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DE60013681T2 - Ein Gleichspannungswandler mit mehrere Ausgängen, insbesondere zum Betrieb in Fahrzeugen - Google Patents

Ein Gleichspannungswandler mit mehrere Ausgängen, insbesondere zum Betrieb in Fahrzeugen Download PDF

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DE60013681T2
DE60013681T2 DE60013681T DE60013681T DE60013681T2 DE 60013681 T2 DE60013681 T2 DE 60013681T2 DE 60013681 T DE60013681 T DE 60013681T DE 60013681 T DE60013681 T DE 60013681T DE 60013681 T2 DE60013681 T2 DE 60013681T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler mit mehreren Ausgängen von der An wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert, welcher beispielsweise in den PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 1998, Nr. 14, 31. Dezember 1998, und in der JP-10 234178 A (TOKO INC.) geoffenbart ist. Gleichspannungswandler jenes Typs, bei dem ein Eingang mit einer Gleichspannungsversorgung, wie z.B. einer Batterie, verbunden ist, um an einer Mehrzahl von Ausgängen geregelte Spannungen mit Werten oder Pegeln, die entweder höher oder niedriger als jene der Versorgungsspannung sind, zuzuführen, werden bei zahlreichen Anwendungen eingesetzt.
  • Gleichspannungswandler, die bisher zu diesem Zweck verwendet wurden, haben verschiedene Nachteile, insbesondere ihre erheblichen Kosten und ihre Größe.
  • Die herkömmlicherweise am häufigsten bei solchen Stromrichtern eingesetzte Schaltungstopologie ist jene, die als „Rücklauf“-Typ bekannt ist. Diese Topologie benötigt im Allgemeinen einen einzigen gesteuerten elektronischen Schalter und eine einzige magnetische Komponente (einen Transformator mit einer primären Wicklung und einer oder mehreren sekundären Wicklungen, die alle auf demselben Kern aufgewickelt sind). Diese Schaltungstopologie weist jedoch den Nachteil auf, dass die in der primären Wicklung und im Eingangskondensator oder in den Eingangskondensatoren fließenden Ströme äußerst hohe Werte haben. Der Eingangskondensator oder die Eingangskondensatoren muss bzw. müssen eine hohe Kapazität aufweisen. Vom Standpunkt der Wärmeabstrahlung und der elektromagnetischen Kompatibilität aus betrachtet, kommt es ferner zu Problemen. Bei der „Rücklauf“-Schaltungstopologie führt die Streuinduktivität des Transformators zu einer Abnahme der gesamten Umwandlungseffizienz. Es ist im Allgemeinen auch notwendig, Klemmschaltungen oder Löschkreise mit Leistungskondensatoren zu verwenden.
  • Gemäß dem Stand der Technik werden in solchen Fällen mehrere Gleichspannungswandler, die möglicherweise gemäß dem beabsichtigten Zweck ihrer Ausgangsspannungen verschiedene Topologien aufweisen, parallel oder hintereinander verwendet. In diesem Fall kann jeder Ausgang unabhängig eingestellt werden. Diese Anordnung bedingt jedoch die Verwendung einer Mehrzahl von magnetischen Komponenten sowie einer Mehrzahl von gesteuerten elektronischen Schaltern und hat somit hohe Kosten zur Folge.
  • Die EP – 0 794 607 A offenbart einen Hauptstromrichter von der An eines Spannungserhöhers, welcher an einem Hilfsstromrichter von der An eines Kompensationsstromrichters angekoppelt ist, wobei jeder einen elektronischen Schalter umfasst. Die GB – 2 087 113 A offenbart weitere Gleichspannungswandler einschließlich einer Mehrzahl von elektronischen Schaltern.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher das Bereitstellen eines neuen und verbesserten Gleichspannungswandlers mit mehreren Ausgängen von der anfangs definierten Art, insbesondere zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen, die beispielsweise zum Antreiben von Einspritzpumpen insbesondere eine Ausgangsspannung von einem Wert, der höher als jener der Eingangsversorgung ist, erzeugen können, sowie zumindest eine geregelte Spannung von z.B. etwa 6V für die Versorgung von logischen Schaltkreisen und Komponenten.
  • Diese und andere Ziele werden erfindungsgemäß durch einen Gleichspannungswandler erreicht, dessen grundlegende Eigenschaften im angeschlossenen Anspruch 1 definiert sind.
  • Weitere charakteristische Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die rein anhand eines nicht einschränkend gedachten Beispiels dargelegt ist, klar hervor, und zwar unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, wobei:
  • 1 ein Schaltplan eines Gleichspannungswandlers ist,
  • 2 ein Schaltplan eines zweiten Gleichspannungswandlers ist,
  • 3 eine Reihe von grafischen Darstellungen ist, welche in beispielhafter Weise Kurven von elektrischen Größen und Signalen im Stromrichter gemäß 2 als Funktionen der Zeit t zeigen, und
  • 4 ein Schaltplan eines erfindungsgemäßen Stromrichters ist.
  • In 1 ist eine Gleichspannungsversorgung, wie z.B. die Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit 1 bezeichnet. In 1 ist die Versorgung 1 mit ihrer negativen Polklemme zur Erde geschaltet, und ihre positive Polklemme kann mittels eines Schalters 2 am Eingang I eines Gleichspannungswandlers, der im Allgemeinen mit C bezeichnet ist, angeschlossen werden.
  • Der Schalter 2 ist beispielsweise ein Schalter, der im Zünd- und Anlassschalter eines Kraftfahrzeugs eingebaut ist und mittels eines Schlüssels K manuell bedient werden kann.
  • Der Stromrichter C besitzt zwei Ausgänge O1 und O2.
  • Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst der Stromrichter C eine Hauptstromrichterschaltung MC und eine Hilfsstromrichterschaltung AC.
  • Der Eingang und der Ausgang der Hauptstromrichterschaltung MC stimmen als Ganzes mit dem Eingang I und dem Ausgang O1 des Gleichspannungswandlers C überein. Wie weiter untenstehend beschrieben, ist der Eingang der Hilfsstromrichterschaltung AC mit dem Ausgang des Hauptstromrichters verbunden, und ihr Ausgang stimmt als Ganzes mit dem Ausgang O2 des Stromrichters C überein.
  • Der Hauptstromrichter MC ist von der Art eines „Spannungserhöhers". Bei der als Beispiel gezeigten Ausführungsform umfasst dieser Hauptstromrichter in bekannter Weise einen Eingangskondensator Ci, der zwischen dem Eingang I und der Erde geschaltet ist, und einen Induktor L, der zwischen dem Eingang I und dem Drain eines MOSFET-Transistors M geschaltet ist, desses Source zur Erde geschaltet ist. Eine Diode D ist mit ihrer Anode am Drain des Transistors M und mit ihrer Kathode am Ausgang O1 angeschlossen. Ein Ausgangskondensator C0 ist zwischen der Kathode der Diode D und der Erde geschaltet.
  • Das Gate des Transistors M ist an einem Ausgang einer elektronischen Steuereinheit ECU angeschlossen.
  • Diese Einheit ist wiederum in bekannter Weise dazu eingerichtet, am Gate des Transistors ein Treibsignal, beispielsweise ein pulsbreitenmoduliertes (PWM)-Signal, anzulegen. Beim Betrieb wird am Ausgang O1 des Hauptstromrichters MC eine Gleichspannung verfügbar gemacht, welche einen Wert aufweist, der höher ist als jener der von der Versorgung 1 zugeführten Spannung. Die Einheit ECU ist dazu eingerichtet, die Spannung am Ausgang O1 zu regulieren, und zwar, falls nötig, durch Abwandlung des am Gate des Transistors M angelegten Signals.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 1 gehört der Hilfsstromrichter AC dem „Abwärts"- oder „Kompensations"-Typ an. Dieser Hilfsstromrichter ist mit seinem Eingang am Ausgang O1 des Hauptstromrichters MC angeschlossen, und zwar vorzugsweise mittels einer Diode D1, die mit ihrer Anode am Ausgang O1 angeschlossen ist.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst der Hilfsstromrichter AC in bekannter Weise einen MOSFET-Transistor M1, dessen Drain an der Kathode der Diode D1 angeschlossen ist. Ein Induktor L1 ist zwischen der Source des Transistors M1 und dem Ausgang O2 geschaltet. Eine Diode D3 ist mit ihrer Kathode an der Source des Transistors M1 angeschlossen und mit ihrer Anode zur Erde geschaltet. Ein Ausgangskondensator C01 ist zwischen der Ausgangsklemme O2 und der Erde geschaltet.
  • Das Gate des Transistors M1 ist an einem weiteren Ausgang der elektronischen Steuereinheit ECU angeschlossen.
  • Der Eingang des Hilfsstromrichters AC ist vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise, durch eine weitere Diode D2 an der positiven Polklemme der Spannungsversorgung 1 angeschlossen. Insbesondere ist diese Diode mit ihrer Anode direkt an der positiven Polklemme der Versorgung 1 angeschlossen.
  • In einer „OR"-Anordnung ist der Eingang des Hilfsstromrichters AC durch die Dioden D1 und D2 tatsächlich am Ausgang O1 des Hauptstromrichters MC und an der Spannungsversorgung 1 angeschlossen. Der Zweck dieser Verbindung wird untenstehend erläutert.
  • Beim Betrieb liefert der Hilfsstromrichter AC unter der Kontrolle der Einheit ECU eine geregelte Gleichspannung von einem Wert, der geringer als jener der Versorgung 1 ist, beispielsweise eine Spannung von etwa 6V, zum Ausgang O2.
  • Der Gleichspannungswandler C der 1 hat zahlreiche Vorteile.
  • Erstens umfasst er einen einzigen Leistungstransistor, welcher der Transistor M des Hauptstromrichters MC ist. Der Transistor M1 des Hilfsstromrichters AC ist ein Niederleistungstransistor und kann in einer Weise hergestellt werden, bei der er im Regler ECU, der mit dem Stromrichter verbunden ist, integriert ist. Am Eingang des Hilfsstromrichters AC besteht stets eine mehr als ausreichende Spannung, und zwar sogar dann, wenn die von der Versorgung 1 zugeführte Spannung zum niedrigeren Ende ihres Variabilitätsbereichs hin abfällt.
  • Die Induktivität L des Hauptstromrichters MC besitzt auch eine filternde Wirkung, welche bei der Verringerung der elektromagnetischen Emissionen des Stromrichters C in ihrer Gesamtheit wirksam wird.
  • Der Stromrichter C weist auch all jene Vorteile auf, die mit der Verwendung eines Stromrichters von der Art eines „Spannungserhöhers" zusammenhängen, wie z.B. die Tatsache, dass der Istwert des Stroms im Induktor L sehr nahe am Mittelwert liegt, und die Tatsache, dass die Streuinduktivität nicht zu einer Abnahme der Leistungsfähigkeit führt.
  • Ist ein Gleichspannungswandler mit mehr als zwei Ausgängen erforderlich, so ist es möglich, den Ausgang des Hauptstromrichters MC an weiteren Hilfsstromrichtern anzuschließen, wie z.B. an dem bereits beschriebenen, oder den Induktor L des Hauptstromrichters mittels eines Magnetkerns magnetisch an einer sekundären Wicklung anzukoppeln, wobei eine Diode in Serie und ein Kondensator parallel zum Ausgang ist, um einen im Wesentlichen dem „Rücklauf“-Typ angehörigen Hilfsstromrichter herzustellen.
  • Die Dioden D1 und D2 ermöglichen die Durchführung einer sogenannten „Strom-Einrast"-Funktion, wobei möglich gemacht wird, dass eine Gleichspannung für eine gewisse Zeit, nachdem der Schalter 2 mittels des Schlüssels K geöffnet wurde, zum Ausgang O2 geliefert wird, beispielsweise um zu erlauben, dass der von diesem Ausgang zugeführte logische Steuerschaltkreis vorbestimmte Operationen oder Routineabläufe, die nach dem Auftreten des sogenannten „Key-off“-Zustands durchzuführen sind, zu einem Abschluss bringt.
  • Natürlich wird der Eingang des Hilfsstromrichters AC während des normalen Betriebs und folglich bei geschlossenem Schalter 2 vom Ausgang O1 des Hauptstromrichters MC versorgt, welcher bei einer Spannung liegt; die höher ist als jene, die von der Versorgung 1 zugeführt wird.
  • 2 zeigt einen weiteren Gleichspannungswandler C. In dieser Zeichnung wurden Teilen und Elementen, die bereits hinsichtlich 1 beschrieben wurden, wiederum dieselben alphanumerischen Bezugssymbole zugewiesen.
  • Der Stromrichter C umfasst gemäß 2 ebenfalls einen Hauptstromrichter und (zumindest) einen Hilfsstromrichter AC.
  • Der Hauptstromrichter MC ist im Wesentlichen mit jenem identisch, der bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde.
  • Der Hilfsstromrichter AC der 2 umfasst eine Wicklung L', die an der Wicklung L des Hauptstromrichters MC magnetisch angekoppelt ist, und zwar mittels eines gemeinsamen Kerns CC, auf dem diese beiden Wicklungen aufgewickelt sind. Die Wicklungen L und L' bilden zusammen einen Transformator.
  • Die Wicklung L' ist mit einer Polklemme zur Erde geschaltet und mit der anderen Polklemme an der Anode einer Diode D4 angeschlossen, welche über den Drain-Source-Pfad eines MOSFET-Transistors M1 am Ausgang O2 angeschlossen ist. Ein Ausgangskondensator C01 ist zwischen der Ausgangsklemme O2 und der Erde geschaltet.
  • Der Hilfsstromrichter AC ist im Wesentlichen ein Rücklaufstromrichter, bei dem das Vorhandensein des Transistors M1 die Regulierung der am Ausgang O2 zugeführten Gleichspannung ermöglicht. Zu diesem Zweck ist die Einheit ECU, welche beide Transistoren M und M1 antreibt, dazu eingerichtet, die Spannung im Ausgangskondensator C01 des Hilfsstromrichters zu überwachen und den Transistor M1 einzuschalten, wenn diese Spannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert fallt.
  • 3 der angeschlossenen Zeichnungen zeigt in beispielhafter Weise die Kurven einiger elektrischer Größen und Signale im in 2 gezeigten Stromrichter als Funktionen der Zeit t, und zwar aufgetragen auf der Abszisse.
  • Die obere grafische Darstellung der 3 zeigt die Kurve des in der Wicklung L des Hauptstromrichters MC fließenden Stroms IL als Resultat der Anlegung eines pulsbreitenmodulierten (PWM)-Signals am Gate des Transistors M, wobei in 3 ein Beispiel der Signalkurve mit A bezeichnet ist.
  • Die dritte grafische Darstellung der 3 zeigt in beispielhafter Weise die Kurve des Stroms IL, in der sekundären Wicklung L' des Hilfsstromrichters AC. Die Kurve dieses Stroms entspricht im Wesentlichen jener einer Abfolge von Impulsen.
  • Die vierte grafische Darstellung der 3 zeigt in qualitativer Weise die Kurve der Spannung im Ausgangskondensator C01 des Hilfsstromrichters AC, das heißt, der am Ausgang O2 zugeführten Spannung VO2.
  • Die in 3 gezeigten grafischen Darstellungen beziehen sich auf ein sogenanntes „Pulse-Skipping"-Verfahren zum Antreiben des Hilfsstromrichters AC, bei dem der Transistor M1 mittels eines Freigabesignals, das in den 2 und 3 mit B bezeichnet ist, durch die Einheit ECU aktiviert wird. Dieses Signal wird auf Basis der Kurve der Ausgangsspannung VO2 von der Einheit ECU produziert. Wie in 3 ersichtlich, macht die Einheit ECU den Transistor M1 durch das Signal B leitend, wenn die Spannung VO2 unter einen Schwellenwert fallt, und zwar solange, bis die Spannung VO2 über einen Schwellenwert zurückkehrt, welcher gleich wie der vorhergehende Wert sein kann oder sich von diesem durch eine Hysterese-Spanne unterscheiden kann. Um die mit den Störinduktivitäten der Wicklungen zusammenhängenden Probleme zu reduzieren, ist die Steuereinheit ECU vorteilhafterweise dazu eingerichtet, den Transistor M1 nur während einer Zeitperiode abzuschalten, in welcher der Transistor M des Hauptstromrichters MC leitend ist, so wie in den grafischen Darstellungen der 3 gezeigt.
  • Beim Stromrichter der 2 kann der elektronische Schalter M1 des Hilfsstromrichters AC möglicherweise auch im Regler ECU integriert sein.
  • Überdies können weitere Ausgangsspannungen durch „Vervielfältigung" des Hilfsstromrichters oder Bildung „multipler" Hilfsstromrichter verfügbar gemacht werden, wobei die Wicklungen der verschiedenen Hilfsstromrichter durch denselben Kern an der Wicklung des Hauptstromrichters angekoppelt sind.
  • 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromrichter, welcher einige Merkmale mit dem Stromichter C der 2 teilt. In 4 wurden bereits beschriebenen Teilen und Elementen wiederum dieselben alphanumerischen Bezugssymbole zugewiesen.
  • Beim Hilfsstromrichter AC der 4 und ebenso beim elektronischen Schalter M1, der an einer Polklemme der Wicklung L' angeschlossen ist, gibt es einen weiteren elektronischen Schalter (einen MOSFET-Transistor) M2, dessen Drain-Source-Pfad zwischen der anderen Polklemme der Wicklung L' und der positiven Polklemme der Spannungsversorgung 1 eingeschoben ist. Das Gate des Transistors M2 ist an einem entsprechenden Ausgang der Steuereinheit ECU angeschlossen.
  • Eine Diode D5 ist mit ihrer Anode zur Erde geschaltet und mit ihrer Kathode an der Wicklung L' angeschlossen. Die Steuereinheit ECU ist dazu eingerichtet, die Leitung im Transistor M2 in einer ersten Betriebsart bzw. in einer zweiten Betriebsart abzuschalten und einzuschalten.
  • Insbesondere die Einheit ECU ist dazu eingerichtet, den Transistor M2 bei geschlossenem Schalter 2 („key-on") abzuschalten. In diesem Zustand wirkt der Hilfsstromrichter AC der 4 in exakt derselben Weise wie der Hilfsstromrichter der 2.
  • Bei geöffnetem Schalter 2 („key-off“) bewirkt die Einheit ECU, dass der Transistor M1 leitend wird, so dass der Hilfsstromrichter AC am Ausgang O2 nach wie vor eine geregelte Gleichspannung zuführen kann, um zu erlauben, dass der Logik-Schaltkreis Operationen und Routineabläufe, die nach dem Auftreten des „key-off“-Zustands vorgesehen sind, zu einem Abschluss bringt.
  • Im „key-off“-Zustand kann die Einheit ECU den Transistor M2 des Hilfsstromrichters AC in einer solchen Weise antreiben, dass dieser Stromrichter im Wesentlichen als „Abwärts"- oder „Kompensations"-Stromrichter fungiert, wobei die Wicklung L' des Transformators als Induktor eingesetzt wird.
  • Kurz gesagt, der Transistor M2 ermöglicht, dass die „Strom-Einrast"-Funktion, welche beim Stromrichter der 1 durch die Dioden D1 und D2 möglich gemacht wurde, auch beim Stromrichter der 2 umgesetzt wird.
  • Beim Hilfsstromrichter AC der 4 kann die Diode D4 in einer gewöhnlichen Kathodenanordnung zwischen dem Transistor M2 und der Kathode der Diode D5 angeordnet sein.

Claims (5)

  1. Gleichspannungswandler (C) mit mehreren Ausgängen (O1, O2), insbesondere zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen, umfassend: einen Eingang (I) zum Anschluss an einer Gleichstromversorgung (1), wie z.B. einer Batterie, eine Hauptstromrichterschaltung (MC) von der Art eines Spannungserhöhers, welche am Eingang (I) angekoppelt ist, um an einem ersten Ausgang (O1) eine erste Spannung zuzuführen, welche höher ist als jene der Versorgung (I), und eine Hilfsstromrichterschaltung (AC), welche am Hauptstromrichter (MC) angekoppelt ist, um an einem zweiten Ausgang (O2) eine zweite geregelte Gleichspannung zuzuführen; wobei der Hauptstromrichter (MC) eine erste Wicklung (L) umfasst, die auf einem Kern (CC) aus magnetischem Material aufgewickelt ist und an der ein steuerbarer elektronischer Schalter (M) angeschlossen ist, und der dem Rücklauftyp angehörige Hilfsstromrichter (AC) eine zweite Wicklung (L') umfasst, die auf demselben Kern (CC) aufgewickelt ist wie die erste Wicklung (L); wobei der Gleichspannungswandler dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hilfsstromrichter (AC) einen mit der zweiten Wicklung (L') in Serie geschalteten, steuerbaren elektronischen Schalter (M1) umfasst, sowie einen zweiten steuerbaren elektronischen Schalter (M2), der zwischen der zweiten Wicklung (L') und der Spannungsversorgung (1) geschaltet ist, und dass eine Steuereinheit (ECU) dazu eingerichtet ist, den zweiten elektronischen Schalter (M2) in einer ersten Betriebsart bzw. in einer zweiten Betriebsart abzuschalten und einzuschalten.
  2. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Hauptstromrichter (MC) einen elektronischen Schalter (M) umfasst und die Steuereinheit (ECU) einen ersten, mit dem Steuereingang des Schalters (M) verbundenen Ausgang (A) und einen zweiten, mit dem Steuereingang des Schalters (M1) des Hilfsstromrichters (AC) verbundenen Ausgang (B) besitzt, wobei die Steuereinheit (ECU) dazu eingerichtet ist, den Schalter (M1) des Hilfsstromrichters (AC) nur dann abzuschalten, wenn der Schalter (M) des Hauptstromrichters (MC) leitend ist.
  3. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (ECU) dazu eingerichtet ist, den Schalter (M1) des Hilfsstromrichters (AC) leitend zu machen, wenn die Spannung am Ausgang (O2) jenes Stromrichters (AC) unter einem vorbestimmten Wert liegt.
  4. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Eingang des Hauptstromrichters (MC) durch einen Schalter (2) mit der Spannungsversorgung (1) verbunden werden kann und die Steuereinheit (ECU) dazu eingerichtet ist, die erste Betriebsart und die zweite Betriebsart auszuführen, wenn der Schalter (2) geschlossen bzw. der Schalter (2) offen ist.
  5. Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 4, wobei die Steuereinheit (ECU) in der zweiten Betriebsart dazu eingerichtet ist, den ersten Schalter (M1) des Hilfsstromrichters (AC) ständig eingeschaltet zu halten und den zweiten Schalter (M2) des Hilfsstromrichters (AC) solcherart zu steuern, dass der Stromrichter (AC) als Abwärts- oder Kompensationsstromrichter fungiert.
DE60013681T 1999-04-23 2000-04-18 Ein Gleichspannungswandler mit mehrere Ausgängen, insbesondere zum Betrieb in Fahrzeugen Expired - Lifetime DE60013681T2 (de)

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