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Dokumentenidentifikation DE60301054T2 13.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001468484
Titel MEHRZELLIGER GLEICHSPANNUNGSWANDLER MIT SCHUTZSCHALTERN
Anmelder Johnson Controls Automotive Electronics, Osny, FR
Erfinder GUILLARME, Nicolas, F-95630 MERIEL, FR;
CONDAMIN, Bruno, F-60500 CHANTILLY, FR
Vertreter Kutzenberger & Wolff, 50668 Köln
DE-Aktenzeichen 60301054
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 22.01.2003
EP-Aktenzeichen 037173481
WO-Anmeldetag 22.01.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/FR03/00209
WO-Veröffentlichungsnummer 0003063327
WO-Veröffentlichungsdatum 31.07.2003
EP-Offenlegungsdatum 20.10.2004
EP date of grant 20.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse H02M 3/158(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler (DC/DC) und findet insbesondere im Kraftfahrzeugbereich Anwendung. Ein solcher Wandler ist in dem Dokument US 627 958 B1 beschrieben.

Sie betrifft insbesondere einen mehrzelligen Gleichspannungswandler, d.h. der mehrere Zellen umfasst, die ebenso viele jeweilige Elementarwandler bilden, die zueinander parallel angeordnet sind. Insbesondere ist jede Zelle ein getakteter Gleichspannungswandler, der die Besonderheit aufweist, dass er nicht isoliert ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ein solcher getakteter Wandler ist eine vierpolige gesteuerte elektrische Vorrichtung, umfassend ein erstes Paar von positiven und negativen Ansschlussklemmen einerseits und ein zweites Paar von positiven und negativen Anschlussklemmen andererseits. Die erste und zweite negative Anschlussklemme sind durch einen ersten bestimmten Schaltungszweig miteinander verbunden. Ebenso sind die erste und die zweite positive Anschlussklemme durch einen zweiten bestimmten Schaltungszweig miteinander verbunden, der eine Induktanz aufweist, die einen Energiespeicher bildet. Der Wandler umfasst ferner Zerhackermittel, die mindestens einen gesteuerten Zerhacker-Unterbrecher umfassen, dessen Öffnen und Schließen durch eine Verwaltungseinheit in einem bestimmten zyklischen Verhältnis gesteuert werden.

Eine solche Schaltung ist in der Lage, einen kontinuierlichen oder gleichsam kontinuierlichen elektrischen Strom zwischen den beiden ersten positiven und negativen Anschlussklemmen nach einer bestimmten Spannung, Ausgangsspannung genannt, zu liefern, wenn eine bestimmte Spannung, Eingangsspannung genannt, zwischen den zweiten positiven und negativen Klemmen oder umgekehrt angelegt wird.

Der Wandler wird insofern als nicht isoliert bezeichnet, als er die ersten und zweiten Anschlusszweige umfasst, die die erste und zweite bzw. negative und positive Anschlussklemme miteinander verbinden. Ein solcher Wandler steht nämlich im Gegensatz zu einem Wandler mit Isolierung, bei dem das erste Anschlussklemmenpaar vom zweiten Anschlussklemmenpaar isoliert ist.

Um die Abmessung der den Wandler bildenden Bauteile zu verringern und gleichzeitig eine ausreichende Leistung zu liefern, um die verschiedenen Ausrüstungen zu versorgen, ist insbesondere aus dem Dokument US-A-6 275 958 bekannt, einen mehrzelligen Wandler herzustellen, umfassend eine Reihe von parallel geschalteten Zellen. Wenn eine Zelle schadhaft ist, ist aus diesem selben Dokument auch bekannt, die schadhafte Zelle mit Hilfe von zwei Schutzschaltern zu isolieren, die von MOS-Transistoren gebildet sind, wobei einer auf der Seite eines Hochspannungsnetzes und der andere auf der Seite eines Niederspannungsnetzes angeordnet sind.

Diese Transistoren funktionieren wie gesteuerte Schalter, die bei Normalbetrieb geschlossen sind und die geöffnet werden, wenn eine Fehlfunktion erfasst wird.

Daraus folgt, dass bei einer Normalfunktion die für die Schutzfunktion bestimmten Bauteile für einen statischen Leistungsverbrauch sorgen, der je nach Fall zwischen 0,5% und 2,0% des statischen Verbrauchs der gesamten Vorrichtung liegen kann.

Überdies zeigt sich das Vorhandensein dieser Bauteile in einer Vergrößerung der Größe der elektrischen Vorrichtung, einer Verlängerung und einer größeren Komplexheit des Herstellungsverfahrens und schließlich einer wesentlichen Erhöhung der Kosten der Vorrichtung.

GEGENSTAND DER ERFINDUNG

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mehrzelligen Gleichspannungswandler vorzuschlagen, der eine herabgesetzte Funktionsweise umfasst, bei der eine bestimmte Zelle unabhängig von den anderen Zellen neutralisiert werden kann, wenn es zu einer Fehlfunktion in dieser Zelle kommt, wobei der Verbrauch bei Normalbetrieb auf ein Minimum reduziert wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird ein Gleichspannungswandler vorgeschlagen, umfassend:

  • – eine erste positive Anschlussklemme und eine erste negative Anschlussklemme, die dazu bestimmt sind, mit zwei Anschlussklemmen eines elektrischen Hochspannungsnetzes verbunden zu werden;
  • – eine zweite positive Anschlussklemme und eine zweite negative Anschlussklemme, die dazu bestimmt sind, mit zwei Anschlussklemmen eines elektrischen Niederspannungsnetzes verbunden zu werden;
  • – n parallel geschaltete Zellen, wobei n eine ganze Zahl, die unbedingt größer als Eins ist, ist, die zwischen der ersten positiven Anschlussklemme und der ersten negativen Anschlussklemme einerseits und der zweiten positiven Anschlussklemme und der zweiten negativen Anschlussklemme andererseits angeordnet sind und je einen getakteten DC/DC-Wandler aufweisen, mit einem ersten Schaltungszweig, der die erste negative Anschlussklemme und die zweite negative Anschlussklemme verbindet, und einem zweiten Schaltungszweig, der eine Induktanz aufweist und die erste positive Anschlussklemme und die zweite positive Anschlussklemme verbindet, mit Zerhackermitteln, die mindestens einen Zerhacker-Unterbrecher aufweisen, und mit einer Verwaltungseinheit, die ausgelegt ist, um das Öffnen und das Schließen des Zerhacker-Unterbrechers gemäß einem bestimmten zyklischen Verhältnis zu steuern, wobei die Zelle ferner einen einzigen Schutztransistor aufweist, der im zweiten Schaltungszweig angeordnet und einer Schutzverwaltungseinheit zugeordnet ist, um die Zelle unabhängig von den anderen Zellen zu neutralisieren.

Im Gegensatz zu dem Vorschlag aus dem Dokument US-A-6 275 958 reicht ein einziger Schutztransistor aus, um eine Isolierung der entsprechenden Zelle zu ermöglichen, und die Inbetriebnahme der Zelle wird erzielt, wobei dieser einzige Transistor versorgt wird, um ihn in geschlossener Position zu halten, so dass der Verbrauch verringert ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung ist der einzige Schutztransistor jeder Zelle in einem Hochspannungsbereich des Wandlers befestigt. Auf Grund der Hochspannung ist der Strom zur Aufrechterhaltung der geschlossenen Position geringer, so dass der Verbrauch weiter verringert wird.

Unter geschlossenem Schalter ist ein Schalter zu verstehen, der sich in einem derartigen Zustand befindet, dass er für den in dem diesen Schalter enthaltenden Schaltungszweig zirkulierenden Strom durchgängig ist. Umgekehrt ist bei einem offenen Schalter eine Stromstärke gleich Null in dem Schaltungszweig, dem er angehört, erforderlich. Falls der Schalter mit Hilfe eines Transistors, der eine Strukturdiode umfasst, verwirklicht ist, fordert der offene Zustand dieses Schalters eine Stromstärke gleich Null, wenn die Spannung an den Anschlussklemmen des Schalters ferner die Feststellung der Strukturdiode hervorruft, d.h. wenn das elektrische Potenzial der Kathode dieser Diode größer als das elektrische Potenzial der Anode dieser Diode ist.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung in Verbindung mit einem einzigen Transistor pro Zelle, der in einem Hochspannungsbereich des Wandlers befestigt ist, umfasst der Wandler ferner einen Schutztransistor, der allen Zellen gemein und einem Niederspannungsbereich des Wandlers zugeordnet ist. So ist bei einer sehr geringen Erhöhung des statischen Verbrauchs des Wandlers dieser gegen eine Polaritätsumkehr in dem Niederspannungsnetz geschützt, insbesondere bei einer umgekehrten Montage einer Niederspannungsbatterie.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN

Weitere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen hervor, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen beziehen, wobei:

1 ein elektrisches Schema einer Ausführungsart eines spannungserniedrigenden Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;

2 die Anordnung einer Kontroll- und Erfassungsvorrichtung einer Fehlfunktion darstellt, die mit dem Wandler der 1 verbunden sind;

3 ein elektrisches Schema einer Ausführungsart eines spannungserhöhenden Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;

4 ein elektrisches Schema einer ersten Ausführungsart eines spannungserniedrigenden/-erhöhenden Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;

5 die Anordnung einer Kontroll- und Erfassungsvorrichtung einer Fehlfunktion darstellt, die mit dem Wandler der 4 verbunden sind;

6 ein elektrisches Schema einer zweiten Ausführungsart eines spannungserniedrigenden/-erhöhenden Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;

7 die Anordnung einer Kontroll- und Erfassungsvorrichtung einer Fehlfunktion darstellt, die mit dem Wandler der 6 verbunden ist;

8 ein elektrisches Schema einer Vorrichtung ist, die einen gemeinsamen Schutz auf der Niederspannungsseite umfasst.

DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In diesen Figuren bezeichnen die Buchstaben D und S, um die Ausrichtung der verwendeten Transistoren gut anzuzeigen, den Drain bzw. die Quelle jedes Transistors, gemäß der in der Beschreibung für diesen Transistor angeführten Ausrichtung.

Nach dem Schema der 1 ist ein Gleichstrom- und Hochspannungsnetz an einen spannungserniedrigenden Wandler durch die positive Anschlussklemme 1 und die negative Anschlussklemme 2 angeschlossen. Die Spannung zwischen den Anschlussklemmen 1 und 2 beträgt beispielsweise ungefähr 42 Volt. Ein Gleichstrom- und Niederspannungsnetz ist an den Anschlussklemmen 3 und 4 angeschlossen, wobei die Klemme 3 positiv und die Klemme 4 negativ ist, und die Spannung zwischen diesen beiden Klemmen beispielsweise ungefähr 14 Volt beträgt.

In dem in 1 dargestellten Beispiel sind sechs getaktete Elementarwandler 100, 200, ...., 600, vom Typ spannungserniedrigender Wandler, die zueinander identisch sind, parallel zwischen einerseits den Anschlussklemmen 1 und 2 und andererseits den Anschlussklemmen 3 und 4 angeordnet. Die Anschlussklemmen 2 und 4 sind direkt miteinander verbunden.

In jedem dieser Elementarwandler 100, 200, ...., 600 verbindet ein Kondensator 16, 26, ...., 66 mit beispielsweise 30 Mikrofarad die Anschlussklemmen 1 und 2, um auf der Seite des Netzes mit 42 Volt die elektrischen Ladungen, die von diesem Elementarwandler 100, 200, ...., 600 übertragen werden, zu speichern. Ebenso verbindet in jedem Elementarwandler 100, 200, ...., 600 ein weiterer Kondensator 17, 27, ...., 67 mit beispielsweise ebenfalls 30 Mikrofarad die Anschlussklemmen 3 und 4, um auf der Seite des Netzes mit 14 Volt die von diesem Elementarwandler 100, 200, .... 600 übertragenen elektrischen Ladungen zu speichern. Jedes der beiden Netze mit 42 Volt und 14 Volt verbraucht bei seinem Betrieb teilweise die elektrischen Ladungen der jeweiligen Kondensatoreinheiten 16, 26, .... 66 und 17, 27, .... 67.

In jedem Elementarwandler 100, 200, .... 600 sind die Anschlussklemmen 1 und 3 miteinander durch einen Zweig verbunden, der die folgenden, in Serie montierten Bauteile in der folgenden Reihenfolge von Klemme 1 bis zu Klemme 3 umfasst:

  • – einen spannungserniedrigenden Transistor 11, 21, .... 61, beispielsweise MOS-FET mit Kanal n (N-MOS), der mit seinem Drain an die Klemme 1 angeschlossen ist. Ein solcher Transistor umfasst eine Strukturdiode 18, 28, ... 68, die parallel mit dem Schalter angeordnet ist, der von dem spannungserniedrigenden Transistor 11, 21, ... 61 angeordnet und in die von der Klemme 3 zur Klemme 1 gehende Richtung ausgerichtet ist,
  • – eine Induktanz 14, 24, ... 64 mit beispielsweise 12 Mikrohenry und einem Widerstand von 6 Milliohm, die an die Quelle des spannungserniedrigenden Transistors 11, 21, .... 61 durch einen Knoten N1, N2, .... N6 angeschlossen ist,
  • – einen einzigen Schutztransistor 13, 23, .... 63 für jede Zelle, beispielsweise ebenfalls MOS-FET mit Kanal n (N-MOS). Dieser Transistor 13, 23, .... 63 ist mit seinem Drain an die Induktanz 14, 24, .... 64 angeschlossen. Auf dieselbe Weise wie für den spannungserniedrigenden Transistor 11, 21, .... 61 umfasst dieser Schutztransistor 13, 23, .... 63 eine Strukturdiode 20, 30, ... 70, die parallel zu diesem Transistor 13, 23, ... 63 angeordnet und in die von der Klemme 3 zur Klemme 1 gehende Richtung ausgerichtet ist;
  • – einen Widerstand 15, 25, .... 65 von beispielsweise 2 Milliohm, der mit der Quelle des Transistors 13, 23, .... 63 und der Anschlussklemme 3 verbunden ist.

Im Falle eines plötzlichen Kurzschlusses zwischen der Quelle und dem Drain des spannungserniedrigenden Transistors 11, 21, ... 61 verhindert die Äquivalenzdiode 20, 30, .... 70 des Schutztransistors 13, 23, .... 63 die Zirkulation eines ungewollten Stroms von der Klemme 1 zu der Klemme 3, wenn dieser Schutztransistor 13, 23, .... 63 nun derart gesteuert wird, dass er geöffnet wird. Ein solcher ungewollter Strom würde nämlich die Entladung der Hochspannungsschaltung in die Niederspannungsschaltung hervorrufen.

Jeder spannungserniedrigende Elementarwandler 100, 200, ... 600 umfasst ferner eine Diode 12a, 22a, ... 62a, die mit ihrer Kathode an den Knoten N1, N2, .... N6 und mit ihrer Anode an die Klemmen 2 und 4 angeschlossen ist.

Jeder der so gebildeten spannungserniedrigenden Elementarwandler 100, 200, .... 600 kann annähernd eine Leistung von 250 Watt vom Netz mit 42 Volt zum Netz mit 14 Volt übertragen.

2 stellt die Kontrollarchitektur des Elementarwandlers 100 der 1 dar. Er umfasst eine Kontrollvorrichtung C1, die an ihren Eingängen die Hochspannung über die Drähte 101 und 102, die an die Klemmen 1 bzw. 2 angeschlossen sind, die Niederspannung über den Draht 103, der an die Klemme 3 angeschlossen ist, und die Spannung an den Klemmen des Widerstands 15 durch die Drähte 150 und 151 empfängt. Nach einer Steuerungsart mit Impulsbreitenmodulation, die dem Fachmann bekannt ist, steuert die Kontrollvorrichtung C1 den spannungserniedrigenden Transistor 11 durch Öffnungs- und Schließsignale, die von dem Draht 110 auf seine Gate-Elektrode mit einer bestimmten periodischen Impulsabfolge übertragen wird, die beispielsweise einer Frequenz von 70 Kilohertz entspricht.

Eine Kontrollvorrichtung analog zur Kontrollvorrichtung C1 ist auf dieselbe Weise in jedem der fünf anderen Elementarwandler 200, ... 600 angeordnet, um eine identische Funktion gegenüber jeder dieser Schaltungen zu erfüllen. Vorzugsweise entsenden die sechs Kontrollvorrichtungen jeweilige Impulse nach derselben periodischen Impulsabfolge und werden in einer bestimmten zyklischen Reihenfolge betrachtet, so dass Impulse von zwei in der erwähnten Reihenfolge aufeinander folgenden Elementarwandlern um eine Frist gleich einem Sechstel der Periode der Steuerimpulse jedes Elementarwandlers versetzt sind.

Für den Elementarwandler 100 empfängt ein Detektor D1 an zwei seiner Eingänge die Spannung zwischen dem Drain und der Quelle des spannungserniedrigenden Transistors 11 durch die beiden Drähte 111 und 112. Während des Normalbetriebs des Elementarwandlers 100 überträgt der Detektor D1 ein Signal an eine Schutzverwaltungseinheit P, so dass letztere über den Draht 130 eine gewisse Spannung an die Gate-Elektrode des Schutztransistors 13 anlegt, beispielsweise eine Spannung zwischen 5 und 10 Volt in Bezug auf die Quelle dieses Schutztransistors, um den Schutztransistor 13 in einem geschlossenen oder durchgängigen Zustand zu halten.

Wenn der Detektor D1 eine Fehlfunktion des spannungserniedrigenden Transistors 11 identifiziert, insbesondere einen Kurzschluss zwischen dem Drain und der Quelle dieses spannungserniedrigenden Transistors 11, unterbricht der Detektor D1 die an die Gate-Elektrode des Schutztransistors 13 durch den Draht 130 angelegte Spannung, um die Schaltung zwischen dem Drain und der Quelle dieses Schutztransistors 13 zu öffnen. Diese Öffnung der Schaltung kann durch einen nicht dargestellten Polarisierungswiderstand von beispielsweise 10 Kiloohm erhalten werden, der die Gate-Elektrode und die Quelle des Schutztransistors 13 verbindet. So wird die Gesamtheit des Elementarwandlers 100 neutralisiert. Ferner kann ein möglicher Entladestrom des Netzes mit 42 Volt zum Netz mit 14 Volt durch den Elementarwandler 100 nicht von der Anschlussklemme 1 zu der Anschlussklemme 3 zirkulieren.

Die anderen Elementarwandler 200, ... 600 umfassen auch jeweils einen Detektor D2, .... D6, der mit dem Detektor D1 identisch und auf analoge Weise mit der Schutzverwaltungseinheit P verbunden ist. Letztere ist auch über Drähte 230, ... 630 mit den jeweiligen spannungserniedrigenden Transistoren 23, ... 63 der Elementarwandler 200, ... 600 verbunden, um einen identischen individuellen Schutzmechanismus für alle Elementarwandler 100, 200, .... 600 bereitzustellen.

Da jeder Elementarwandler 100, 200, .... 600 parallel mit den anderen Elementarwandlern angeordnet ist, unterbricht die Einstellung des Betriebs eines von ihnen nicht die Funktion der anderen. Eine Funktion des Globalwandlers wird somit mit Hilfe der noch betriebsfähigen Elementarwandler weitergeführt. Diese Funktionsweiterführung ist dank der parallelen Anordnung der Elementarwandler möglich, wie auch durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Schutzschalters in jedem Elementarwandler.

Die Steuerungsart der Gesamtheit der Elementarwandler 100, 200, .... 600 durch ihre jeweiligen Kontrollvorrichtungen kann eventuell durch eine nicht dargestellte übergeordnete Kontrollvorrichtung angepasst werden, die mit den sechs Kontrollvorrichtungen und den sechs Detektoren verbunden ist, um die Neutralisierung eines der Elementarwandler zu berücksichtigen. Dies ermöglicht es unter diesen Umständen, die Funktion des Globalwandlers trotz der Einstellung des Betriebs eines der Elementarwandler zu optimieren.

Wenn beispielsweise ein Elementarwandler 100, 200, ... 600 neutralisiert wird, steuert die übergeordnete Kontrollvorrichtung die Kontrollvorrichtungen der fünf anderen Elementarwandler 100, 200, ... 600, die noch betriebsfähig sind, derart, dass die von zwei aufeinander folgenden Elementarwandlern kommenden Impulse um eine Frist gleich einem Fünftel der gemeinsamen Periode der Steuerimpulse jedes Elementarwandlers sind. Die auf diese Weise erhaltende herabgesetzte Funktion für den Globalwandler nach der Neutralisierung eines der Elementarwandler entspricht einer Verringerung der Menge der maximalen elektrischen Ladung oder auch der maximalen elektrischen Leistung, die zwischen dem Hochspannungsnetz und dem Niederspannungsnetz übertragen werden kann.

3 entspricht einer Ausführungsart der Erfindung, die in einem spannungserhöhenden Wandler besteht. Diese Ausführungsart übernimmt die Architektur und einen Teil der Bauteile der vorhergehenden Ausführungsart. Die detaillierte Beschreibung wird nicht zur Gänze wiederholt, und alle Bauteile und Bezugszeichen, die nicht nochmals angeführt sind, sind mit den bei der vorhergehenden Ausführungsart dargestellten identisch.

Bei dieser Ausführungsart ist der einzige Schutztransistor 13, 23, .... 63 im Hochspannungsbereich der Zelle montiert.

Jeder Elementarwandler 100, 200, .... 600 ist nun ein spannungserhöhender Wandler, umfassend:

  • – einen Transistor 13, 23, .... 63, beispielsweise MOS-FET mit Kanal n (N-MOS), der die Funktion eines Schutzschalter erfüllt und mit seinem Drain an die Klemme 1 angeschlossen ist. Er umfasst eine Strukturdiode 20, 30, ... 70, die parallel zum Schutztransistor 13, 23, ... 63 angeordnet und in die zur Klemme 1 gehende Richtung ausgerichtet ist. Seine Quelle ist überdies mit dem Kondensator 16, 26, ... 66 verbunden;
  • – eine Diode 11a, 21a, ... 61a, die mit ihrer Kathode an die Quelle des Schutztransistors 13, 23, ... 63 angeschlossen ist;
  • – eine Induktanz 14, 24, ... 64 mit beispielsweise 12 Mikrohenry und einem Widerstand von 6 Milliohm, die an die Anode der Diode 11a, 21a, .... 61a durch einen Knoten N1, N2, ... N6 angeschlossen ist,
  • – einen Widerstand 15, 25, .... 65 von beispielsweise 2 Milliohm, der an die Induktanz 14, 24, .... 64 und an die Klemme 3 angeschlossen ist.

An Ort und Stelle der Dioden 12a, 22a, ... 62a umfasst jeder Elementarwandler 100, 200, .... 600 einen spannungserhöhenden Transistor 12, 22, .... 62. Dieser spannungserhöhende Transistor 12, 22, ... 62, beispielsweise wieder MOS-FET mit Kanal n (N-MOS), ist mit seinem Drain an den Knoten N1, N2, ... N6 und mit seiner Quelle an die Klemmen 2 und 4 angeschlossen. Dieser spannungserhöhende Transistor 12, 22, .... 62 umfasst auch eine Strukturdiode 19, 29, .... 69, die parallel angeordnet und in die zum Knoten N1, N2, ... N6 gehende Richtung ausgerichtet ist.

Die Funktionsweise eines solchen spannungserhöhenden Transistors ist dem Fachmann bekannt und verwendet eine Steuerungsart der spannungserhöhenden Transistoren 12, 22, .... 62 ähnlich jener, die bei der vorhergehenden Ausführungsart für die spannungserniedrigenden Transistoren verwendet wurde. Jeder der so gebildeten spannungserhöhenden Elementarwandler 100, 200, .... 600 kann annähernd eine Leistung von 250 Watt vom Netz mit 14 Volt auf das Netz mit 42 Volt übertragen.

Vorzugsweise sind für einen spannungserhöhenden Wandler entsprechend 3 Detektoren für eine Fehlfunktion D1, D2, ... D6 jeweils mit zwei Eingängen mit dem Drain und der Quelle des spannungserhöhenden Transistors 12, 22, ... 62 des Elementarwandlers, dem er zugeordnet ist, verbunden. Diese Fehlfunktionsdetektoren D1, D2, ... D6 sind auf dieselbe Weise wie vorher an der Öffnung des Schutztransistors 13, 23, .... 63 des Elementarwandlers, in dem eine Fehlfunktion erfasst wurde, beteiligt.

Dieselben Vorteile und Verbesserungen, wie die im Fall eines spannungserniedrigenden Wandlers, können auf identische Weise für den vorliegenden Fall eines spannungserhöhenden Wandlers übernommen werden.

4 entspricht einem Wandler, der sich aus umkehrbaren Elementarwandlern 100, 200, .... 600 zusammensetzt. Jeder dieser umkehrbaren Elementarwandler 100, 200, .... 600 übernimmt die Bauteile der spannungserniedrigenden oder -erhöhenden getakteten Wandler, die bereits dargestellt wurden und auf analoge Weise angeordnet sind.

Die detaillierte Beschreibung dieser Bauteile wird hier nicht wiederholt.

Jeder umkehrbare Elementarwandler 100, 200, .... 600 umfasst einen spannungserniedrigenden Transistor 11, 21, ... 61 und einen spannungserhöhenden Transistor 12, 22, ... 62 an Ort und Stelle der Dioden 11a, 21a, .... 61a bzw. 12a, 22a, .... 62a.

Der spannungserniedrigende Transistor 11, 21, ... 61, beispielsweise MOS-FET mit Kanal n (N-MOS) ist mit seinem Drain an die Klemme 1 und mit seiner Quelle an den Knoten N1, N2, ... N6 angeschlossen. Seine Strukturdiode 18, 28, ... 68, die parallel zu diesem spannungserniedrigenden Transistor 11, 21, ... 61 angeordnet ist, ist in die von der Klemme 3 zur Klemme 1 gehende Richtung ausgerichtet.

Der spannungserhöhende Transistor 12, 22, ... 62, beispielsweise auch MOS-FET mit Kanal n (N-MOS) ist mit seinem Drain an den Knoten N1, N2, ... N6 und mit seiner Quelle an die Klemmen 2 und 4 angeschlossen. Seine Strukturdiode 19, 29, ... 69, die parallel angeordnet ist, ist in die in Richtung des Knotens N1, N2, ... N6 gehende Richtung ausgerichtet.

Wie in 5 für den umkehrbaren Elementarwandler 100 dargestellt, besitzt die Kontrollvorrichtung C1 zwei Ausgänge 110 und 120, die mit der Gate-Elektrode des spannungserniedrigenden Transistors 11, 21, ... 61 bzw. jener des spannungserhöhenden Transistors 12, 22, .... 62 dieses Elementarwandlers 100 verbunden sind. Er besitzt auch zwei Eingänge, die durch die Drähte 150 und 151 mit den beiden Anschlussklemmen des Shunt-Widerstands 15 verbunden sind.

Nach einer dem Fachmann bekannten Steuerungsart steuert die Kontrollvorrichtung C1 bei einer spannungserniedrigenden Funktionsweise die Gate-Elektrode des spannungserniedrigenden Transistors 11, 21, .... 61 derart, dass diese alternativ in Abhängigkeit vom Wert des im Shunt-Widerstand 15 gemessenen Stroms geöffnet oder geschlossen wird. Sie steuert gleichzeitig die Gate-Elektrode des spannungserhöhenden Transistors 12, 22, .... 62 derart, dass dieser zumindest während der Zeitabschnitte, während derer der spannungserniedrigende Transistor 11, 21, ... 61 geschlossen ist, offen ist.

Auf symmetrische Weise steuert die Kontrollvorrichtung C1 bei einer spannungserhöhenden Funktionsweise die Gate-Elektrode des spannungserhöhenden Transistors 12, 22, ... 62 derart, dass dieser alternativ in Abhängigkeit vom Wert des im Shunt-Widerstand 15 gemessenen Stroms geöffnet oder geschlossen wird. Sie steuert nun gleichzeitig die Gate-Elektrode des spannungserniedrigenden Transistors 11, 21, ... 61 derart, dass dieser zumindest während der Zeitabschnitte, während derer der spannungserhöhende Transistor 12, 22, .... 62 geschlossen ist, offen ist.

Auf dieselbe Weise umfasst jeder umkehrbare Elementarwandler 100, 200, ... 600 ein Steuerungssystem für die spannungserniedrigenden 11, 21, ... 61 und spannungserhöhenden Transistoren 12, 22, .... 62, die er umfasst, das mit jenem des umkehrbaren Elementarwandlers 100 identisch ist. Die Synchronisierung der Steuerungen aller umkehrbaren Elementarwandler ist identisch mit jener der spannungserniedrigenden oder spannungserhöhenden Wandler, die bereits bei den vorhergehenden Ausführungsarten beschrieben wurde.

Nach 4 ist der Schutztransistor 13, 23, ... 63 jedes umkehrbaren Elementarwandlers 100, 200, .... 600 zwischen der Induktanz 14, 24, .... 64 und dem Shunt-Widerstand 15, 25, ... 65 angeordnet, wobei sein Drain an die Induktanz, seine Quelle an den Widerstand angeschlossen und seine Strukturdiode 20 von der Klemme 3 zur Klemme 1 ausgerichtet ist. Diese so angeordneten Schutztransistoren 13, 23, ... 63 werden von der Schutzverwaltungseinheit P (siehe 5) gesteuert, die ihrerseits an die Fehlfunktionsdetektoren D1, D2, ... D6 angeschlossen ist. Diese Detektoren D1, D2, .... D6 sind jeweils an die Quelle und den Drain der spannungserniedrigenden Transistoren 11, 21, ... 61 jedes Elementarwandlers 100, 200, .... 600 angeschlossen. Der erzielte Schutz ist nun identisch mit jenem der ersten Ausführungsart entsprechend den 1 und 2.

Dieselben Vorteile und Verbesserungen wie die im Falle eines spannungserniedrigenden Wandlers gelten auch für den vorliegenden Fall eines umkehrbaren Wandlers.

Die 6 und 7, die einander zugeordnet sind, entsprechen einem umkehrbaren Wandler mit identischer Struktur wie jene des in den 4 und 5 dargestellten umkehrbaren Wandlers. Bei dieser neuen Ausführungsart der Erfindung ist der Schutztransistor 13, 23, ... 63 jedes umkehrbaren Elementarwandlers 100, 200, ... 600 zwischen der Klemme 1 und dem spannungsabsenkenden Transistor 11, 21, ... 61 angeordnet. Sein Drain ist an die Klemme 1 angeschlossen, und sine Quelle an einen Zwischenknoten zwischen dem Drain des spannungserniedrigenden Transistors 11, 21, ... 61 und dem Kondensator 16, 26, ... 66. Die Strukturdiode 20, 30, ... 70 des Schutztransistors 13, 23, .... 63 ist ebenfalls in Richtung zur Klemme 1 ausgerichtet.

Diese Position des Schutztransistors 13, 23, ... 63 wird gegenüber einer Position, die sich zwischen dem spannungserniedrigenden Transistor 11, 21, ... 61 und einem Anschlussknoten des Kondensators 16, 26, ... 66 an der Klemme 1 befindet, bevorzugt. Der Strom, der in der Schleife, die vom Kondensator 16, 26, ... 66, dem spannungserniedrigenden Transistor 11, 21, ... 61 und dem spannungserhöhenden Transistor 12, 22, ... 62 gebildet ist, zirkuliert, ist nämlich ein zackiger Strom mit starken Schwankungen. Es ist besonders vorteilhaft, die physische Dimension dieser Schleife zu verringern, um die auf Grund einer möglichen Auto-Störinduktanz dieser Schleife oder durch eine mögliche von dieser Schleife entsandte Strahlung hervorgerufenen Störungen zu verringern.

Der Detektor D1 empfängt ebenfalls an seinen beiden Eingängen die Spannung zwischen dem Drain und der Quelle des spannungserniedrigenden Transistors 11 über die beiden Drähte 111 und 112. Eine identische Anordnung dieser Bauteile ist für jeden der umkehrbaren Elementarwandler 100, 200, ... 600 übernommen.

Die Funktion des umkehrbaren Globalwandlers nach dieser Ausführungsart sowie die Funktion seines Schutzsystems sind identisch mit jenen entsprechend den 4 und 5. Auf dieselbe Weise ermöglicht es der jedem spannungserniedrigenden Transistor 11, 21, ... 61 zugeordnete Detektor, den Elementarwandler 100, 200, ... 600, dem er zugeordnet ist, im Falle eines im Bereich dieses spannungserniedrigenden Transistors auftretenden Kurzschlusses zu neutralisieren. Dieselben Verbesserungen können auch mit dieser Ausführungsart kombiniert werden.

8 stellt eine Vorrichtung dar, die ferner mit einem allen Zellen gemeinsamen Schutztransistor niederspannungsseitig versehen ist.

In dieser Figur sind die Zellen 100, ... 600 nur in einer durchgezogenen Linie dargestellt, da die individuelle Struktur der Zellen eine beliebige von den oben beschriebenen sein kann, wobei ein einziger Schutztransistor jeder Zelle hochspannungsseitig vorgesehen ist.

Nach dem Schema der 8 umfasst ein Hochspannungs-Gleichstromnetz, das beispielsweise eine Spannung von ungefähr 42 Volt zwischen Klemmen H1 und H2 aufweist, eine Batterie HR, die zwischen diesen Klemmen angeordnet ist, wobei H1 eine positive Klemme und H2 eine negative Klemme ist.

Ein Niederspannungs-Gleichstromnetz mit beispielsweise ungefähr 14 Volt zwischen zwei Klemmen B3 und B4 dieses Netzes B umfasst eine Batterie BR. Die Batterie BR ist zwischen den Klemmen B3 und B4 angeschlossen, wobei B3 eine positive Klemme und B4 eine negative Klemme ist.

Das Niederspannungsnetz ist über einen Filter 800 an die Zellen 100, ... 600 angeschlossen. Der Filter 800 ist mit den Klemmen 3 und 4 verbunden, die den Zellen 100, ... 600 gemein sind. Die Ausführung des Filters 800, der dem Fachmann bekannt ist, ist hier nicht im Detail beschrieben.

Überdies ist das Hochspannungsnetz auch an die Zellen mit Hilfe eines weiteren Filters 700 angeschlossen, der mit den Klemmen 1 und 2 einerseits und den Klemmen H1, H2 des Hochspannungsnetzes, zwischen denen eine Hochspannungsbatterie HR angeschlossen ist, andererseits verbunden ist.

Ein Schutztransistor 801, ebenfalls mit Feldeffekt vom Typ Metalloxid-Halbleiter (MOS-FET) mit Kanal n (N-MOS) ist zwischen dem Filter 800 und der Klemme B3 angeordnet. Der Drain dieses Schutztransistors 801 ist mit dem Filter 800 verbunden, während seine Quelle mit der Klemme B3 verbunden ist.

Eine Steuereinheit CS besitzt einen Ausgang, der mit der Gate-Elektrode des Schutztransistors 801 verbunden ist, und einen Eingang, der mit einem Ausgang eines Detektors D verbunden ist. Dieser Detektor D ist überdies mit den Klemmen B3 und B4 verbunden.

Bei Normalbetrieb erfasst der Detektor D eine Spannung von ungefähr 14 Volt zwischen den Klemmen B3 und B4. Die Steuereinheit CS steuert nun das Schließen des Sicherheitstransistors 801 durch Anlegen einer positiven Spannung an seine Gate-Elektrode von ungefähr 5 bis 10 Volt beispielsweise in Bezug auf seine Quelle.

Wenn der Detektor D abnormale Werte der Spannungen B3 und B4, beispielsweise eine Polaritätsumkehr, entdeckt, unterbricht die Steuerschaltung CS die an die Gate-Elektrode des Schutztransistors 801 angelegte positive Spannung. Ein Widerstand 802 von beispielsweise 10 Kiloohm, der zwischen der Gate-Elektrode und der Quelle des Schutztransistors 801 angeordnet ist, sichert nun das Öffnen dieses Transistors. Bei einem Kurzschluss oder einer Polaritätsumkehr zwischen den Klemmen B3 und B4 der Niederdruckschaltung B werden somit die Niederdruckschaltung und der Wandler voneinander isoliert.

Der Schutztransistor 801, besitzt, wenn er mit Feldeffekt vom Typ Metalloxid-Halbleiter mit Kanal n (N-MOS) ist, eine äußere Strukturdiode 803, die parallel zwischen dem Drain und der Quelle dieses Transistors angeordnet ist. Diese Strukturdiode 803 ist in die von der Quelle zum Drain des Transistors 801 gehende Richtung durchgängig, mit einer Schwellenspannung von ungefähr 0,9 Volt bis 1,3 Volt. Der Schutztransistor 801 ist derart ausgerichtet, dass die Strukturdiode 803 in Richtung des Filters 800 durchgängig ist.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsart beschränkt, und es können Ausführungsvarianten vorgenommen werden, ohne über den Erfindungsrahmen, wie durch die Ansprüche definiert, hinauszugehen.

Obwohl die Erfindung nach einer bevorzugten Ausführungsart beschrieben wurde, die darin besteht, den einzigen Schutztransistor jeder Zelle auf der Hochspannungsseite und den gemeinsamen Schalter auf der Niederspannungsseite anzuordnen, wodurch es möglich ist, eine Zelle zu isolieren und den Wandler vor einer niederspannungsseitigen Polaritätsumkehr bei einem minimalen statischen Verbrauch zu schützen, können insbesondere die Schutztransistoren in jeder Zelle auf der Niederspannungsseite und der gemeinsame Schalter auf der Hochspannungsseite angeordnet werden. Auf Kosten einer leichten Erhöhung des statischen Verbrauchs ist es dadurch möglich, eine Ladungsübertragung von der Niederspannungsbatterie zur Hochspannungsbatterie zu verhindern, wenn die Hochspannungsbatterie entladen wird.

Bei den beschriebenen alternativen Ausführungsarten können die Transistoren vom Typ N-MOS durch gleichartige Transistoren vom Typ P-MOS ersetzt werden. Sie können auch durch Transistoren mit bipolarer Technologie ersetzt werden, ohne dass sich die Funktion und der allgemeine Betrieb der Montage ändern. Der Schutztransistor, der allen Zellen gemein ist, kann auch durch einen durch ein elektromagnetisches Relais gesteuerten Schalter ersetzt werden.

Obwohl der den verschiedenen Zellen auf der Niederspannungsseite gemeinsame Schutztransistor 801 in den Wandler integriert dargestellt wurde, kann er zu diesem versetzt angeordnet sein.

Umgekehrt kann die Steuereinheit CS des Transistors 801, obwohl sie getrennt von der Schutzverwaltungseinheit P dargestellt wurde, in diese eingebaut sein.


Anspruch[de]
  1. Gleichspannungswandler, der aufweist:

    – eine erste positive Anschlussklemme (1) und eine erste negative Anschlussklemme (2), die dazu bestimmt sind, mit zwei Anschlussklemmen eines elektrischen Hochspannungsnetzes verbunden zu werden;

    – eine zweite positive Anschlussklemme (3) und eine zweite negative Anschlussklemme (4), die dazu bestimmt sind, mit zwei Anschlussklemmen eines elektrischen Niederspannungsnetzes verbunden zu werden;

    – n parallelgeschaltete Zellen (100, 200, ..., 600), wobei n eine ganze Zahl, die unbedingt größer als Eins ist, ist, die zwischen der ersten positiven Anschlussklemme (1) und der ersten negativen Anschlussklemme (2) einerseits und der zweiten positiven Anschlussklemme (3) und der zweiten negativen Anschlussklemme (4) andererseits angeordnet sind und je einen getakteten DC/DC-Wandler aufweisen, mit einem ersten Schaltungszweig, der die erste negative Anschlussklemme (2) und die zweite negative Anschlussklemme (4) verbindet, und einem zweiten Schaltungszweig, der eine Induktanz (14, 24, ..., 64) aufweist und die erste positive Anschlussklemme (1) und die zweite positive Anschlussklemme (3) verbindet, mit Zerhackermitteln, die mindestens einen Zerhacker-Unterbrecher (11) aufweisen, und mit einer Verwaltungseinheit (C1), die ausgelegt ist, um das Öffnen und das Schließen des Zerhacker-Unterbrechers (11) gemäß einem bestimmten zyklischen Verhältnis zu steuern;

    wobei jede Zelle außerdem einen einzigen Schutztransistor (13, 23, ..., 63) aufweist, der im zweiten Schaltungszweig angeordnet und einer Schutzverwaltungseinheit (P) zugeordnet ist, um die Zelle (100, 200, ..., 600) unabhängig von den anderen Zellen zu neutralisieren.
  2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem der Schutztransistor (13, 23, ..., 63) jeder Zelle (100, 200, ..., 600) ein MOS-Transistor ist, der im zweiten Schaltungszweig der Zelle zwischen der Induktanz (14, 24, ..., 64) und der zweiten positiven Anschlussklemme (3) in Reihe geschaltet ist und eine Strukturdiode (20, 30, ..., 70) aufweist, die über ihre Kathode mit der Induktanz (14, 24, ..., 64) und über ihre Anode mit der zweiten positiven Anschlussklemme (3) verbunden ist.
  3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Schutzschalter (801) aufweist, der allen Zellen gemeinsam und einem Bereich des Wandlers zugeordnet ist, der dem einzigen Schutztransistor jeder Zelle entgegengesetzt liegt.
  4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Schutztransistor (13, 23, ..., 63) jeder Zelle in einen Hochspannungsbereich der Zelle montiert ist.
  5. Wandler nach Anspruch 4, bei dem der Schutzschalter (13, 23, ..., 63) ein MOS-Transistor ist, der im zweiten Schaltungszweig direkt neben der ersten positiven Anschlussklemme (1) in Reihe geschaltet ist und eine Strukturdiode (20, 30, ..., 70) aufweist, die über ihre Kathode mit der ersten positiven Anschlussklemme (1) verbunden ist.
  6. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Schutzschalter (801) aufweist, der allen Zellen gemeinsam und einem Niederspannungsbereich des Wandlers zugeordnet ist.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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