DE102024201344A1 - Voltage converter arrangement, control circuit for an electric drive system, electric drive system and method for operating a voltage converter arrangement - Google Patents
Voltage converter arrangement, control circuit for an electric drive system, electric drive system and method for operating a voltage converter arrangementInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Spannungswandleranordnung mit einer oder mehreren Halbbrücken. Hierbei ist es vorgesehen, mindestens eine der Halbbrücken derart auszuführen, dass sie auch als Synchronwandler betrieben werden kann. Auf diese Weise kann die als Synchronwandler betriebene Halbbrücke dazu genutzt werden, bei Bedarf eine Hilfsgleichspannung bereitzustellen.The invention relates to a voltage converter arrangement with one or more half-bridges. It is provided that at least one of the half-bridges is designed such that it can also be operated as a synchronous converter. In this way, the half-bridge operated as a synchronous converter can be used to provide an auxiliary DC voltage when needed.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungswandleranordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Ansteuerschaltung für ein elektrisches Antriebssystem mit einer solchen Spannungswandleranordnung sowie ein elektrisches Antriebssystem.The present invention relates to a voltage converter arrangement and a method for operating a voltage converter arrangement. The present invention further relates to a control circuit for an electric drive system having such a voltage converter arrangement and to an electric drive system.
Hintergrundbackground
Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen über ein elektrisches Antriebssystem. Als Energiequelle eines solchen elektrischen Antriebssystems dient ein elektrischer Energiespeicher wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie. Ein Spannungswandler steuert mittels der von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellten elektrischen Energie eine elektrische Maschine an. Zur Stabilisierung der Eingangsspannung des Spannungswandlers ist in der Regel ein sogenannter Zwischenkreiskondensator vorgesehen.Vehicles that are fully or at least partially electrically powered have an electric drive system. The energy source of such an electric drive system is an electrical energy storage device, such as a traction battery. A voltage converter controls an electric machine using the electrical energy provided by the electrical energy storage device. A so-called intermediate circuit capacitor is usually provided to stabilize the input voltage of the voltage converter.
Beim Abschalten des Fahrzeugs und auch insbesondere bei einer Gefahrensituation wie zum Beispiel einem Unfall muss dieser Zwischenkreiskondensator möglichst rasch entladen werden. Neben passiven Konzepten kann hierzu auch eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators vorgesehen sein.When the vehicle is shut down, and especially in a dangerous situation such as an accident, this DC link capacitor must be discharged as quickly as possible. In addition to passive concepts, active discharge of the DC link capacitor can also be provided for this purpose.
Die Druckschrift
Um eine zuverlässige Funktionalität der aktiven Entladung gewährleisten zu können, muss hierbei auch die Energieversorgung für eine solche aktive Entladung gewährleistet sein.In order to ensure reliable functionality of the active discharge, the energy supply for such an active discharge must also be guaranteed.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine Spannungswandleranordnung, eine Ansteuerschaltung für ein elektrisches Antriebssystem, ein elektrisches Antriebssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention provides a voltage converter arrangement, a control circuit for an electric drive system, an electric drive system, and a method for operating a voltage converter arrangement having the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.
Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is provided:
Eine Spannungswandleranordnung mit einem Eingangsanschluss, einem Ausgangsanschluss und mindestens einer Halbbrücke. Der Eingangsanschluss ist dazu ausgelegt, mit einer Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Jede Halbbrücke der mindestens einen Halbbrücke umfasst ein erstes Halbleiterschaltelement und ein zweites Halbleiterschaltelement. Das erste Halbleiterschaltelement und das zweite Halbleiterschaltelement sind hierbei in Serie angeordnet. Das erste Halbleiterschaltelement ist dabei zwischen einem positiven Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses und einem Knotenpunkt der jeweiligen Halbbrücke angeordnet. Das zweite Halbleiterschaltelement ist zwischen dem Knotenpunkt einem negativen Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses angeordnet. Jeder Knotenpunkt einer Halbbrücke ist mit einem korrespondierenden Anschlusspunkt des Ausgangsanschlusses elektrisch gekoppelt. Ferner ist eine Halbbrücke der Spannungswandleranordnung zusätzlich als Synchronwandler ausgebildet.A voltage converter arrangement with an input terminal, an output terminal, and at least one half-bridge. The input terminal is designed to be connected to a DC voltage source. Each half-bridge of the at least one half-bridge comprises a first semiconductor switching element and a second semiconductor switching element. The first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are arranged in series. The first semiconductor switching element is arranged between a positive connection point of the input terminal and a node of the respective half-bridge. The second semiconductor switching element is arranged between the node and a negative connection point of the input terminal. Each node of a half-bridge is electrically coupled to a corresponding connection point of the output terminal. Furthermore, one half-bridge of the voltage converter arrangement is additionally designed as a synchronous converter.
Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, it is planned:
Eine Ansteuerschaltung für ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Spannungswandleranordnung, wobei die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke dazu ausgelegt ist, elektrische Energie für die Ansteuerung von Treiberschaltungen der Halbbrücken in der Synchronwandlerschaltung bereitzustellen. Ferner kann die die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke auch elektrische Energie für Logikschaltungen, insbesondere Logikschaltungen in der Spannungswandleranordnung, und ggf. weitere Komponenten, wie zum Beispiels eine Entladeschaltung für eine aktive Entladung eines Zwischenkreiskondensators bereitstellen.A control circuit for an electric drive system with a voltage converter arrangement according to the invention, wherein the half-bridge configured as a synchronous converter is designed to provide electrical energy for driving driver circuits of the half-bridges in the synchronous converter circuit. Furthermore, the half-bridge configured as a synchronous converter can also provide electrical energy for logic circuits, in particular logic circuits in the voltage converter arrangement, and optionally for other components, such as a discharge circuit for actively discharging an intermediate circuit capacitor.
Ferner ist vorgesehen:Furthermore, it is planned:
Ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine und einer erfindungsgemäßen Spannungswandleranordnung. Hierbei ist jeder Anschlusspunkt des Ausgangsanschlusses der Spannungswandleranordnung mit einem korrespondierenden Anschluss der elektrischen Maschine elektrische verbunden.An electric drive system comprising an electric machine and a voltage converter arrangement according to the invention. Each connection point of the output terminal of the voltage converter arrangement is electrically connected to a corresponding terminal of the electric machine.
Schließlich ist vorgesehen:Finally, it is planned:
Ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Spannungswandleranordnung. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Betreiben der als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke als Spannungswandler zur Konvertierung einer am Eingangsanschluss bereitgestellten Gleichspannung in eine weitere Spannung. Hierbei wird die weitere Spannung an einem Anschlusspunkt des Ausgangsanschluss der Spannungswandleranordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt zum alternativen Betreiben der als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke als Synchronwandler. Hierbei erfolgt eine Konvertierung der am Eingangsanschluss bereitgestellten Gleichspannung in eine Hilfsspannung. Die Hilfsspannung wird dabei während des Betriebs als Synchronwandler an einem Ausgangspunkt des Synchronwandlers bereitgestellt.A method for operating a voltage converter arrangement, in particular a voltage converter arrangement according to the invention. The method comprises a step for operating the half-bridge, designed as a synchronous converter, as a voltage converter for converting a DC voltage provided at the input terminal into a further voltage. The further voltage is provided at a connection point of the output terminal of the voltage converter arrangement. The method further comprises a step For the alternative operation of the half-bridge designed as a synchronous converter as a synchronous converter. This involves converting the DC voltage provided at the input terminal into an auxiliary voltage. The auxiliary voltage is provided at an output point of the synchronous converter during operation as a synchronous converter.
Falls die Spannungswandleranordnung mehr als eine Halbbrücke umfasst, umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt zum Öffnen aller Halbleiterschaltelemente in den weiteren, nicht als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücken, wenn die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke als Synchronwandler betrieben wird.If the voltage converter arrangement comprises more than one half-bridge, the method further comprises a step of opening all semiconductor switching elements in the further half-bridges not designed as synchronous converters when the half-bridge designed as a synchronous converter is operated as a synchronous converter.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Realisierung der Sicherheitsanforderungen in einem elektrischen Antriebssystem einige Komponenten redundant ausgeführt sein sollen oder müssen. Unter anderem kann es daher auch erforderlich sein, die Spannungsversorgung für eine aktive Entladung eines Zwischenkreiskondensators auf mindestens zwei redundante Wege auszuführen. Die Implementierung eines zusätzlichen Spannungswandlers, der hierbei beim Ausfall einer Niederspannungsversorgung die erforderliche Spannungsversorgung durch Spannungswandlung aus einem Hochvoltnetz oder Ähnlichem realisiert, stellt dabei jedoch eine sehr aufwändige und kostenintensive Möglichkeit dar.The present invention is based on the realization that, to meet safety requirements in an electric drive system, some components should or must be designed redundantly. Among other things, it may therefore be necessary to implement the power supply for actively discharging a DC link capacitor via at least two redundant paths. However, implementing an additional voltage converter, which provides the required power supply in the event of a low-voltage power supply failure by converting voltage from a high-voltage network or similar, represents a very complex and cost-intensive option.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine redundante Spannungsversorgung für zumindest einen Teil eines Spannungswandlers vorzusehen, die einfach und kostengünstig zu realisieren ist. Insbesondere ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, hierzu möglichst auf bereits vorhandene Bauelemente oder Baugruppen zurückzugreifen. Ausgehend von dieser Überlegung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, eine Halbbrücke eines Spannungswandlers derart zu erweitern, dass sie auch als Synchronwandler genutzt werden kann. Auf diese Weise kann ein solcher Synchronwandler auch elektrische Energie bereitstellen, welche zumindest für einen Notbetrieb, wie zum Beispiel eine aktive Entladung eines Zwischenkreiskondensators ausreichend ist.It is therefore an idea of the present invention to provide a redundant power supply for at least part of a voltage converter that is simple and cost-effective to implement. In particular, it is an idea of the present invention to make use of existing components or assemblies for this purpose wherever possible. Based on this consideration, the invention provides for expanding a half-bridge of a voltage converter such that it can also be used as a synchronous converter. In this way, such a synchronous converter can also provide electrical energy that is sufficient at least for emergency operation, such as the active discharge of an intermediate circuit capacitor.
Ein Synchronwandler umfasst zwei in Serie angeordnete Schaltelemente, wobei an dem Knotenpunkt zwischen den beiden Schaltelementen eine Induktivität, insbesondere eine Speicherdrossel, angeordnet ist. Die beiden Schaltelemente werden hierbei derart betrieben, dass sie abwechselnd geschlossen werden. Vorzugsweise ist zwischen dem Öffnen eines Schaltelements und dem daraufhin folgenden Schließen des anderen Schaltelements jeweils eine Totzeit vorgesehen. Auf diese Weise können Kurzschlusszustände vermieden werden. Da der grundsätzliche Aufbau eines Synchronwandlers jedoch als bekannt angesehen wird, wird hier auf eine detailliertere Ausführung des Funktionsprinzips und der Schaltweise der einzelnen Schaltelemente verzichtet. Die Konfiguration dieser Halbbrücke als Synchronwandler umfasst dabei ein weiteres Schaltelement, welches eine elektrische Verbindung zwischen der als synchronwandausgebildete Halbbrücke und einem Ausgangspunkt öffnen oder schließen kann. Auf diese Weise kann der Ausgangspunkt von der Halbbrücke elektrisch getrennt werden, solange diese Halbbrücke nicht als Synchronwand betrieben wird.A synchronous converter comprises two switching elements arranged in series, with an inductance, in particular a storage choke, arranged at the junction between the two switching elements. The two switching elements are operated in such a way that they are closed alternately. Preferably, a dead time is provided between the opening of one switching element and the subsequent closing of the other switching element. In this way, short-circuit conditions can be avoided. However, since the basic structure of a synchronous converter is considered to be known, a more detailed explanation of the functional principle and switching mode of the individual switching elements will be omitted here. The configuration of this half-bridge as a synchronous converter comprises an additional switching element which can open or close an electrical connection between the half-bridge designed as a synchronous wall and an output point. In this way, the output point can be electrically separated from the half-bridge as long as this half-bridge is not operated as a synchronous wall.
Für die erfindungsgemäße Realisierung eines Synchronwandlers werden somit die vorhandenen Halbleiterschaltelemente einer Halbbrücke in der Spannungswandleranordnung genutzt. Diese können für den Betrieb der Halbbrücke als Synchronwandler in geeigneter Weise angesteuert werden. Auf diese Weise kann an einem Ausgangspunkt des Synchronwandlers eine gewünschte Gleichspannung bereitgestellt werden. Diese Gleichspannung am Ausgangspunkt des Synchronwandlers kann beispielsweise dazu genutzt werden, um beim Ausfall der Hauptspannungsversorgung zumindest einen Notbetrieb aufrechtzuerhalten. In diesem Notbetrieb kann beispielsweise eine aktive Entladung eines Zwischenkreiskondensators durchgeführt werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Operationen, insbesondere sicherheitsrelevante Operationen möglich.For the inventive implementation of a synchronous converter, the existing semiconductor switching elements of a half-bridge in the voltage converter arrangement are thus utilized. These can be suitably controlled for operation of the half-bridge as a synchronous converter. In this way, a desired DC voltage can be provided at an output point of the synchronous converter. This DC voltage at the output point of the synchronous converter can be used, for example, to maintain at least emergency operation in the event of a main power supply failure. In this emergency operation, for example, an active discharge of an intermediate circuit capacitor can be performed. Furthermore, any other operations, in particular safety-relevant operations, are of course also possible.
Der Betrieb einer Halbbrücke als Synchronwandler stellt somit eine redundante Spannungsversorgung dar, wodurch die notwendigen Sicherheitsanforderungen gewährleistet werden. Durch die Verwendung der bereits vorhandenen Halbbrücke in der Spannungswandleranordnung können dabei bestehende Schaltungsstrukturen genutzt werden. Dies verringert den erforderlichen Hardwareaufwand und die damit verbundenen Kosten sowie die Bauraumanforderungen.Operating a half-bridge as a synchronous converter thus provides a redundant power supply, ensuring the necessary safety requirements. By using the existing half-bridge in the voltage converter arrangement, existing circuit structures can be utilized. This reduces the required hardware complexity and the associated costs, as well as the space requirements.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke eine Induktivität. Diese Induktivität ist, wie oben bereits ausgeführt, an dem Knotenpunkt zwischen dem ersten Halbleiterschaltelement und dem zweiten Halbleiterschaltelement der als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke angeordnet. Diese Induktivität dient somit als Speicherdrossel in dem Synchronwandler. Ferner kann der Synchronwandler ein weiteres Schaltelement umfassen. Dieses weitere Schaltelement kann zwischen der Induktivität und dem Ausgangspunkt des Synchronwandlers angeordnet sein. Durch das Öffnen dieses Schaltelements wird der Ausgangspunkt von der Induktivität und damit der Halbbrücke elektrisch getrennt. Soll die Halbbrücke als Synchronwandler betrieben werden, so wird das Schaltelement geschlossen, wodurch der Ausgangspunkt mit der Induktivität elektrisch verbunden wird. Als Schaltelement kann insbesondere ein Halbleiterschaltelement wie zum Beispiel ein MOSFET eingesetzt werden.According to one embodiment, the half-bridge designed as a synchronous converter comprises an inductance. This inductance is, as already explained above, arranged at the node between the first semiconductor switching element and the second semiconductor switching element of the half-bridge designed as a synchronous converter. This inductance thus serves as a storage choke in the synchronous converter. Furthermore, the synchronous converter can comprise a further switching element. This further switching element can be arranged between the inductance and the output point of the synchronous converter. By opening this switching element The output point is electrically separated from the inductance and thus from the half-bridge. If the half-bridge is to be operated as a synchronous converter, the switching element is closed, electrically connecting the output point to the inductance. A semiconductor switching element, such as a MOSFET, can be used as the switching element.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Spannungswandleranordnung eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus die Halbleiterschaltelemente der Spannungswandleranordnung für eine Spannungswandlung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss anzusteuern. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, in einem zweiten Betriebsmodus die Halbleiterschaltelemente der als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke für eine Spannungswandlung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangspunkt des Synchronwandlers anzusteuern. Der zweite Betriebsmodus kann insbesondere dann realisiert werden, wenn die primäre Spannungsversorgung für die Komponenten zur Ansteuerung der Spannungswandleranordnung ausfällt.According to one embodiment, the voltage converter arrangement comprises a control device. The control device is designed to control the semiconductor switching elements of the voltage converter arrangement for voltage conversion between the input terminal and the output terminal in a first operating mode. Furthermore, the control device is designed to control the semiconductor switching elements of the half-bridge configured as a synchronous converter for voltage conversion between the input terminal and the output point of the synchronous converter in a second operating mode. The second operating mode can be implemented in particular if the primary voltage supply for the components controlling the voltage converter arrangement fails.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Spannungswandleranordnung neben der als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke mindesten eine weitere Halbbrücke. Dabei kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die Schaltelemente der mindestens einen weiteren Halbbrücke zu öffnen, wenn die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke als Synchronwandler betrieben wird. Auf diese Weise werden die weiteren Halbbrücken deaktiviert, so dass keine Energieübertragung von dem Eingangsschluss zu dem Ausgangsanschluss erfolgt.According to one embodiment, the voltage converter arrangement comprises at least one further half-bridge in addition to the half-bridge configured as a synchronous converter. The control device can be configured to open the switching elements of the at least one further half-bridge when the half-bridge configured as a synchronous converter is operated as a synchronous converter. In this way, the further half-bridges are deactivated, so that no energy is transferred from the input terminal to the output terminal.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke ein Überspannungsschutzelement. Bei dem Überspannungsschutzelement kann es sich beispielsweise um eine Zenerdiode handeln. Das Überspannungsschutzelement ist zwischen dem Ausgangspunkt des Synchronwandlers und einem Bezugspotential angeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass an dem Ausgangspunkt des Synchronwandlers keine zu hohe elektrische Spannung anliegt, welche gegebenenfalls die durch den Synchronwandler mit Energie zu versorgenden Komponenten beschädigen könnte.According to one embodiment, the half-bridge designed as a synchronous converter comprises an overvoltage protection element. The overvoltage protection element can be, for example, a Zener diode. The overvoltage protection element is arranged between the output point of the synchronous converter and a reference potential. This ensures that excessive voltage is not applied at the output point of the synchronous converter, which could potentially damage the components supplied with power by the synchronous converter.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung für ein elektrisches Antriebssystem eine Entladeschaltung. Diese Entladeschaltung kann dazu ausgelegt sein, einen Zwischenkreiskondensator aktiv zu entladen. Ein solcher Zwischenkreiskondensator kann beispielsweise am Eingangsanschluss der Spannungswandleranordnung vorgesehen sein. Auf diese Weise kann der Zwischenkreiskondensator die Eingangsspannung der Spannungswandleranordnung im operationellen Betrieb stabilisieren. Die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke kann hierbei dazu ausgelegt sein, elektrische Energie an der Entladeschaltung bereitzustellen. Der Synchronwandler stellt somit neben einer weiteren, konventionellen Energieversorgung, beispielsweise aus einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeug, eine zusätzliche redundante Energieversorgung dar. Damit kann eine sichere Entladung des Zwischenkreiskondensators selbst dann durchgeführt werden, wenn die primäre Energieversorgung der Entladeschaltung unterbrochen ist.According to one embodiment, the control circuit for an electric drive system comprises a discharge circuit. This discharge circuit can be designed to actively discharge an intermediate circuit capacitor. Such an intermediate circuit capacitor can be provided, for example, at the input terminal of the voltage converter arrangement. In this way, the intermediate circuit capacitor can stabilize the input voltage of the voltage converter arrangement during operation. The half-bridge, designed as a synchronous converter, can be designed to provide electrical energy to the discharge circuit. The synchronous converter thus represents an additional redundant energy supply in addition to another conventional energy supply, for example from a low-voltage network of an electric vehicle. This allows the intermediate circuit capacitor to be safely discharged even if the primary energy supply of the discharge circuit is interrupted.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above embodiments and further developments can be combined with one another as desired, where appropriate. Further embodiments, further developments, and implementations of the invention also include combinations of features of the invention not explicitly mentioned above or described below with respect to the exemplary embodiments. In particular, those skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
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1 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines elektrischen Antriebssystems mit einer Spannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform; -
2 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke in einer Spannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform; und -
3 : ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer Spannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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1 : a schematic representation of a basic circuit diagram of an electric drive system with a voltage converter arrangement according to an embodiment; -
2 : a schematic representation of a basic circuit diagram of a half-bridge designed as a synchronous converter in a voltage converter arrangement according to an embodiment; and -
3 : a flowchart underlying a method for operating a voltage converter arrangement according to an embodiment.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Die Spannungswandleranordnung 1 umfasst einen Eingangsanschluss 11 sowie einen Ausgangsanschluss 12. Der Eingangsanschluss 11 kann mit einer Gleichspannungsquelle 2, beispielsweise der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs elektrisch gekoppelt werden. Zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Eingangsanschluss 11 der Spannungswandleranordnung 1 kann ein Trennschalter 4 vorgesehen sein, welcher die Gleichspannungsquelle 2 mit dem Eingangsanschluss 11 elektrisch verbindet oder trennt. Ferner kann ein Zwischenkreiskondensator 5 vorgesehen sein, der beispielsweise die Gleichspannung am Eingangsanschluss 11 der Spannungswandleranordnung 1 stabilisiert. Darüber hinaus kann parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 5 eine Entladeschaltung 6 vorgesehen sein. Diese Entladeschaltung 6 kann den Zwischenkreiskondensator 5 bei Bedarf aktiv entladen. Für den Betrieb und die Ansteuerung der Entladeschaltung 6 kann eine primäre Energieversorgung (hier nicht dargestellt) vorgesehen sein. Beispielsweise kann in einem Elektrofahrzeug diese primäre Energieversorgung von einem Niedervoltnetz bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, eine zusätzliche, redundante Energieversorgung für die Entladeschaltung 6 vorgesehen sein.The voltage converter arrangement 1 comprises an input terminal 11 and an output terminal 12. The input terminal 11 can be electrically coupled to a DC voltage source 2, for example, the traction battery of an electric vehicle. A disconnect switch 4 can be provided between the DC voltage source 2 and the input terminal 11 of the voltage converter arrangement 1, which disconnect switch 4 electrically connects or disconnects the DC voltage source 2 to the input terminal 11. Furthermore, an intermediate circuit capacitor 5 can be provided, which, for example, stabilizes the DC voltage at the input terminal 11 of the voltage converter arrangement 1. Furthermore, a discharge circuit 6 can be provided in parallel with the intermediate circuit capacitor 5. This discharge circuit 6 can actively discharge the intermediate circuit capacitor 5 as needed. A primary energy supply (not shown here) can be provided for the operation and control of the discharge circuit 6. For example, in an electric vehicle, this primary energy supply can be provided by a low-voltage network. In addition, as will be explained in more detail below, an additional, redundant power supply can be provided for the discharge circuit 6.
Am Ausgangsanschluss 12 der Spannungswandleranordnung 1 kann ein elektrischer Verbraucher 3, beispielsweise eine elektrische Maschine vorgesehen sein. Zum Betrieb dieses elektrischen Verbrauchers 3 kann die Spannungswandleranordnung 1 eine eingangsseitig bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine weitere Spannung konvertieren, die dazu geeignet ist, den elektrischen Verbraucher 3 zu betreiben. Zum Beispiel kann die Spannungswandleranordnung 1 die eingangsseitig bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige elektrische Wechselspannung konvertieren. Die in
Die Spannungswandleranordnung 1 kann für jeden Anschluss, das heißt jede Phase des elektrischen Verbrauchers 3 eine Halbbrücke H1, H2, H3 umfassen. Jede Halbbrücke H1, H2, H3 umfasst zwei Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschaltelemente M1 bis M6. Dabei ist für jede Halbbrücke H1, H2, H3 jeweils ein oberes Schaltelement M1, M3, M5 zwischen einem positiven Anschlusspunkt 11a des Eingangsanschlusses 11 und einem Knotenpunkt K1, K2, K3 der jeweiligen Halbbrücke H1, H2, H3 angeordnet. Ferner ist zwischen dem jeweiligen Knotenpunkt K1, K2, K3 der jeweiligen Halbbrücke H1, H2, H3 und einem negativen Anschlusspunkt 11b jeweils ein zweites, unteres Schaltelement M2, M4, M6 angeordnet. Die Knotenpunkte K1, K2, K3 sind mit korrespondierenden Anschlusspunkten 12a, 12b, 12c verbunden. Durch entsprechendes Ansteuern der Schaltelemente M1 bis M6 kann aus der eingangsseitig bereitgestellten Gleichspannung eine gewünschte Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss 12 bereitgestellt werden.The voltage converter arrangement 1 can comprise a half-bridge H1, H2, H3 for each connection, i.e., each phase of the electrical load 3. Each half-bridge H1, H2, H3 comprises two switching elements, in particular semiconductor switching elements M1 to M6. For each half-bridge H1, H2, H3, an upper switching element M1, M3, M5 is arranged between a positive connection point 11a of the input connection 11 and a node K1, K2, K3 of the respective half-bridge H1, H2, H3. Furthermore, a second, lower switching element M2, M4, M6 is arranged between the respective node K1, K2, K3 of the respective half-bridge H1, H2, H3 and a negative connection point 11b. The nodes K1, K2, K3 are connected to corresponding connection points 12a, 12b, 12c. By appropriately controlling the switching elements M1 to M6, a desired output voltage can be provided at the output terminal 12 from the DC voltage provided on the input side.
Ferner ist in der Spannungswandleranordnung 1 eine Halbbrücke H1 derart ausgebildet, dass sie als Synchronwandler betrieben werden kann. Hierzu ist zwischen dem Knotenpunkt K1 der entsprechenden Halbbrücke H1 und einem Ausgangspunkt A eine Induktivität L vorgesehen. Durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente M1, M2 in dieser Halbbrücke H1 kann somit am Ausgangspunkt A eine Hilfsspannung, insbesondere eine Hilfsgleichspannung bereitgestellt werden. Hierzu werden die beiden Schaltelemente M1, M2 der entsprechenden Halbbrücke H1 abwechselnd geschlossen. Da jedoch der grundsätzliche Betrieb eines Synchronwandlers als bekannt angesehen wird, wird hier auf eine detailliertere Beschreibung des Taktens der Schaltelemente M1, M2 für den Synchronwandlerbetrieb verzichtet.Furthermore, in the voltage converter arrangement 1, a half-bridge H1 is designed such that it can be operated as a synchronous converter. For this purpose, an inductance L is provided between the node K1 of the corresponding half-bridge H1 and an output point A. By appropriately controlling the switching elements M1, M2 in this half-bridge H1, an auxiliary voltage, in particular an auxiliary DC voltage, can thus be provided at the output point A. For this purpose, the two switching elements M1, M2 of the corresponding half-bridge H1 are alternately closed. However, since the basic operation of a synchronous converter is considered to be known, a more detailed description of the clocking of the switching elements M1, M2 for synchronous converter operation is omitted here.
Für das Ansteuern der Schaltelemente M1 bis M6 in den Halbbrücken H1 bis H3, sowie auch ggf. weiteren Komponenten kann beispielsweise eine Steuereinrichtung (in den Figuren zur Vereinfachung nicht explizit dargestellt) vorgesehen sein.For controlling the switching elements M1 to M6 in the half-bridges H1 to H3, as well as possibly other components, a control device (not explicitly shown in the figures for the sake of simplicity) can be provided, for example.
Soll die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke H1 als Synchronwandler betrieben werden, so werden während dieses Betriebsmodus eventuell vorhandene weitere Halbbrücken H2, H3 derart eingestellt, dass alle Schaltelemente M3, M4, M5, M6 während des Synchronwandlerbetriebs geöffnet sind.If the half-bridge H1 designed as a synchronous converter is to be operated as a synchronous converter, any additional half-bridges H2, H3 that may be present are adjusted during this operating mode in such a way that all switching elements M3, M4, M5, M6 are open during synchronous converter operation.
In der Halbbrücke H1, die als Synchronwandler ausgebildet ist, kann neben der Induktivität L zwischen dem Ausgangspunkt A und dem Knotenpunkt K1 auch ein Schaltelement S vorgesehen sein. Auf diese Weise kann der Ausgangspunkt A von der entsprechenden Halbbrücke H1, insbesondere dem Knotenpunkt K1 dieser Halbbrücke H1 elektrisch getrennt werden, wenn die Halbbrücke nicht als Synchronwandler betrieben werden soll.In the half-bridge H1, which is designed as a synchronous converter, a switching element S can be provided in addition to the inductance L between the output point A and the node K1. In this way, the output point A can be electrically separated from the corresponding half-bridge H1, in particular the node K1 of this half-bridge H1, if the half-bridge is not to be operated as a synchronous converter.
Die am Ausgangspunkt A der als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke H1 bereitgestellte Gleichspannung kann beispielsweise dazu genutzt werden, um zumindest einen Teil der Komponenten der Spannungswandleranordnung 1 mit elektrischer Energie zu versorgen, wenn eine primäre Energieversorgung ausfällt. Insbesondere kann die am Ausgangspunkt A bereitgestellte Hilfsspannung dazu genutzt werden, die Entladeschaltung 6 zu betreiben. Ferner kann die am Ausgangspunkt A bereitgestellte Hilfsspannung auch dazu genutzt werden, elektrische Energie für die Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente M1, M2 der als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke H1 bereitzustellen. The DC voltage provided at the output point A of the half-bridge H1 designed as a synchronous converter can, for example, be used to supply at least some of the components of the voltage converter arrangement 1 with electrical energy if a primary energy supply fails. In particular, the DC voltage provided at the output The auxiliary voltage provided at the output point A can be used to operate the discharge circuit 6. Furthermore, the auxiliary voltage provided at the output point A can also be used to provide electrical energy for driving the semiconductor switching elements M1, M2 of the half-bridge H1 designed as a synchronous converter.
Während des Betriebs der Halbbrücke H1 als Synchronwandler kann die hierbei benötigte elektrische Energie einerseits von der eingangsseitigen Gleichspannungsquelle 2 bereitgestellt werden. Andererseits kann beispielsweise bei geöffnetem Trennschalter 4 auch die in dem noch im Zwischenkreiskondensators 5 gespeicherte elektrische Energie genutzt werden, um am Ausgangspunkt A des Synchronwandlers die Hilfsspannung bereitzustellen.During operation of the half-bridge H1 as a synchronous converter, the electrical energy required can be provided by the input-side DC voltage source 2. On the other hand, for example, when the isolating switch 4 is open, the electrical energy still stored in the intermediate circuit capacitor 5 can also be used to provide the auxiliary voltage at the output point A of the synchronous converter.
Weiterhin kann am Ausgangspunkt A vor oder nach der Diode D ein Kondensator C zur Stabilisierung der Hilfsspannung am Ausgangspunkt A vorgesehen sein.Furthermore, a capacitor C can be provided at the output point A before or after the diode D to stabilize the auxiliary voltage at the output point A.
Ferner kann eine Überspannungsschutzkomponente, beispielsweise eine Zenerdiode ZD vorgesehen sein. Die Überspannungsschutzkomponente kann beispielsweise zwischen einem Bezugspotential und einem Punkt vor oder nach der Diode D vorgesehen sein. Auf diese Weise kann sichergestellt sein, dass die Hilfsspannung am Ausgangspunkt A auf eine elektrische Spannung begrenzt wird, die für die am Ausgangspunkt A angeschlossenen Komponenten ungefährlich ist.Furthermore, an overvoltage protection component, for example, a Zener diode ZD, can be provided. The overvoltage protection component can, for example, be provided between a reference potential and a point before or after the diode D. This ensures that the auxiliary voltage at the output point A is limited to an electrical voltage that is safe for the components connected to the output point A.
Das Verfahren zum Betreiben der Spannungswandleranordnung 1 kann einen Schritt S1 umfassen, in welchem alle Halbbrücken des Spannungswandlers betrieben werden, um eine am Eingangsanschluss 11 bereitgestellte Gleichspannung in eine weitere Spannung zu konvertieren und diese weitere Spannung am Ausgangsanschluss 12 bereitzustellen. Insbesondere kann dabei auch die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke H1 für die Konvertierung der am Eingangsanschluss 11 bereitgestellten Gleichspannung in eine weitere Spannung betrieben werden.The method for operating the voltage converter arrangement 1 can comprise a step S1 in which all half-bridges of the voltage converter are operated to convert a DC voltage provided at the input terminal 11 into a further voltage and to provide this further voltage at the output terminal 12. In particular, the half-bridge H1 designed as a synchronous converter can also be operated to convert the DC voltage provided at the input terminal 11 into a further voltage.
Alternativ kann die als Synchronwandler ausgebildete Halbbrücke H1 in einem Schritt S2 als Synchronwandler betrieben werden. Dabei werden die Schaltelemente M1 und M2 der als Synchronwandler ausgebildeten Halbbrücke H1 angesteuert, um aus der am Eingangsanschluss 11 bereitgestellten elektrischen Gleichspannung eine Hilfsspannung zu generieren und diese am Ausgangspunkt A bereitzustellen. Während des Betriebs der Halbbrücke H1 als Synchronwandler sind sämtliche Schaltelemente M3 bis M6 von gegebenenfalls vorhandenen weiteren Halbbrücken H2, H3 geöffnet.Alternatively, the half-bridge H1 configured as a synchronous converter can be operated as a synchronous converter in a step S2. The switching elements M1 and M2 of the half-bridge H1 configured as a synchronous converter are controlled to generate an auxiliary voltage from the electrical DC voltage provided at the input terminal 11 and to provide it at the output point A. During operation of the half-bridge H1 as a synchronous converter, all switching elements M3 to M6 of any additional half-bridges H2, H3 are open.
Ferner ist während des Betriebs der Halbbrücke H1 als Synchronwandler das Schaltelement S zwischen der Induktivität L und dem Ausgangspunkt A geschlossen. Wird die Spannungswandleranordnung 1 dagegen so betrieben, dass die am Eingangsanschluss 11 bereitgestellte elektrische Gleichspannung in eine weitere Gleichspannung konvertiert wird, die am Ausgangsanschluss 12 bereitgestellt werden soll, so ist das Schaltelement S zwischen der Induktivität L und dem Ausgangspunkt A geöffnet.Furthermore, during operation of the half-bridge H1 as a synchronous converter, the switching element S between the inductance L and the output point A is closed. If, however, the voltage converter arrangement 1 is operated such that the electrical DC voltage provided at the input terminal 11 is converted into another DC voltage to be provided at the output terminal 12, the switching element S between the inductance L and the output point A is open.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Spannungswandleranordnung mit einer oder mehreren Halbbrücken. Hierbei ist es vorgesehen, mindestens eine der Halbbrücken derart auszuführen, dass sie auch als Synchronwandler betrieben werden kann. Auf diese Weise kann die als Synchronwandler betriebene Halbbrücke dazu genutzt werden, bei Bedarf eine Hilfsgleichspannung bereitzustellen.In summary, the present invention relates to a voltage converter arrangement with one or more half-bridges. It is provided that at least one of the half-bridges is designed such that it can also be operated as a synchronous converter. In this way, the half-bridge operated as a synchronous converter can be used to provide an auxiliary DC voltage when needed.
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