DE102019218893B4 - Step-up converter and method for operating a step-up converter - Google Patents
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Abstract
Hochsetzsteller (1), umfassend einen Spannungsanschluss (2) für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss (3) für ein negatives Potential eines Energiespeichers (40) sowie einen Spannungsanschluss (4) für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss (5) für ein negatives Potential einer Energiequelle (50), wobei die beiden Spannungsanschlüsse (3, 5) für das negative Potential miteinander verbunden sind, wobei der Hochsetzsteller (1) mindestens zwei Halbbrückenschaltungen (10) aufweist, die parallel geschaltet sind, wobei jede Halbbrückenschaltung (10) mindestens einen oberen Leistungsschalter (T1) und mindestens einen unteren Leistungsschalter (T2) aufweist, wobei zwischen dem oberen Leistungsschalter (T1) und dem Spannungsanschluss (2) für das positive Potential eine erste Überstromsicherung (F1) angeordnet ist und zwischen dem unteren Leistungsschalter (T2) und dem Spannungsanschluss (3) für das negative Potential eine zweite Überstromsicherung (F2) angeordnet ist, wobei die Mittelabgriffe (M) der Halbbrückenschaltungen (10) über mindestens eine Induktivität (L) mit dem Spannungsanschluss (4) für das positive Potential der Energiequelle (50) verbunden sind, wobei parallel zu der Reihenschaltung von oberem Leistungsschalter (T1), unterem Leistungsschalter (T2) und zweiter Überstromsicherung (F2) ein weiterer erster Leistungsschalter (Th1) in Reihe mit einem Kondensator (C) angeordnet ist und parallel zu der Reihenschaltung von erster Überstromsicherung (F1), oberem Leistungsschalter (T1) und unterem Leistungsschalter (T2) ein weiterer zweiter Leistungsschalter (Th2) in einer Reihe mit einem Kondensator (C) angeordnet ist.Boost converter (1), comprising a voltage connection (2) for a positive potential and a voltage connection (3) for a negative potential of an energy store (40) and a voltage connection (4) for a positive potential and a voltage connection (5) for a negative potential an energy source (50), the two voltage connections (3, 5) for the negative potential being connected to one another, the step-up converter (1) having at least two half-bridge circuits (10) connected in parallel, each half-bridge circuit (10) having at least one upper circuit breaker (T1) and at least one lower circuit breaker (T2), a first overcurrent fuse (F1) being arranged between the upper circuit breaker (T1) and the voltage connection (2) for the positive potential and between the lower circuit breaker (T2) and a second overcurrent fuse (F2) is arranged on the voltage connection (3) for the negative potential, wherein the center taps (M) of the half-bridge circuits (10) are connected via at least one inductance (L) to the voltage connection (4) for the positive potential of the energy source (50), being parallel to the series connection of the upper circuit breaker (T1) and the lower circuit breaker (T2) and second overcurrent fuse (F2) a further first circuit breaker (Th1) is arranged in series with a capacitor (C) and parallel to the series connection of the first overcurrent fuse (F1), upper circuit breaker (T1) and lower circuit breaker (T2) another second power switch (Th2) is arranged in a row with a capacitor (C).
Description
Die Erfindung betrifft einen Hochsetzsteller und ein Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers.The invention relates to a step-up converter and a method for operating a step-up converter.
Hochsetzsteller werden dazu benötigt, eine niedrige Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung zu wandeln. Ein Anwendungsgebiet ist beispielsweise das Laden einer Hochvoltbatterie in einem Traktionsnetz eines Kraftfahrzeugs aus einer Brennstoffzelle, einer externen Ladesäule oder einer Batterie mit einer geringeren Nennspannung als die Hochvoltbatterie.Boost converters are required to convert a low input voltage into a higher output voltage. One area of application is, for example, charging a high-voltage battery in a traction network of a motor vehicle from a fuel cell, an external charging station or a battery with a lower nominal voltage than the high-voltage battery.
Für Hochsetzsteller existieren verschiedene Topologien, wobei bei einer Ausführungsform Halbbrückenschaltungen zur Anwendung kommen. Derartige Ausführungen haben einerseits den Vorteil, dass diese sich gut parallelisieren lassen, sodass die entstehenden Ripple beim Wandeln sich besser ausgleichen lassen. Des Weiteren sind Ausführungen möglich, wo die Halbbrückenschaltungen mehrere Funktionen übernehmen können. Beispielsweise ist aus der
Ein Problem bei derartigen Halbbrückenschaltungen ist, dass im Fall eines Kurzschlusses zwischen positivem Potential und negativem Potential in einer Halbbrückenschaltung der gesamte Hochsetzsteller abgeschaltet werden muss.One problem with such half-bridge circuits is that in the event of a short circuit between positive potential and negative potential in a half-bridge circuit, the entire step-up converter must be switched off.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Hochsetzsteller zu schaffen, bei dem die Verfügbarkeit verbessert ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers zur Verfügung zu stellen.The invention is based on the technical problem of creating a step-up converter in which the availability is improved, as well as providing a method for operating a step-up converter.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch einen Hochsetzsteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from a step-up converter with the features of
Hierzu umfasst der Hochsetzsteller einen Spannungsanschluss für ein positives Potential und einen Spannungsanschuss für ein negatives Potential eines Energiespeichers sowie einen Spannungsanschluss für ein positives Potential und einen Spannungsanschluss für ein negatives Potential einer Energiequelle, wobei die beiden Spannungsanschlüsse für das negative Potential miteinander verbunden sind. Der Hochsetzsteller weist mindestens zwei Halbbrückenschaltungen auf, die parallel geschaltet sind, wobei jede Halbbrückenschaltung mindestens einen oberen Leistungsschalter und mindestens einen unteren Leistungsschalter aufweist, wobei zwischen dem oberen Leistungsschalter und dem Spannungsanschluss für das positive Potential eine erste Überstromsicherung angeordnet ist und zwischen dem unteren Leistungsschalter und dem Spannungsanschluss für das negative Potential eine zweite Überstromsicherung angeordnet ist, wobei die Mittelabgriffe der Halbbrückenschaltungen über mindestens eine Induktivität mit dem Spannungsanschluss für das positive Potential der Energiequelle verbunden sind. Parallel zu der Reihenschaltung von oberem Leistungsschalter, unterem Leistungsschalter und zweiter Überstromsicherung ist ein weiterer erster Leistungsschalter in Reihe mit einem Kondensator angeordnet und parallel zu der Reihenschaltung vom erster Überstromsicherung, oberem Leistungsschalter und unterem Leistungsschalter ein weiterer zweiter Leistungsschalter in Reihe mit einem Kondensator angeordnet ist. Durch den weiteren ersten Leistungsschalter oder den weiteren zweiten Leistungsschalter kann gezielt ein Überstrom erzeugt werden, der schnell und zuverlässig die zugeordnete Überstromsicherung auslöst, sodass eine fehlerhafte Halbbrückenschaltung galvanisch von der Potentialleitung getrennt wird.For this purpose, the step-up converter comprises a voltage connection for a positive potential and a voltage connection for a negative potential of an energy store as well as a voltage connection for a positive potential and a voltage connection for a negative potential of an energy source, the two voltage connections for the negative potential being connected to one another. The step-up converter has at least two half-bridge circuits that are connected in parallel, each half-bridge circuit having at least one upper circuit breaker and at least one lower circuit breaker, a first overcurrent fuse being arranged between the upper circuit breaker and the voltage connection for the positive potential and between the lower circuit breaker and A second overcurrent fuse is arranged on the voltage connection for the negative potential, the center taps of the half-bridge circuits being connected via at least one inductance to the voltage connection for the positive potential of the energy source. In parallel to the series connection of the upper circuit breaker, lower circuit breaker and second overcurrent fuse, another first circuit breaker is arranged in series with a capacitor and, parallel to the series circuit of the first overcurrent fuse, upper circuit breaker and lower circuit breaker, another second circuit breaker is arranged in series with a capacitor. By the further first circuit breaker or the further second Circuit breakers can specifically generate an overcurrent that triggers the assigned overcurrent fuse quickly and reliably, so that a faulty half-bridge circuit is galvanically isolated from the potential line.
Mittels des in Reihe geschalteten Kondensators werden gezielt parasitäre Induktivitäten kompensiert, sodass der Stromanstieg sehr schnell ist, sodass ausreichend schnell Energie in der Überstromsicherung umgesetzt wird, um diese auszulösen. Somit kann innerhalb eines Taktzyklus die Überstromsicherung ausgelöst werden. Die Kapazität des Kondensators wird dabei auf die Kennwerte der Überstromsicherung und die parasitären Induktivitäten ausgelegt. Dabei wir die Kapazität so gering wie möglich ausgelegt, um Chip-Fläche einzusparen. Dabei sei angemerkt, dass die Auslösung gezielt erfolgen kann, ohne dass bereits eine andere Überstromsicherung ausgelöst hat. Die Überstromsicherung ist beispielsweise als Schmelzsicherung, Bonddraht oder Leiterbahn ausgebildet.By means of the capacitor connected in series, parasitic inductances are specifically compensated so that the current rise is very fast, so that energy is converted in the overcurrent protection sufficiently quickly to trigger it. This means that the overcurrent protection can be triggered within one clock cycle. The capacitance of the capacitor is designed for the characteristic values of the overcurrent protection and the parasitic inductances. The capacity is designed to be as low as possible in order to save chip space. It should be noted that tripping can take place in a targeted manner without another overcurrent fuse having already tripped. The overcurrent fuse is designed, for example, as a fuse, bonding wire or conductor track.
Vorzugsweise werden dabei die parallel geschalteten Halbbrückenschaltungen versetzt angesteuert, sodass sich die Ripple der Ausgangsspannung teilweise kompensieren.In this case, the half-bridge circuits connected in parallel are preferably actuated offset, so that the ripples of the output voltage partially compensate each other.
In einer Ausführungsform ist jede Halbbrückenschaltung über eine eigene Induktivität mit dem Spannungsanschluss für das positive Potential der Energiequelle verbunden, sodass auch Einzelfehler in einer Induktivität nicht zum Totalausfall führen.In one embodiment, each half-bridge circuit is connected to the voltage connection for the positive potential of the energy source via its own inductance, so that even individual faults in an inductance do not lead to total failure.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Hochsetzsteller mindestens vier Halbbrückenschaltungen, wobei jeweils die Mittelabgriffe zweier Halbbrückenschaltungen mit einer gemeinsamen Induktivität mit dem Spannungsanschluss für das positive Potential der Energiequelle verbunden sind. Dadurch wird die Anzahl der Induktivitäten halbiert, wobei auch bei Ausfall einer Induktivität der Hochsetzsteller weiterarbeiten kann. Dabei wird ausgenutzt, dass der Ausfall einer passiven Induktivität sehr unwahrscheinlich ist. Prinzipiell können sich auch mehr als zwei Halbbrückenschaltungen eine Induktivität teilen, wobei im Extremfall sich alle Halbbrückenschaltungen nur eine einzige Induktivität teilen.In an alternative embodiment, the step-up converter comprises at least four half-bridge circuits, the center taps of two half-bridge circuits having a common inductance being connected to the voltage connection for the positive potential of the energy source. This halves the number of inductances, and the step-up converter can continue to operate even if one inductance fails. This makes use of the fact that the failure of a passive inductance is very unlikely. In principle, more than two half-bridge circuits can also share one inductance, with all half-bridge circuits sharing only a single inductance in the extreme case.
In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zu den Spannungsanschlüssen für den Energiespeicher und/oder parallel zu den Spannungsanschlüssen für die Energiequelle ein Kondensator angeordnet. Der Kondensator am Energiespeicher dient dabei als Zwischenkreiskondensator und glättet die Ausgangsspannung. Der Kondensator an der Energiequelle dient primär als Filter gegen hochfrequente Störkomponenten.In a further embodiment, a capacitor is arranged parallel to the voltage connections for the energy store and / or parallel to the voltage connections for the energy source. The capacitor on the energy store serves as an intermediate circuit capacitor and smooths the output voltage. The capacitor at the energy source serves primarily as a filter against high-frequency interfering components.
Die oberen und unteren Leistungsschalter sind vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet.The upper and lower power switches are preferably designed as MOSFETs.
In einer weiteren Ausführungsform ist den oberen Leistungsschaltern und den unteren Leistungsschaltern jeweils ein Strom- und/oder Temperatursensor zugeordnet, sodass frühzeitig ein sich anbahnender Defekt erkannt werden kann. Vorzugsweise kommen beide Sensoren zum Einsatz. Strom- und Temperatursensoren können in die Leistungsschalter integriert sein oder aber separate Sensoren sein. Weiter vorzugsweise ist auch einem Mittelabgriff der Halbbrücke ein Stromsensor zugeordnet.In a further embodiment, the upper circuit breakers and the lower circuit breakers are each assigned a current and / or temperature sensor, so that an impending defect can be detected at an early stage. Both sensors are preferably used. Current and temperature sensors can be integrated into the circuit breakers or they can be separate sensors. A current sensor is also preferably assigned to a center tap of the half-bridge.
In einer weiteren Ausführungsform sind der weitere erste Leistungsschalter und der weitere zweite Leistungsschalter als Thyristoren ausgebildet. Diese weisen eine gute Sperrfähigkeit auf und können schnell große Ströme schalten.In a further embodiment, the further first power switch and the further second power switch are designed as thyristors. These have a good blocking ability and can switch large currents quickly.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Halbbrückenmodule jeweils als integrierter Chip ausgebildet.In a further embodiment, the half-bridge modules are each designed as an integrated chip.
In einer weiteren Ausführungsform sind die ersten und zweiten Überstromsicherungen als Leiterbahn oder Bonddraht ausgebildet, sodass sich diese besonders einfach in einem Chip realisieren lassen.In a further embodiment, the first and second overcurrent fuses are designed as a conductor track or bonding wire, so that these can be implemented particularly easily in one chip.
Das Verfahren zum Betreiben eines Hochsetzstellers beinhaltet, das im Fehlerfall oder einem sich anbahnenden Fehler eines Leistungsschalters der zugeordnete weitere Leistungsschalter durchgeschaltet wird, um die zugeordnete Überstromsicherung auszulösen, um so innerhalb eines Taktzyklus den defekten Leistungsschalter galvanisch von dem Potential des Energiespeichers zu trennen. Anschließend kann die betroffene Halbbrückenschaltung abgeschaltet werden und der Hochsetzbetrieb mit den verbleibenden Halbbrückenschaltungen weiter betrieben werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Hochsetzsteller mit entsprechend reduzierter Leistung betrieben wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die verbleibenden Halbbrückenschaltungen zumindest temporär mit erhöhter Leistung betrieben werden, um den Ausfall der einen Halbbrückenschaltung zu kompensieren. Dies kann dem Kraftfahrzeugführer signalisiert werden, sodass dieser beispielsweise eine Werkstatt anfahren kann, um die defekte Halbbrückenschaltung auszutauschen.The method for operating a step-up converter includes that in the event of a fault or an impending fault in a circuit breaker, the associated additional circuit breaker is switched through in order to trigger the associated overcurrent protection in order to galvanically separate the defective circuit breaker from the potential of the energy store within one clock cycle. The affected half-bridge circuit can then be switched off and the step-up mode can be continued with the remaining half-bridge circuits. It can be provided that the step-up converter is operated with a correspondingly reduced power. Alternatively, it can be provided that the remaining half-bridge circuits are operated at least temporarily with increased power in order to compensate for the failure of one half-bridge circuit. This can be signaled to the motor vehicle driver so that he can, for example, drive to a workshop to replace the defective half-bridge circuit.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Auslösen der Überstromsicherung vorsorglich auch die andere Überstromsicherung der Halbbrückenschaltung ausgelöst.In a further embodiment, after the overcurrent fuse has been triggered, the other overcurrent fuse of the half-bridge circuit is also triggered as a precaution.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 eine Schaltungsanordnung eines Hochsetzstellers in einer ersten Ausführungsform, -
2 eine Schaltungsanordnung eines Hochsetzstellers in einer zweiten Ausführungsform und -
3 einen Leistungsschalter mit Sensoren.
-
1 a circuit arrangement of a step-up converter in a first embodiment, -
2 a circuit arrangement of a step-up converter in a second embodiment and -
3 a circuit breaker with sensors.
In der
Der Hochsetzsteller
Den Leistungsschaltern
In der
Die Halbbrückenschaltungen
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- HochsetzstellerBoost converter
- 22
- SpannungsanschlussVoltage connection
- 33
- SpannungsanschlussVoltage connection
- 44th
- SpannungsanschlussVoltage connection
- 55
- SpannungsanschlussVoltage connection
- 66th
- Anschlüsseconnections
- 77th
- StromsensorenCurrent sensors
- 88th
- TemperatursensorenTemperature sensors
- 1010
- HalbbrückenschaltungHalf-bridge circuit
- 3030th
- SteuereinheitControl unit
- 4040
- EnergiespeicherEnergy storage
- 5050
- EnergiequelleEnergy source
- 6060
- HochvoltkomponenteHigh-voltage component
- T1T1
- oberer Leistungsschalterupper circuit breaker
- T2T2
- unterer Leistungsschalterlower circuit breaker
- F1F1
- erste Überstromsicherungfirst overcurrent protection
- F2F2
- zweite Überstromsicherungsecond overcurrent protection
- Th1Th1
- weiterer erster Leistungsschalteranother first circuit breaker
- Th2Th2
- weiterer zweiter Leistungsschalteranother second circuit breaker
- CC.
- Kondensatorcapacitor
- CdcCdc
- Kondensatorcapacitor
- CLSCLS
- Kondensatorcapacitor
- LL.
- InduktivitätInductance
- MM.
- MittelabgriffFund tapping
- DD.
- FreilaufdiodeFreewheeling diode
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