DE102012215293A1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

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Abstract

Ein Gleichspannungswandler (1) weist eine Entlastungsschaltung (9) mit einem Serienschwingkreis (11, 12) zur Schaltentlastung auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler.
  • Ein Gleichspannungswandler, auch als Gleichstromwandler, DC-DC-Wandler oder Gleichstromsteller bezeichnet, ist eine elektrische Schaltung, die eine an einem Eingang bereitgestellte Gleichspannung in eine an einem Ausgang bereitgestellte Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt.
  • Aus der einschlägigen Fachliteratur sind so genannte resonant geschaltete potentialtrennende Gleichspannungswandler in Vollbrückentopologie bekannt. Diese Gleichspannungswandler werden üblicherweise bei konstanter Schaltfrequenz im sogenannten Phase-Shift-Verfahren betrieben. Hierbei wird eine jeweilige Halbbrücke bzw. deren Halbleiterschalter mit einem Takt- bzw. Ansteuersignalsignal mit der Schaltfrequenz und einem An-Aus-Verhältnis von 1:1 betrieben. Eine Leistungsflusssteuerung wird über eine geeignete Einstellung der Phasenlage der beiden Taktsignale erreicht.
  • Das Verhältnis der Schaltfrequenz zu einer Resonanzfrequenz eines Lastkreises, der mit einer mittels der Halbbrücken erzeugten Spannung beaufschlagt wird, bestimmt eine Betriebsart des Gleichspannungswandlers mit charakteristischen Schaltentlastungsarten für die Halbleiterschalter der Halbbrücken. Grundsätzlich können drei Betriebsarten unterschieden werden:
    Eine erste Betriebsart ist der unterresonante Betrieb, bei dem die Schaltfrequenz kleiner als die Resonanzfrequenz ist. Hierbei werden die Halbleiterschalter der Halbbrücken im ZCS-Modus (Zero Current Switch, d.h. Ausschalten bei Strom Null) betrieben.
  • Eine zweite Betriebsart ist der quasiresonante Betrieb, bei dem die Schaltfrequenz in etwa der Resonanzfrequenz entspricht. Eine der Halbbrücken arbeitet hierbei im ZCS-Modus Modus und die andere der Halbbrücken im ZVS-Modus (Zero Valtage Switch, d.h. Einschalten bei Spannung Null).
  • Die dritte Betriebsart ist der überresonante Betrieb, bei dem die Schaltfrequenz grösser als die Resonanzfrequenz ist. Die Halbbrücken werden hierbei jeweils im ZVS-Modus betrieben.
  • Aufgrund parasitärer Effekte sind Halbleiterschalter in Form von Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) nur in Verbindung mit ZCS-Betrieb und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) nur in Verbindung mit ZVS-Betrieb sinnvoll verwendbar.
  • Da bei Zwischenkreisspannungen von über 450V aus Kostengründen derzeit nur IGBTs als Halbleiterschalter in Frage kommen, ist herkömmlich die unterresonante Betriebsart in Verbindung mit ZCS zwingend. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Halbleiterschalter hart auf Freilaufdioden der komplementären Halbleiterschalter einschalten müssen. Damit verbunden sind zusätzliche Schaltverluste durch die sogenannten Recovery-Ströme der Freilaufdioden. Lediglich die Verwendung teurer Siliziumkarbid-Dioden, die vernachlässigbare Recovery-Ströme aufweisen, könnte die zusätzlichen Schaltverluste reduzieren.
  • Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Betriebsart ist zudem ein erhöhtes Spannungsgefälle und damit zusätzliche Verluste im Gesamtsystem.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen resonant geschalteten potentialtrennenden Gleichspannungswandler, zur Verfügung zu stellen, der eine verglichen mit herkömmlichen Gleichspannungswandlern erhöhte Leistungsdichte und mehr Freiheitsgrade beim elektrischen und mechanischen Design aufweist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Gleichspannungswandler nach Anspruch 1.
  • Der Gleichspannungswandler weist eine erste Halbbrücke mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter auf, wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter in Serie zwischen einen ersten Eingangsspannungsanschluss und einen zweiten Eingangsspannungsanschluss eingeschleift sind, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsspannungsanschluss eine Eingangsgleichspannung (auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet) ansteht. Die Eingangsgleichspannung kann einen Spannungspegel von größer als 450V aufweisen.
  • Weiter weist der Gleichspannungswandler eine zweite Halbbrücke mit einem dritten Halbleiterschalter und einem vierten Halbleiterschalter auf, wobei der dritte und der vierte Halbleiterschalter in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss und den zweiten Eingangsspannungsanschluss eingeschleift sind.
  • Die erste Halbbrücke und die zweite Halbrücke dienen herkömmlich zur Erzeugung einer Rechteckspannung aus der Eingangsgleichspannung, so dass insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird.
  • Der Gleichspannungswandler weist weiter einen Lastkreis mit einer Lastkreis-Resonanzfrequenz auf, der mit der mittels der beiden Halbbrücken erzeugten Rechteckspannung beaufschlagt ist.
  • Eine Steuereinheit des Gleichspannungswandlers dient zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der ersten und der zweiten Halbbrücke, insbesondere derart, dass sich ein vorgebbarer Pegel einer Ausgangsgleichspannung einstellt, beispielsweise indem herkömmlich eine Phasenlage zwischen Ansteuersignalen geeignet eingestellt wird. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Der Gleichspannungswandler weist eine Entlastungsschaltung auf. Die Entlastungsschaltung umfasst eine dritte Halbbrücke, aufweisend einen fünften Halbleiterschalter und einen sechsten Halbleiterschalter und einen Serienschwingkreis mit einem Kondensator und einer in Serie geschalteten Spule. Der fünfte und der sechste Halbleiterschalter sind in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss und den zweiten Eingangsspannungsanschluss eingeschleift und der Serienschwingkreis ist zwischen einen Verbindungsknoten des fünften und des sechsten Halbleiterschalters und den Verbindungsknoten des dritten und des vierten Halbleiterschalters eingeschleift.
  • Die Entlastungsschaltung ermöglicht einen Betrieb des Gleichspannungswandlers im Bereich der Lastkreis-Resonanzfrequenz, ohne dass es zu einer ungünstigen Schaltbelastung der Halbleiterschalter kommt.
  • Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Halbleiterschalter der dritten Halbbrücke derart anzusteuern, dass bei einem Wechsel eines Schaltzustands der Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke ein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke, der abgeschaltet wird, minimiert ist, insbesondere kein Strom fließt, so dass die zweite Halbbrücke aufgrund der geeignet angesteuerten Entlastungsschaltung im Ergebnis im ZCS-Modus betrieben wird.
  • Die Steuereinheit kann weiter dazu ausgebildet sein, einen Wechsel des Schaltzustands der Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke zu einem Zeitpunkt zu bewirken, während dem kein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke fließt, der abgeschaltet wird, d.h. die erste Halbbrücke wird herkömmlich im ZCS-Modus betrieben.
  • Die Steuereinheit kann weiter dazu ausgebildet sein, die Halbleiterschalter der ersten, der zweiten und der dritten Halbbrücke mit einer Schaltfrequenz anzusteuern, die der Lastkreis-Resonanzfrequenz entspricht, d.h. der Gleichspannungswandler wird quasiresonant betrieben.
  • Die Steuereinheit kann weiter dazu ausgebildet sein, den ersten Halbleiterschalter der dritten Halbbrücke während wiederkehrender erster Zeitbereiche einzuschalten, wobei während der ersten Zeitbereiche der erste Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird, und außerhalb der ersten Zeitbereiche auszuschalten, und den zweiten Halbleiterschalter der dritten Halbbrücke während widerkehrender zweiter Zeitbereiche einzuschalten, wobei während der zweiten Zeitbereiche der erste Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird, und außerhalb der zweiten Zeitbereiche auszuschalten.
  • Der Serienschwingkreis der Entlastungsschaltung kann durch geeignete Wahl der Bauelemente eine Serienschwingkreis-Resonanzfrequenz aufweisen, die typischerweise in einem Bereich zwischen der zwanzigfachen Lastkreis-Resonanzfrequenz und der hundertfachen Lastkreis-Resonanzfrequenz liegt.
  • Die Halbleiterschalter können Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) sein.
  • Der Lastkreis kann einen, beispielweise potentialtrennenden, Übertrager bzw. Transformator mit mindestens einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung aufweisen.
  • Der Lastkreis kann weiter eine Gleichrichterschaltung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, aus einer Spannung an der mindestens einen Sekundärwicklung des Übertragers bzw. Transformators die Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Zwischen einen Verbindungsknoten des ersten und des zweiten Halbleiterschalters und einen Verbindungsknoten des dritten und des vierten Halbleiterschalters ist die mindestens eine Primärwicklung des Übertragers, gegebenenfalls mit weiteren zwischengeschalteten oder eingeschleiften Bauelementen, eingeschleift.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
  • 1 einen Gleichspanungswandler mit einer Entlastungsschaltung,
  • 2 einen zeitlichen Verlauf von Signalen des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers,
  • 3 eine erste alternative Ausführungsform eines Lastkreises des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers,
  • 4 eine weitere alternative Ausführungsform eines Lastkreises des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers und
  • 5 eine weitere alternative Ausführungsform eines Lastkreises des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers.
  • 1 zeigt einen Gleichspannungswandler 1 in Vollbrückenschaltung mit einer ersten Halbbrücke 2 und einer zweiten Halbbrücke 5 zur Erzeugung einer Rechteckspannung UR aus einer Zwischenkreisspannung UZK mit einem Spannungspegel von mehr als 450V, wobei ein Lastkreis 13 des Gleichspannungswandlers 1 mit der derart erzeugten Rechteckspannung UR beaufschlagt wird. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
  • Die erste Halbbrücke 2 weist auf: einen ersten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 2a und einen zweiten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 2b, wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter 2a, 2b in Serie zwischen einen ersten Eingangsspannungsanschluss 3 und einen zweiten Eingangsspannungsanschluss 4 eingeschleift sind, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsspannungsanschluss 3, 4 eine Eingangsgleichspannung bzw. Zwischenkreisspannung UZK ansteht.
  • Die zweite Halbbrücke 5 weist auf: einen dritten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 5a und einen vierten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 5b, wobei der dritte und der vierte Halbleiterschalter 5a, 5b in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss 3 und den zweiten Eingangsspannungsanschluss 4 eingeschleift sind.
  • Den Halbleiterschaltern 2a, 2b, 5a, 5b, 10a, 10b sind herkömmlich jeweils zugehörige Freilaufdioden parallel geschaltet.
  • Der Lastkreis 13 weist auf: einen Transformator bzw. Übertrager 6 mit einer Primärwicklung 6a und einer Sekundärwicklung 6b, eine Gleichrichterschaltung 7, die dazu ausgebildet ist, aus einer Spannung an der Sekundärwicklung 6b des Übertragers 6 die Ausgangsgleichspannung UA zu erzeugen, und Kondensatoren 14, 20 und 24 und Spulen 15, 16, 17, 18, 19 und 23, die wie dargestellt verschaltet sind, wobei die Spulen 16, 17, 18 und 19 nichtideale Eigenschaften des Übertragers 6 abbilden und nicht als diskrete Bauelemente ausgeführt sind.
  • Die Primärwicklung 6a ist in Serie mit dem Kondensator 14 und der Spule 15 zwischen einen Verbindungsknoten N1 des ersten und des zweiten Halbleiterschalters 2a, 2b und einen Verbindungsknoten N2 des dritten und des vierten Halbleiterschalters 5a, 5b eingeschleift.
  • Der Übertrager 6 weist eine Mittenanzapfung auf, an der ein Ausgangsbezugspotential ansteht. Gleichrichterdioden 21 und 22 der Gleichrichterschaltung 7 bewirken eine Spannungsgleichrichtung, wobei die derart gleichgerichtete Spannung mittels der Spule 23 entstört und mittels des Kondensators 24 gepuffert wird.
  • Eine Steuereinheit 8, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, dient zur Ansteuerung der Halbleiterschalter 2a, 2b, 5a, 5b der ersten und zweiten Halbbrücke 2, 5 derart, dass sich ein vorgebbarer bzw. gewünschter Pegel der Ausgangsgleichspannung UA einstellt.
  • Eine Entlastungsschaltung 9 weist eine dritte Halbbrücke 10 auf. Die dritte Halbbrücke 10 umfasst einen fünften Halbleiterschalter in Form eines IGBT 10a und einen sechsten Halbleiterschalter in Form eines IGBT 10b und einen Serienschwingkreis mit einem Kondensator 11 und einer in Serie geschalteten Spule 12, wobei der fünfte und der sechste Halbleiterschalter 10a, 10b in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss 3 und den zweiten Eingangsspannungsanschluss 4 eingeschleift sind und der Serienschwingkreis 11, 12 zwischen einen Verbindungsknoten N3 des fünften und des sechsten Halbleiterschalters 10a, 10b und den Verbindungsknoten N2 des dritten und des vierten Halbleiterschalters 5a, 5b eingeschleift ist. Die Halbleiterschalter 10a und 10b werden durch die Steuereinheit 8 angesteuert.
  • 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Signalen des in 1 gezeigten Gleichspannungswandlers 1 (d.h. einen logischen Signalzustand über der Zeit).
  • Hierbei bezeichnet S1 ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 2a, S2\ ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 2b (in komplementärer Darstellung), S3 ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 5a, S4\ ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 5b (in komplementärer Darstellung), S5 ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 10a, S6 ein Ansteuersignal für den Halbleiterschalter 10b, VS1 eine am Halbleiterschalter 2a abfallende Spannung, iS1 einen Strom durch den Halbleiterschalter 2a, ID1 einen Strom durch die Freilaufdiode des Halbleiterschalters 2a, VS3 eine am Halbleiterschalter 5a abfallende Spannung, iS3 einen Strom durch den Halbleiterschalter 5a und iD3 einen Strom durch die Freilaufdiode des Halbleiterschalters 5a.
  • Die Steuereinheit 8 erzeugt die Ansteuersignale S1 bis S6 mit einer Schaltfrequenz, die in etwa der Lastkreis-Resonanzfrequenz entspricht, beispielsweise 100 kHz. Mit anderen Worten wird der Gleichspannungswandler 1 quasiresonant betrieben, wobei die Halbbrücke 2 herkömmlich im ZCS-Modus Modus arbeitet, d.h. ein Wechsel des Schaltzustands der Halbleiterschalter 2a, 2b der ersten Halbbrücke 2 wird zu einem Zeitpunkt bewirkt, während dem kein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke 2 fließt, der abgeschaltet wird.
  • Aufgrund der Entlastungsschaltung 9 ist darüber hinaus eine transient-resonante Schaltentlastung (ZCS) auch der zweiten Halbbrücke 5 und zwar in beide Stromrichtungen möglich.
  • Hierzu schaltet die Steuereinheit 8 durch geeignetes Erzeugen des Signals S5 den ersten Halbleiterschalter 10a der dritten Halbbrücke 10 während wiederkehrender erster Zeitbereiche ZB1 ein, während derer der erste Halbleiterschalter 5a der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter 5b der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird.
  • Entsprechend schaltet die Steuereinheit 8 durch geeignetes Erzeugen des Signals S6 den zweiten Halbleiterschalter 10b der dritten Halbbrücke 10 während widerkehrender zweiter Zeitbereiche ZB2 ein, während derer der erste Halbleiterschalter 5a der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter 5b der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird.
  • Ein Teil desjenigen Stroms, der bei einem herkömmlichen Gleichspannungswandler über die Freilaufdioden der komplementären Halbleiterschalter fließen würde, wird erfindungsgemäß von der Entlastungsschaltung 9 bzw. deren Schwingkreis aufgenommen und auch wieder abgegeben, so dass Schaltverluste in den Freilaufdioden reduziert werden.
  • Wie aus dem zeitlichen Verlauf der Ströme iS3 und iD3 hervorgeht, ist eine Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises der Entlastungsschaltung 9 wesentlich größer als die Schaltfrequenz der Steuersignale S1 bis S6. Die Resonanzfrequenz des Lastkreises 13, d.h. entsprechend die Schaltfrequenz der Steuersignale S1 bis S6, beträgt im Beispiel gemäß 2 ca. 100 kHz. Entsprechend werden auch die Halbbrücken 2 und 5 bzw. deren Halbleiterschalter getaktet. Die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises der Entlastungsschaltung 9 für einen transient-resonanten Betriebsfall liegt dagegen deutlich höher und beträgt typisch 2 bis 10 MHz. Je höher die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises der Entlastungsschaltung 9 gewählt wird, desto geringer werden die durch Totzeiten des Resonanzvorgangs entstehenden Spannungsabfälle im System. Die Obergrenze hängt von den Eigenschaften der Halbleiterschalter ab, insbesondere der Lebensdauer der Ladungsträger in der Sperrschicht.
  • Daher kann der Gleichspannungswandler 1 im Bereich der Lastkreis-Resonanzfrequenz betrieben werden, wodurch eine optimale Ausnutzung der Halbleiterschalter und der magnetischen Bauelemente erreicht werden kann.
  • Durch die Kombination von Phase-Shift-Steuerung und Schaltfrequenzvariation ist zudem eine Optimierung des dynamischen Verhaltens des Gleichspannungswandlers 1 in Bezug auf Lastsprünge möglich.
  • Die 3 bis 5 zeigen alternative Ausführungsform des in 1 gezeigten Lastkreises 13.
  • So zeigt 3 eine Lastkreis-Variante 13' mit einer Anordnung von Kondensatoren 20a und 20b über der Sekundärwicklung 6b zur Begrenzung eines Spannungsanstiegs an den Gleichrichterdioden 21 und 22, was sich günstig auf deren Recovery-Verhalten auswirkt.
  • Durch Minimierung eines Spannungsgefälles innerhalb des Lastkreises 13' kann die primärseitig wirksame Serieninduktivität auf die Streuinduktivität des Übertragers 6 reduziert werden, so dass Bauteile eingespart werden können.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform des Lastkreises 13'', bei der zur Erhöhung der übertragbaren Leistung ein aufgeteilter Transformator 6' vorgesehen ist, der als sogenannter Power-Train verschaltet ist, d.h. es sind zwei in Reihe geschaltete Primärwicklung 6a_1 und 6a_2 und zwei parallel geschaltete Sekundärwicklungen 6b_1 und 6b_2 vorgesehen. Die Elemente 16 bis 19 sind entsprechend zweifach vorhanden (jeweils bezeichnet mit x_1 bzw. x_2)
  • 5 zeigt ein vollständiges Powertrain-Konzept 13''', bei dem sekundärseitig erst nach Glättungsdrosseln 23_1 und 23_2 die Parallelverbindung erfolgt.

Claims (8)

  1. Gleichspannungswandler (1), aufweisend: – eine erste Halbbrücke (2), aufweisend: – einen ersten Halbleiterschalter (2a) und – einen zweiten Halbleiterschalter (2b), – wobei der erste und der zweite Halbleiterschalter (2a, 2b) in Serie zwischen einen ersten Eingangsspannungsanschluss (3) und einen zweiten Eingangsspannungsanschluss (4) eingeschleift sind, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsspannungsanschluss (3, 4) eine Eingangsgleichspannung (UZK) ansteht, – eine zweite Halbbrücke (5), aufweisend: – einen dritten Halbleiterschalter (5a) und – einen vierten Halbleiterschalter (5b), wobei – der dritte und der vierte Halbleiterschalter (5a, 5b) in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss (3) und den zweiten Eingangsspannungsanschluss (4) eingeschleift sind, wobei die erste Halbbrücke (2) und die zweite Halbrücke (5) zur Erzeugung einer Rechteckspannung (UR) aus der Eingangsgleichspannung (UZK) ausgebildet sind, – einen Lastkreis (13, 13', 13'', 13''') mit einer Lastkreis-Resonanzfrequenz, der mit der Rechteckspannung (UR) beaufschlagt ist, und – eine Steuereinheit (8) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter (2a, 2b, 5a, 5b) der ersten und zweiten Halbbrücke (2, 5) derart, dass sich ein vorgebbarer Pegel einer Ausgangsgleichspannung (UA) einstellt, gekennzeichnet durch – eine Entlastungsschaltung (9), aufweisend: – eine dritte Halbbrücke (10), aufweisend: – einen fünften Halbleiterschalter (10a) und – einen sechsten Halbleiterschalter (10b) und – einen Serienschwingkreis mit einem Kondensator (11) und einer in Serie geschalteten Spule (12), wobei – der fünfte und der sechste Halbleiterschalter (10a, 10b) in Serie zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss (3) und den zweiten Eingangsspannungsanschluss (4) eingeschleift sind und – der Serienschwingkreis (11, 12) zwischen einen Verbindungsknoten (N3) des fünften und des sechsten Halbleiterschalters (10a, 10b) und den Verbindungsknoten (N2) des dritten und des vierten Halbleiterschalters (5a, 5b) eingeschleift ist.
  2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, – die Halbleiterschalter (10a, 10b) der dritten Halbbrücke (10) derart anzusteuern, dass bei einem Wechsel eines Schaltzustands der Halbleiterschalter (5a, 5b) der zweiten Halbbrücke (5) ein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der zweiten Halbbrücke (5), der abgeschaltet wird, minimiert ist.
  3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, einen Wechsel des Schaltzustands der Halbleiterschalter (2a, 2b) der ersten Halbbrücke (2) zu einem Zeitpunkt zu bewirken, während dem kein Strom durch denjenigen Halbleiterschalter der ersten Halbbrücke (2) fließt, der abgeschaltet wird.
  4. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, – die Halbleiterschalter (2a, 2b, 5a, 5b, 10a, 10b) der ersten, der zweiten und der dritten Halbbrücke (2, 5, 10) mit einer Schaltfrequenz anzusteuern, die der Lastkreis-Resonanzfrequenz entspricht.
  5. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu ausgebildet ist, – den ersten Halbleiterschalter (10a) der dritten Halbbrücke (10) während wiederkehrender erster Zeitbereiche (ZB1) einzuschalten, während derer der erste Halbleiterschalter (5a) der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter (5b) der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird, und außerhalb der ersten Zeitbereiche (ZB1) auszuschalten, und – den zweiten Halbleiterschalter (10b) der dritten Halbbrücke (10) während widerkehrender zweiter Zeitbereiche (ZB2) einzuschalten, während derer der erste Halbleiterschalter (5a) der zweiten Halbbrücke ausgeschaltet wird und der zweite Halbleiterschalter (5b) der zweiten Halbbrücke eingeschaltet wird, und außerhalb der zweiten Zeitbereiche (ZB2) auszuschalten.
  6. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienschwingkreis (11, 12) der Entlastungsschaltung (9) eine Serienschwingkreis-Resonanzfrequenz aufweist, die in einem Bereich zwischen der zwanzigfachen Lastkreis-Resonanzfrequenz und der hundertfachen Lastkreis-Resonanzfrequenz liegt.
  7. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (2a, 2b, 5a, 5b, 10a, 10b) Insulated Gate Bipolar Transistoren sind.
  8. Gleichspannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Lastkreis (13, 13', 13'', 13''') aufweist: – einen Übertrager (6, 6') mit mindestens einer Primärwicklung (6a; 6a_1, 6a_2) und mindestens einer Sekundärwicklung (6b; 6b_1, 6b_2) und – eine Gleichrichterschaltung (7), die dazu ausgebildet ist, aus einer Spannung an der mindestens einen Sekundärwicklung (6b; 6b_1, 6b_2) des Übertragers (6, 6') eine Ausgangsgleichspannung (UA) zu erzeugen, – wobei zwischen einen Verbindungsknoten (N1) des ersten und des zweiten Halbleiterschalters (2a, 2b) und einen Verbindungsknoten (N2) des dritten und des vierten Halbleiterschalters (5a, 5b) die mindestens eine Primärwicklung (6b; 6b_1, 6b_2) des Übertragers (6, 6') eingeschleift ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021144521A1 (fr) * 2020-01-16 2021-07-22 Centum Adetel Transportation Procédé et dispositif de conversion d'une tension avec commutation douce des interrupteurs

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105162349B (zh) * 2015-07-29 2017-12-01 华南理工大学 输出电压相位自同步的lclc‑t谐振型高频逆变器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6172882B1 (en) * 1998-12-22 2001-01-09 Tdk Corporation Partial resonance PWM converter
DE69617128T2 (de) * 1995-07-24 2002-08-22 Gen Electric Resonanzwandler mit breitem Lastbereich
US20050207180A1 (en) * 2002-04-23 2005-09-22 Frans Pansier Llc half-bridge converter
WO2010004190A1 (fr) * 2008-07-07 2010-01-14 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Poste de soudage a l'arc a onduleur a commutation douce quasi resonant optimise
DE102009032980A1 (de) * 2009-07-14 2011-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Störungsarme Spannungsversorgung

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2348626A3 (de) * 2005-07-29 2017-04-19 TDK Corporation Schaltnetzteil mit Überspannungsunterdrückung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69617128T2 (de) * 1995-07-24 2002-08-22 Gen Electric Resonanzwandler mit breitem Lastbereich
US6172882B1 (en) * 1998-12-22 2001-01-09 Tdk Corporation Partial resonance PWM converter
US20050207180A1 (en) * 2002-04-23 2005-09-22 Frans Pansier Llc half-bridge converter
WO2010004190A1 (fr) * 2008-07-07 2010-01-14 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Poste de soudage a l'arc a onduleur a commutation douce quasi resonant optimise
DE102009032980A1 (de) * 2009-07-14 2011-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Störungsarme Spannungsversorgung

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021144521A1 (fr) * 2020-01-16 2021-07-22 Centum Adetel Transportation Procédé et dispositif de conversion d'une tension avec commutation douce des interrupteurs
FR3106457A1 (fr) * 2020-01-16 2021-07-23 Centum Adetel Transportation Procédé et dispositif de conversion d’une tension avec commutation douce des interrupteurs.

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