DE10112141A1

DE10112141A1 - Vorrichtung zur Spannungswandlung

Info

Publication number: DE10112141A1
Application number: DE10112141A
Authority: DE
Inventors: Roman Gronbach; Joerg Jehlicka
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2002-09-19
Also published as: US20030151870A1; KR20030011329A; CN1459139A; EP1374378A1; WO2002073782A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Spannungswandlung einer Eingangsspannung in zumindest eine Ausgangsspannung vorgeschlagen, die zumindest ein Schaltmittel (12), ein Freilaufschaltmittel (14) sowie einen elektrischen Energiespeicher (16, 18) umfasst, wobei das Freilaufschaltmittel (14) in einem Normalbetrieb zur Spannungswandlung angesteuert ist. Es sind Überwachungsmittel vorgesehen zur Erkennung der Überschreitung einer Grenzspannung durch die Ausgangsspannung, die bei Überschreiten das Freilaufshaltmittel (14) im Sinne einer Begrenzung der Ausgangsspannung ansteuern.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Spannungs wandlung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der DE 198 39 445 A1 ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung bekannt. Sie umfasst einen ersten Stromkreis, der einen Schalttransistor, eine erste Induktivität und ein als Frei laufdiode wirkendes Bauteil aufweist, wobei parallel zu dem Bauteil ein erster Kondensator angeordnet ist. Ein zweiter Stromkreis bildet eine Schleife zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Schalttransistors und weist ei nen zweiten Kondensator, eine Diode, eine zweite Induktivi tät und einen dritten Kondensator auf. Diese Schaltung stellt eine multiresonante Wandlerschaltung mit mehreren Re sonanzfrequenzen dar, welche in einfacher Weise insbesondere mittels PWM ansteuerbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Spannungswandlung anzugeben, die sich durch geringen Zu satzaufwand für die Begrenzung einer Überspannung am Ausgang des Spannungswandlers eignet. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungswandlung, die eine Eingangsspannung in zumindest eine Ausgangsspannung wandelt, umfasst zumindest ein Schaltmittel, ein Freilauf schaltmittel sowie zumindest einen Energiespeicher. Das Freilaufschaltmittel ist in einem Normalbetrieb zur Span nungswandlung angesteuert. Erfindungsgemäß sind Mittel zur Erkennung einer Überschreitung einer Grenzspannung durch die Ausgangsspannung vorgesehen, die bei Überschreiten das Frei laufschaltmittel zur Begrenzung der Ausgangsspannung ansteu ern. Insbesondere bei einem Kurzschluß zwischen der Ein gangsspannung und der Ausgangsspannung muß die Möglichkeit vorgesehen sein, den Niederspannungsverbraucher im Kurz schlußfall zu schützen, beispielsweise durch eine Spannungs begrenzung im Kurzschlußfall. Durch den Rückgriff auf das im DC/DC-Wandler ohnehin schon vorhandene Frelaufschaltmittel zur Begrenzung der Ausgangsspannung läßt sich mit nur weni gen zusätzlichen Bauelementen diese Schutzfunktion realisie ren. Es sind lediglich Mittel vorzusehen, die bei der Über schreitung der Grenzspannung durch die Ausgangsspannung das Freilaufschaltmittel im Sinne einer Spannungsbegrenzung an steuern. Zweckmäßigerweise eignen sich hierzu beispielsweise Zenerdiode und/oder Bipolartransistoren, mit deren Hilfe das Freilaufschaltmittel bei einer bestimmten Grenzspannung zur Spannungsbegrenzung angesteuert wird. Diese Bauelemente sind kostengünstig verfügbar, so dass ohne große Kostenbelastung die gewünschte Schutzfunktion realisiert werden kann. Bei der Verwendung analoger Bauelemente zur Erkennung der Über schreitung des zulässigen Werts der Ausgangsspannung kann die Schutzfunktion quasi verzögerungsfrei aktiviert werden. Dies erhöht die Qualität der Schutzfunktion.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungswandlung einer Eingangsspannung in zumindest eine Ausgangsspannung findet bevorzugte Verwendung in einem Zweispannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Auswirkung eines möglichen Kurzschlusses von einem 42 V- Bordnetz zu einem 14 V-Bordnetz gelindert.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weite ren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungagemäßen Vorrich tung zur Spannungswandlung werden in der Zeichnung darge stellt und nachfolgend erläutert.

Es zeigen die Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Drossel wandlers mit Synchrongleichrichtung, Fig. 2 eine erste An steuerschaltung mit Zenerdioden sowie die Fig. 3 eine zwei te Ansteuerschaltung mit einem Bipolartransistor.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Eine Eingangsspannung Uein mit zugehörigem Eingangsstrom Iein ist mit einem Eingangskondensator 10 parallel verschal tet und wird in eine Ausgangsspannung U umgewandelt. Ein gangsspannung Uein sowie Eingangskondensator 10 sind gegen ein Bezugspotential 8 verschaltet. Der Eingangsstrom Iein gelangt an einen Verzweigungspunkt, der mit dem Eingangskon densator 10 und andererseits mit dem Drain-Anschluß eines Schalttransistors 12 verbunden ist. Der Source-Anschluß des Schalttransistors 12 ist sowohl mit dem Drain-Anschluß eines Freilaufschaltmittels 14 als auch mit einer Speicherdrossel 16 verbunden. Der andere Anschluß der Speicherdrossel 16 ist mit einem weiteren Verzweigungspunkt 19 kontaktiert, an dem ein Ausgangskondensator 18 gegen Bezugspotential 8 geschal tet ist. Der Source-Anschluß des Freilaufschaltmittels 14 liegt auf dem Bezugspotential 8, der Gate-Anschluß des Frei laufschaltmittels 14 wird von einer Ansteuerschaltung 11 ge steuert. Der Ausgangskondensator 18 ist parallel zu der Aus gangsspannung U verschaltet und mit dem Bezugspotential 8 verbunden. Bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnung handelt es sich um einen Drosselwandler mit Synchrongleichrichtung. Weiterhin ist eine Ansteuerschaltung 11 vorgesehen, die zur Ansteuerung des Schalttransistors 12 und des Freilaufschalt mittels 14 dient. Der Ansteuerschaltung 11 ist das Ausgangs potential der Ausgangsspannung U zugeführt.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird an dem Aus gangsknoten 19 die Ausgangsspannung U abgegriffen und über eine erste Diode 20, einen ersten Widerstand 22 an eine er ste Zenerdiode 26 geführt. Um das Freilaufschaltmittel 14 vor Überspannungen und Überströmen zu schützen, wird der Ga teanschluß des Freilaufschaltmittels 14 über eine Parallel schaltung einer zweiten Zenerdiode 28 und eines zweiten Wi derstandes 24 mit dem Bezugspotential 8 verbunden. Ein Gate treiber 30 steuert die Gateanschlüsse des Schalttransistors 12 und des Freilaufschaltmittels 14 an. Aneonsten unter scheidet sich der Aufbau nicht von dem der Fig. 1.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird die Ausgangs spannung U über einen dritten Widerstand 31 und einem vier ten Widerstand 32 an die Basis eines Bipolartransistors 40 geführt. Der Emitter des Transistors 40 liegt auf dem glei chen Potential wie der Ausgangsknoten 19. Der Kollektor des Transistors 40 ist mit dem Gateanschluß des Freilaufschalt mittels 14 verbunden. Wie schon beim Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 2 aufgeführt, dienen der zweite Widerstand 24 und die zweite Zenerdiode 28 als Überspannungs- und Stromschutz für das Freilaufschaltmittel 14, parallel verschaltet zwi schen Gateanschluß und Bezugspotential 8. Das gemeinsame Po tential des dritten Widerstands 31 und des vierten Widerstands 32 gelangt an die Kathode einer dritten Zenderdiode 36, deren Anode mit dem Bezugspotential 8 verbunden ist. Der Gatetreiber 30 steuert ebenfalls den Gateanschluß des Frei laufschaltmittels 14 an.

Bevorzugte Verwendung findet der DC/DC-Wandler in einem Zweispannungsbordnetz (beispielsweise 42 V/14 V) eines Kraft fahrzeugs. Bei einem Kurzschluß zwischen diesen beiden Span nungsebenen ist die Kurzschlußspannung des 14 V-Bordnetzes beispielsweise auf 27 V zu begrenzen. Hierzu wird das Frei laufschaltmittel 14 des Normalbetriebs (DC/DC-Wandlung) in Verbindung mit einer Überspannungserkennung zur Spannungsbe grenzung eingesetzt.

Im Normalbetrieb soll die Eingangsspannung Uein von bei spielsweise 42 V in eine Ausgangsspannung U von beispielswei se 14 V gewandelt werden. Bei eingeschaltetem Schalttransi stor 12 und zugleich ausgeschaltetem Freilaufschaltmittel 14 fließt ein zunehmender Strom durch die Speicherdrossel 16. Im nächsten Zyklus wird der Schalttransistor 12 aus und zu gleich das Freilaufschaltmittel 14 eingeschaltet. Die Spei cherdrossel 16 fungiert als Stromspeicher und lädt über das Freilaufschaltmittel 14 den Ausgangskondensator 18. Im wei teren Verlauf wird der Schalttransistor 12 wieder aktiviert und das Freilaufschaltmittel 14 deaktiviert und so fort. Über das Pulsweitenverhältnis (Einschaltdauer des Schalt transistors 12 bezogen auf eine feste Periode) läßt sich der Grad der Spannungswandlung einstellen. Durch den Rückgriff auf einen in den Figuren dargestellten MOSEET-Transistor (mit integrierter Inversdiode) als Freilaufschaltmittel 14 können die elektrischen Verluste im Normalbetrieb minimiert werden.

Überschreitet die Ausgangsspannung U ein vorgebbares Span nungsniveau von beispielsweise von 27 V, erkennt dies die Ansteuerschaltung 11 dank der Zenerdioden 26, 36 und bewirkt, dass das Freilaufschaltmittel 14 nicht mehr im Normalbetrieb arbeitet, sondern der Spannungsbegrenzung der Ausgangsspan nung U dient. Das Freilaufschaltmittel 14 wird im Ausgangs spannungsbegrenzungsbetrieb linear so ausgesteuert, dass über die Speicherdrossel 16 ein Stromfluß zum Bezugspotenti al 8 hin entsteht. Die möglicherweise 14 V-Verbraucher schä digende Überspannung U wird über die Speicherdrossel 16, das Freilaufschaltmittel 14 und das Bezugspotential 8, in der Regel Masse, abgeführt.

In der Fig. 2 ist die Ansteuerschaltung 11 näher gezeigt. Im Normalbetrieb arbeitet das Freilaufschaltmittel 14 wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Erst wenn die Ausgangs spannung U ein bestimmtes Spannungsniveau überschreitet, ist das Freilaufschaltmittel 14 in einem Spannungsbegrenzungsbe trieb im Sinne eines Schließens angesteuert. Das Überschrei ten der Grenzspannung durch die Ausgangsspannung wird von der ersten Zenerdiode 26 überwacht. Wird das Gate des Frei laufschaltmittels 14 realisierenden Transistors entladen und überschreitet die Ausgangsspannung U die Zenerspannung der ersten Zenerdiode 26, so wird das Freilaufschaltmittel 14 solange aktiviert, bis die Ausgangsspannung U in etwa den Wert der Zenerspannung der ersten Zenerdiode 26 erreicht. Im Falle einer Überspannung der Ausgangsspannung U ist der Ga tetreiber 30 hochohmig zu schalten, um die Begrenzungsschal tung nicht zu beeinflussen. D. h. der Gatetreiber 30 führt nicht mehr die im Normalbetrieb übliche pulsweitenmodulierte Ansteuerung synchron mit dem Schalttransistor 12 durch.

Durch die zweite Zenerdiode 28 wird das Freilaufschaltmittel 14 vor einer Überspannung durch die Ansteuerung geschützt. Gleichzeitig begrenzt der erste Widerstand 22 den Strom durch die beiden Zenerdioden 26, 28 auf zulässige Werte. Au ßerdem verhindert die erste Diode 20 einen Stromfluß vom Gatetreiber 30 in das Bordnetz bei einem aufgesteuerten Zu stand des Freilaufschaltmittels 14 und einer geringen Aus gangsspannung U. Der zweite Widerstand 24 sorgt für eine de finierte Entladung des Gates des Freilaufschaltmittels 14 bei hochohmigen Gatetreiber und einer Ausgangsspannung U un terhalb des Grenzwertes.

Durch die Verwendung einer aktiven Ansteuerung mit einem pnp-Transistor 40 gemäß Fig. 3 läßt sich die Empfindlich keit der Spannungsbegrenzung wesentlich erhöhen. Die Span nungsbegrenzung kann in einem deutlich geringeren Spannungs bereich als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ein setzen. Überschreitet die Ausgangsspannung U die Zenerspan nung der dritten Zenerdiode 36, so fließt über den dritten Widerstand 31 ein Strom. Der über den dritten Widerstand 31 erzeugte Spannungsabfall führt zur Ansteuerung des Transi stors 40. Der entsprechend verstärkte Basisstrom bewirkt ei ne Ansteuerung des Freilaufschaltmittels 14. Überschreitet die Ausgangsspannung U die Begrenzungsspannung (Grenzsspan nung), so ist auch hier der Gatetreiber 30 hochohmig zu schalten, um gegenseitige Beeinflussungen zu vermeiden. Im Falle einer Ansteuerung des Freilaufschaltmittels 14 durch den Gatetreiber 30 und gleichzeitig niedriger Ausgangsspan nung U wird der Gatetreiber 30 lediglich durch einen gerin gen Strom über den dritten Widerstand 31 und den vierten Wi derstand 32 belastet. Wiederum dienen die zweite Zenerdiode 28 und der zweite Widerstand 24 dem Überspannungsschutz des Freilaufschaltmittels 14.

Die beschriebene Schaltung eignet sich vorzugsweise für die Verwendung eines Zweispannungsbordnetzes in einem Kraftfahr zeug. Sie ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.

Claims

1. Vorrichtung zur Spannungswandlung einer Eingangsspannung in zumindest eine Ausgangsspannung, umfassend zumindest ein Schaltmittel (12), ein Freilaufschaltmittel (14) so wie einen elektrischen Energiespeicher (16, 18), wobei das Freilaufschaltmittel (14) in einem Normalbetrieb zur Spannungswandlung angesteuert ist, dadurch gekennzeich net, dass Überwachungsmittel (20, 22, 26, 31, 32, 36, 40) zur Überwachung des Überschreitens einer Grenzspannung durch die Ausgangsspannung (U) vorgesehen sind, die bei Überschreiten das Freilaufschaltmittel (14) in einem Aus gangsspannungsbegrenzungsbetrieb ansteuern zur Begrenzung der Ausgangsspannung (U).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Überwachungsmittel zumindest eine Zenerdiode (26, 36) und/oder ein Transistor (40) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten der Normal betrieb zumindest des Freilaufschaltmittels (14) und/oder des Schaltmittels (12) deaktiviert ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass Überspannungsschutzmittel (24, 28) vorgesehen sind, die das Freilaufschaltmittel (14) vor Überspannungen schützen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass ein Maß der Ausgangsspannung (U) einer Zenerdiode (26) zugeführt ist, wobei die Zener diode (26) elektrisch leitend mit zumindest einem Steuer eingang des Freilaufschaltmittel (14) und/oder eines Transistors (40) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, da durch gekennzeichnet, dass der Transistor (40) das Frei laufschaltmittel (14) ansteuert.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, da durch gekennzeichnet, dass das Freilaufschaltmittel (14) mit einem Bezugspotential (8) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, da durch gekennzeichnet, dass das Freilaufschaltmittel (14) im Ausgangssspannungsbegrenzungsbetrieb das Eingangspo tential des Freilaufschaltmittels (14) mit dem Bezugpo tential (8) verbindet.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch bevorzugte Verwendung in einem Mehr spannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs.