungsschwelle bleibt.According to one embodiment, the control unit is designed to set the switching frequency of the switching means of the first H-bridge circuit and the switching means of the second H-bridge circuit in such a way that the ferromagnetic core remains below its saturation threshold by a predeterminable amount.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Steuereinheit eine oder mehrere Spitzenstromerkennungseinheiten auf, die dazu ausgebildet ist/sind, zu erfassen, ob der in die erste Wicklung und/oder in die zweite Wicklung fließende Strom eine vorgebbare Stromschwelle überschreitet, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein Überschreiten der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns zu ermitteln, falls der in die erste Wicklung und/oder in die zweite Wicklung fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet. Sobald eine magnetische Sättigung eintritt, nimmt nämlich der Spitzenstrom stark zu, so dass der Spitzenstrom als Kriterium zur magnetischen Sättigungsdetektion verwendet werden kann. Der Wert des Spitzenstroms, ab dem die magnetische Sättigung detektiert wird, d.h. die Stromschwelle, kann basierend auf den verwendeten Komponenten, Kernmaterialien, einer Temperatur, etc. festgelegt, berechnet, und/oder empirisch ermittelt werden.According to one embodiment, the control unit has one or more peak current detection units which are / are designed to detect whether the current flowing into the first winding and / or the second winding exceeds a predefinable current threshold, the control unit being designed to Exceeding the saturation threshold of the ferromagnetic core to be determined if the current flowing into the first winding and / or into the second winding exceeds the predefinable current threshold. As soon as magnetic saturation occurs, the peak current increases sharply, so that the peak current can be used as a criterion for magnetic saturation detection. The value of the peak current from which the magnetic saturation is detected, i.e. the current threshold can be determined, calculated and / or determined empirically based on the components, core materials, a temperature, etc. used.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Spitzenstromerkennungseinheit einen oder mehrere Komparatoren mit einer vorgebbaren Komparator-Schwelle auf, der/die dazu ausgebildet ist/sind, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung und/oder in die zweite Wicklung fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet. Die Komparator-Schwelle, die mit der Stromschwelle korrespondiert, kann basierend auf den verwendeten Komponenten, Kernmaterialien, einer Temperatur, etc. festgelegt, berechnet, und/oder empirisch ermittelt werden.According to one embodiment, the peak current detection unit has one or more comparators with a predeterminable comparator threshold, which is / are designed to to determine whether the current flowing into the first winding and / or into the second winding exceeds the predefinable current threshold. The comparator threshold, which corresponds to the current threshold, can be determined, calculated and / or determined empirically based on the components, core materials, a temperature, etc. used.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Spitzenstromerkennungseinheit ein oder mehrere Hochpassfilter auf, das/die dazu ausgebildet ist/sind, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung und/oder in die zweite Wicklung fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet.According to one embodiment, the peak current detection unit has one or more high-pass filters which are / are designed to determine whether the current flowing into the first winding and / or into the second winding exceeds the predefinable current threshold.

Gemäß einer Ausführungsform weisen der erste DC-Entkopplungskondensator und der zweite DC-Entkopplungskondensator jeweils eine Kapazität in einem Bereich zwischen 50 µF und 200 µF auf.According to one embodiment, the first DC decoupling capacitor and the second DC decoupling capacitor each have a capacitance in a range between 50 μF and 200 μF.

Gemäß einer Ausführungsform ist der galvanisch trennende DC/DC-Wandler zum bidirektionalen Betrieb ausgebildet, d.h. es handelt sich um einen galvanisch trennenden, bidirektionalen DC/DC-Wandler.According to one embodiment, the galvanically isolating DC / DC converter is designed for bidirectional operation, i.e. it is a galvanically isolating, bidirectional DC / DC converter.

Erfindungsgemäß werden zur Vermeidung einer DC-Magnetisierung primärseitig und sekundärseitig in Serie zu den Wicklungen des Transformators Kondensatoren geschaltet. Dabei sind im Gegensatz zu einer LLC-Topologie, bei der ebenfalls Kondensatoren in Serie geschaltet sein können, die Kondensatoren nicht dazu vorgesehen bzw. dimensioniert, einen Resonanzkreis zu bilden, um die Schaltverluste zu reduzieren, sondern dienen ausschließlich dazu, die DC-Magnetisierung zu verhindern. Daher ist die Resonanzfrequenz nicht auf die Schaltfrequenz ausgelegt, sondern liegt deutlich unterhalb dieser (f_Res <<< f_sw). Typischerweise liegen dadurch die Kapazitätswerte bei einer Dual Active Bridge mit 22 kW Leistung im Bereich von 50...200 µF.According to the invention, capacitors are connected in series with the windings of the transformer in order to avoid DC magnetization on the primary and secondary sides. In contrast to an LLC topology, in which capacitors can also be connected in series, the capacitors are not intended or dimensioned to form a resonance circuit in order to reduce the switching losses, but only serve to add DC magnetization prevent. Therefore, the resonance frequency is not designed for the switching frequency, but is significantly below this (f_Res <<< f_sw). Typically, the capacitance values for a Dual Active Bridge with 22 kW output are in the range of 50 ... 200 µF.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie (hartes Schalten beim Ausschalten der Schaltmittel bzw. IGBTs) können hohe Schaltverluste entstehen, die linear mit der Frequenz ansteigen. Idealerweise sollte deshalb die Schaltfrequenz so niedrig wie möglich gewählt werden, beispielsweise 20 kHz betragen. Da jedoch in vielen Anwendungen ein hoher Spannungsbereich des DC-DC Wandlers erreicht werden soll, wird die Schaltfrequenz entsprechend höher gewählt, um das Überschreiten der Spannungszeitfläche in bestimmten Betriebspunkten (z.B. hohe Eingangsspannung) zu verhindern. Weiter weisen die üblichen Kernmaterialien, wie z.B. Ferrite, eine hohe Toleranz auf (Temperaturabhängigkeit, Bauteilstreuung...). Dadurch muss die Schaltfrequenz noch weiter erhöht werden, um in keinem Betriebszustand in die magnetische Sättigung zu gelangen.In the circuit topology according to the invention (hard switching when the switching means or IGBTs are switched off), high switching losses can arise which increase linearly with the frequency. Ideally, the switching frequency should therefore be chosen as low as possible, for example 20 kHz. However, since in many applications a high voltage range of the DC-DC converter is to be achieved, the switching frequency is chosen to be higher in order to prevent the voltage time area from being exceeded at certain operating points (e.g. high input voltage). The usual core materials, e.g. Ferrites, a high tolerance on (temperature dependency, component variation ...). As a result, the switching frequency must be increased even further in order not to reach magnetic saturation in any operating state.

Erfindungsgemäß kann daher die Schaltfrequenz der Schaltmittel anhand der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns des Transformators eingestellt werden. Dazu kann beispielsweise die Schaltfrequenz so lange reduziert werden, bis mittels der Spitzenstromerkennung eine magnetische Sättigung erkannt wird. Sobald eine magnetische Sättigung eintritt, nimmt nämlich der Spitzenstrom stark zu, so dass der Spitzenstrom als Kriterium zur magnetischen Sättigungsdetektion verwendet werden kann. Sobald die magnetische Sättigung erkannt worden ist, wird die Schaltfrequenz wieder leicht erhöht, beispielsweise um + 10 %. Diese Prozedur kann wiederholt durchgeführt werden, insbesondere sobald sich Umgebungsbedingungen ändern, wie beispielsweise Spannungen, Ströme, Temperatur, usw.According to the invention, the switching frequency of the switching means can therefore be set on the basis of the saturation threshold of the ferromagnetic core of the transformer. For this purpose, the switching frequency can be reduced, for example, until magnetic saturation is detected by means of the peak current detection. As soon as magnetic saturation occurs, the peak current increases sharply, so that the peak current can be used as a criterion for magnetic saturation detection. As soon as the magnetic saturation has been recognized, the switching frequency is increased again slightly, for example by + 10%. This procedure can be carried out repeatedly, especially as soon as environmental conditions change, such as voltages, currents, temperature, etc.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

  • 1 einen erfindungsgemäßen, galvanisch trennenden, bidirektionalen DC/DC-Wandler und
  • 2 Ströme und Spannungen des in 1 gezeigten DC/DC-Wandlers.
The invention is described in detail below with reference to the drawings. Here shows:
  • 1 a galvanically isolating, bidirectional DC / DC converter and
  • 2nd Currents and voltages of the in 1 shown DC / DC converter.

1 zeigt einen galvanisch trennenden, bidirektionalen DC/DC-Wandler 100, aufweisend eine erste H-Brückenschaltung 2 mit zwei Brückenzweigen 3, 4, eine zweite H-Brückenschaltung 5 mit zwei Brückenzweigen 6, 7, einen Transformator 8 mit einer ersten Wicklung 9, einer zweiten Wicklung 10 und einem ferromagnetischen Kern 11, einen ersten DC-Entkopplungskondensator 12, einen zweiten DC-Entkopplungskondensator 13, und eine Steuereinheit 14, die dazu ausgebildet ist, Halbleiter-Schaltmittel S1, S2, S3, S4 der ersten H-Brückenschaltung 2 und Halbleiter-Schaltmittel S'1, S'2, S'3, S'4 der zweiten H-Brückenschaltung 5 anzusteuern. 1 shows a galvanically isolating, bidirectional DC / DC converter 100 , having a first H-bridge circuit 2nd with two bridge branches 3rd , 4th , a second H-bridge circuit 5 with two bridge branches 6 , 7 , a transformer 8th with a first winding 9 , a second winding 10th and a ferromagnetic core 11 , a first DC decoupling capacitor 12 , a second DC decoupling capacitor 13 , and a control unit 14 , which is designed to semiconductor switching means S1 , S2 , S3 , S4 the first H-bridge circuit 2nd and semiconductor switching means S'1 , S'2 , S'3 , S'4 the second H-bridge circuit 5 head for.

Der erste Brückenzweig 3 der ersten H-Brückenschaltung 2 weist die beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltmittel S1 und S2 auf. Der zweite Brückenzweig 4 der ersten H-Brückenschaltung 2 weist die beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltmittel S3 und S4 auf.The first bridge branch 3rd the first H-bridge circuit 2nd has the two semiconductor switching means connected in series S1 and S2 on. The second bridge branch 4th the first H-bridge circuit 2nd has the two semiconductor switching means connected in series S3 and S4 on.

Der erste Brückenzweig 6 der zweiten H-Brückenschaltung 5 weist die beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltmittel S'1 und S'2 auf. Der zweite Brückenzweig 7 der zweiten H-Brückenschaltung 5 weist die beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltmittel S'3 und S'4 auf.The first bridge branch 6 the second H-bridge circuit 5 has the two semiconductor switching means connected in series S'1 and S'2 on. The second bridge branch 7 the second H-bridge circuit 5 has the two semiconductor switching means connected in series S'3 and S'4 on.

Die Halbleiter-Schaltmittel S1 bis S4 bzw. S'1 bis S'4 können beispielsweise IGBTs sein.The semiconductor switching means S1 to S4 respectively. S'1 to S'4 can be IGBTs, for example.

Insoweit entspricht die dargestellte Topologie der bereits bekannten Dual Active Bridge Topologie. Daher sei insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.In this respect, the topology shown corresponds to the already known dual active bridge topology. Therefore, reference should also be made to the relevant specialist literature.

Erfindungsgemäß sind der erste DC-Entkopplungskondensator 12 und die erste Wicklung 9 in Reihe zwischen Mittenabgriffe 15, 16 der beiden Brückenzweige 3, 4 der ersten H-Brückenschaltung 2 eingeschleift, und der zweite DC-Entkopplungskondensator 13 und die zweite Wicklung 10 sind entsprechend in Reihe zwischen Mittenabgriffe 17, 18 der beiden Brückenzweige 6, 7 der zweiten H-Brückenschaltung 5 eingeschleift.According to the invention, the first DC decoupling capacitor 12 and the first winding 9 in a row between center taps 15 , 16 of the two bridge branches 3rd , 4th the first H-bridge circuit 2nd looped in, and the second DC decoupling capacitor 13 and the second winding 10th are accordingly in line between center taps 17th , 18th of the two bridge branches 6 , 7 the second H-bridge circuit 5 looped in.

Die Steuereinheit 14 weist einen Stromsensor gebildet aus zwei Teilsensoren 19a, 19b auf, der dazu ausgebildet ist, einen Strom I1b in die erste Wicklung 9 und einen Strom I2b in die zweite Wicklung 10 zu messen. Zusätzlich können die Teilsensoren 19a, 19b auch Ströme I1a bzw. I2a messen.The control unit 14 has a current sensor formed from two partial sensors 19a , 19b on, which is designed to generate a current I1b in the first winding 9 and a current I2b in the second winding 10th to eat. In addition, the partial sensors 19a , 19b also currents I1a respectively. I2a measure up.

Die Steuereinheit 14 weist weiter eine Spitzenstromerkennungseinheit gebildet aus zwei Spitzenstromerkennungsteileinheiten 20a, 20b auf, die dazu ausgebildet ist, zu erfassen, ob der in die erste Wicklung 9 und der in die zweite Wicklung 10 fließende Strom eine vorgebbare Stromschwelle überschreitet.The control unit 14 also has a peak current detection unit formed from two peak current detection subunits 20a , 20b on, which is designed to detect whether the in the first winding 9 and the one in the second winding 10th flowing current exceeds a predefinable current threshold.

Die Steuereinheit 14 ist dazu ausgebildet, ein Überschreiten der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns 11 festzustellen, falls der in die erste Wicklung 9 und/oder der in die zweite Wicklung 10 fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet und eine Schaltfrequenz der Halbleiter-Schaltmittel S1 bis S4 und S'1 bis S'4 derart einzustellen, dass der ferromagnetische Kern 11 um ein vorgebbares Maß unterhalb seiner Sättigungsschwelle bleibt.The control unit 14 is designed to exceed the saturation threshold of the ferromagnetic core 11 determine if the in the first winding 9 and / or in the second winding 10th flowing current exceeds the predefinable current threshold and a switching frequency of the semiconductor switching means S1 to S4 and S'1 to S'4 so that the ferromagnetic core 11 remains below its saturation threshold by a predeterminable amount.

Die Spitzenstromerkennungsteileinheiten 20a, 20b können jeweils einen Komparator 21 mit einer vorgebbaren Komparator-Schwelle aufweisen, der dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung 9 und/oder der in die zweite Wicklung 10 fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet. Die Komparator-Schwelle, die mit der vorgebbaren Stromschwelle korrespondiert, kann beispielsweise für eine bestimmte Nenn-Leistung bei exemplarisch 100 A liegen.The peak current detection subunits 20a , 20b can each have a comparator 21st have with a predeterminable comparator threshold, which is designed to determine whether the in the first winding 9 and / or in the second winding 10th flowing current exceeds the predefinable current threshold. The comparator threshold, which corresponds to the predefinable current threshold, can be, for example, 100 A for a specific nominal power.

Alternativ oder zusätzlich können die Spitzenstromerkennungsteileinheiten 20a, 20b jeweils ein Hochpassfilter 22 aufweisen, das dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung 9 und/oder der in die zweite Wicklung 10 fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet.Alternatively or additionally, the peak current detection subunits 20a , 20b one high pass filter each 22 have, which is designed to determine whether the in the first winding 9 and / or in the second winding 10th flowing current exceeds the predefinable current threshold.

Die Steuereinheit 14 weist weiter eine Frequenz- und Phasenverschiebungssteuereinheit 23 auf, die dazu ausgebildet ist, basierend auf den gemessenen Signalen so genannte Gate-Treiber 24a und 24 b anzusteuern, die wiederum die Schaltmittel S1 bis S4 bzw. S'1 bis S'4 ansteuern.The control unit 14 further comprises a frequency and phase shift control unit 23 based on the measured signals so-called gate drivers 24a and 24 b to control, which in turn the switching means S1 to S4 respectively. S'1 to S'4 head for.

2 zeigt Ströme I1a und I1b und Spannungen UAB und UA'B' des in 1 gezeigten DC/DC-Wandlers 100, links oben für eine optimale Magnetisierung des Kerns 11, rechts oben für eine DC-Magnetisierung des Kerns 11 und links unten für eine magnetische Sättigung des Kerns 11. Wie aus 2 ersichtlich, steigt ein Peak-Strom für den Fall der magnetischen Sättigung stark an, so dass der entsprechende Peak-Wert zur Detektion der magnetischen Sättigung verwendet werden kann. 2nd shows currents I1a and I1b and tensions UAB and UA'B ' of in 1 shown DC / DC converter 100 , top left for optimal core magnetization 11 , top right for DC magnetization of the core 11 and bottom left for magnetic saturation of the core 11 . How out 2nd can be seen, a peak current rises sharply in the case of magnetic saturation, so that the corresponding peak value can be used to detect the magnetic saturation.

Dank der beiden Serienkondensatoren 12 und 13 ist der Stromverlauf und auch der Magnetisierungsfluss symmetrisch. Es würde somit ausreichen, beispielsweise nur den positiven Sättigungspuls zu erkennen. Wird aber der Strom im DC-Pfad gemessen, nämlich I1a, I2a, so reicht pro Seite eine Spitzenstromerkennungsteileinheit 20a und 20b aus, um beide Polaritäten zu erkennen (negative Kurve wird hochgeklappt).Thanks to the two series capacitors 12 and 13 the current curve and the magnetization flux are symmetrical. It would therefore suffice to recognize only the positive saturation pulse, for example. But if the current is measured in the DC path, namely I1a , I2a , one peak current detection subunit is sufficient per side 20a and 20b off to recognize both polarities (negative curve is flipped up).

Die Energieflussrichtung (links nach rechts oder rechts nach links) hat keinen Einfluss auf die Sensorik.The direction of energy flow (left to right or right to left) has no influence on the sensors.

Es können alle Ströme I1a/I1b und I2a/I2b gleichzeitig überwacht werden. Der Strompeak tritt dann am jeweils einspeisenden Ort auf.All streams can I1a / I1b and I2a / I2b be monitored at the same time. The current peak then occurs at the respective feeding location.

Erfindungsgemäß wird die Schaltfrequenz bei einer gemessenen Flusssättigung im Transformatorkern 11 erhöht. Dadurch kann der Transformator kleiner ausgelegt werden, es können Kosteneinsparungen beim Transformator und den Leistungshalbleitern S erzielt werden, eine Gerätefunktion wird auch bei extremer Alterung/Toleranz der Komponenten nicht beeinflusst und aufgrund verringerter Schaltverluste ist eine Effizienzsteigerung erzielbar. Weiter handelt es sich um eine störunempfindliche und einfach skalierbare Lösung.According to the invention, the switching frequency is measured with a flux saturation in the transformer core 11 elevated. As a result, the transformer can be designed smaller, cost savings can be achieved with the transformer and the power semiconductors S, a device function is not affected even in the event of extreme aging / tolerance of the components, and an increase in efficiency can be achieved due to reduced switching losses. It is also a fault-insensitive and easily scalable solution.

Die H-Brückenschaltung 2 und/oder die H-Brückenschaltung 5 kann/können auch als Spannungsregler fungieren, falls der DC/DC-Wandler 100 anders als oben beschrieben nicht als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet ist.The H-bridge circuit 2nd and / or the H-bridge circuit 5 can also function as a voltage regulator if the DC / DC converter 100 is not designed as a bidirectional DC / DC converter, as described above.

Claims (8)

Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100), aufweisend: - eine erste H-Brückenschaltung (2) mit zwei Brückenzweigen (3, 4), - eine zweite H-Brückenschaltung (5) mit zwei Brückenzweigen (6, 7), - einen Transformator (8) mit einer ersten Wicklung (9), einer zweiten Wicklung (10) und einem ferromagnetischen Kern (11), - einen ersten DC-Entkopplungskondensator (12), - einen zweiten DC-Entkopplungskondensator (13), und - eine Steuereinheit (14), die dazu ausgebildet ist, Schaltmittel (S1 bis S4) der ersten H-Brückenschaltung (2) und Schaltmittel (S'1 bis S'4) der zweiten H-Brückenschaltung (5) anzusteuern, - wobei der erste DC-Entkopplungskondensator (12) und die erste Wicklung (9) in Reihe zwischen Mittenabgriffe (15, 16) der beiden Brückenzweige (3, 4) der ersten H-Brückenschaltung (2) eingeschleift sind, und - wobei der zweite DC-Entkopplungskondensator (13) und die zweite Wicklung (10) in Reihe zwischen Mittenabgriffe (17, 18) der beiden Brückenzweige (6, 7) der zweiten H-Brückenschaltung (5) eingeschleift sind.Galvanically isolating DC / DC converter (100), comprising: - a first H-bridge circuit (2) with two bridge branches (3, 4), - a second H-bridge circuit (5) with two bridge branches (6, 7), - a transformer (8) with a first winding (9), a second winding (10) and a ferromagnetic core (11), - a first DC decoupling capacitor (12), - a second DC decoupling capacitor (13), and - one Control unit (14), which is designed to control switching means (S1 to S4) of the first H-bridge circuit (2) and switching means (S'1 to S'4) of the second H-bridge circuit (5), - the first DC - Decoupling capacitor (12) and the first winding (9) are connected in series between center taps (15, 16) of the two bridge branches (3, 4) of the first H-bridge circuit (2), and - wherein the second DC decoupling capacitor (13 ) and the second winding (10) are looped in series between center taps (17, 18) of the two bridge branches (6, 7) of the second H-bridge circuit (5). Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (14) aufweist: - einen Stromsensor (19a, 19b), der dazu ausgebildet ist, einen Strom in die erste Wicklung (9) und/oder einen Strom in die zweite Wicklung (10) zu messen, - wobei die Steuereinheit (14) dazu ausgebildet ist, - eine Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns (11) basierend auf einem Verlauf des oder der gemessenen Ströme zu ermitteln, wobei oberhalb der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns (11) eine Sättigung des ferromagnetischen Kerns (11) auftritt, und - eine Schaltfrequenz der Schaltmittel (S1 bis S4) der ersten H-Brückenschaltung (2) und der Schaltmittel (S'1 bis S'4) der zweiten H-Brückenschaltung (5) basierend auf der ermittelten Sättigungsschwelle einzustellen.Galvanically isolating DC / DC converter (100) Claim 1 , characterized in that - the control unit (14) has: - a current sensor (19a, 19b) which is designed to measure a current in the first winding (9) and / or a current in the second winding (10) , - wherein the control unit (14) is designed to - determine a saturation threshold of the ferromagnetic core (11) based on a profile of the measured current or currents, wherein above the saturation threshold of the ferromagnetic core (11) saturation of the ferromagnetic core (11 ) occurs, and - to set a switching frequency of the switching means (S1 to S4) of the first H-bridge circuit (2) and the switching means (S'1 to S'4) of the second H-bridge circuit (5) based on the determined saturation threshold. Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (14) dazu ausgebildet ist, eine Schaltfrequenz der Schaltmittel (S1 bis S4) der ersten H-Brückenschaltung (2) und der Schaltmittel (S'1 bis S'4) der zweiten H-Brückenschaltung (5) derart einzustellen, dass der ferromagnetische Kern (11) unterhalb seiner Sättigungsschwelle bleibt.Galvanically isolating DC / DC converter (100) Claim 2 , characterized in that - the control unit (14) is designed to set a switching frequency of the switching means (S1 to S4) of the first H-bridge circuit (2) and the switching means (S'1 to S'4) of the second H-bridge circuit ( 5) to be set such that the ferromagnetic core (11) remains below its saturation threshold. Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (14) eine Spitzenstromerkennungseinheit (20a, 20b) aufweist, die dazu ausgebildet ist, zu erfassen, ob der in die erste Wicklung (9) und/oder der in die zweite Wicklung (10) fließende Strom eine vorgebbare Stromschwelle überschreitet, - wobei die Steuereinheit (14) dazu ausgebildet ist, ein Überschreiten der Sättigungsschwelle des ferromagnetischen Kerns (11) zu ermitteln, falls der in die erste Wicklung (9) und/oder der in die zweite Wicklung (10) fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle übersch reitet.Galvanically isolating DC / DC converter (100) Claim 2 or 3rd , characterized in that - the control unit (14) has a peak current detection unit (20a, 20b) which is designed to detect whether the current flowing into the first winding (9) and / or into the second winding (10) exceeds a predefinable current threshold, - the control unit (14) being designed to determine whether the saturation threshold of the ferromagnetic core (11) is exceeded if the one flowing into the first winding (9) and / or into the second winding (10) Current exceeds the predefinable current threshold. Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die Spitzenstromerkennungseinheit (20a, 20b) einen Komparator (21) mit einer vorgebbaren Komparator-Schwelle aufweist, der dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung (9) und/oder der in die zweite Wicklung (10) fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet.Galvanically isolating DC / DC converter (100) Claim 4 , characterized in that - the peak current detection unit (20a, 20b) has a comparator (21) with a predeterminable comparator threshold, which is designed to determine whether the in the first winding (9) and / or in the second Winding (10) flowing current exceeds the predefinable current threshold. Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die Spitzenstromerkennungseinheit (20a, 20b) ein Hochpassfilter (22) aufweist, das dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob der in die erste Wicklung (9) und/oder der in die zweite Wicklung (10) fließende Strom die vorgebbare Stromschwelle überschreitet.Galvanically isolating DC / DC converter (100) Claim 4 or 5 , characterized in that - the peak current detection unit (20a, 20b) has a high-pass filter (22) which is designed to determine whether the current flowing into the first winding (9) and / or the current into the second winding (10) exceeds the predefinable current threshold. Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste DC-Entkopplungskondensator (12) und der zweite DC-Entkopplungskondensator (13) jeweils eine Kapazität in einem Bereich zwischen 50 µF und 200 µF aufweisen.Galvanically isolating DC / DC converter (100) according to one of the preceding claims, characterized in that - the first DC decoupling capacitor (12) and the second DC decoupling capacitor (13) each have a capacitance in a range between 50 µF and 200 µF exhibit. Galvanisch trennender DC/DC-Wandler (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der galvanisch trennende DC/DC-Wandler (100) zum bidirektionalen Betrieb ausgebildet ist.Galvanically isolating DC / DC converter (100) according to one of the preceding claims, characterized in that - the galvanically isolating DC / DC converter (100) is designed for bidirectional operation.
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