Gleichspannungswandler für ein Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler für ein Kraftfahrzeug .

Ein derartiger Gleichspannungswandler kann beispielsweise dazu verwendet werden, aus einer 24 V-Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs eine 12 V-HiIfsspannung zu generieren, die als Betriebsspannung für ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs dient .

Derartige Gleichspannungswandler sind typischerweise reine Buck-Wandler, d. h. Abwärtswandler bzw. Tiefsetzsteiler, die aus einer höheren Eingangsgleichspannung eine niedrigere Ausgangsgleichspannung generieren. Buck-Wandler weisen in der Regel einen hohen Wirkungsgrad auf, der 90% und mehr betragen kann. Derartige Buck-Wandler und auch andere Gleichspannungs- wandler, beispielsweise Boost-Wandler, weisen im Allgemeinen Filter auf, welche durch den Wandelvorgang entstehenden Störspitzen ausreichend dämpfen. Des Weiteren enthalten derartige Gleichspannungswandler in vielen Fällen auch eine Verpol- schutzSchaltung.

Ein Ausführungsbeispiel für einen bekannten Buck-Wandler ist in der Figur 1 gezeigt. Dieser Buck-Wandler weist eine Ver- polschutzschaltung 1, ein Eingangsfilter 2 und einen Tief- setzsteller 3 auf, welche im Sinne einer Reihenschaltung hin- tereinander angeordnet sind. Der Buck-Wandler ist dazu vorgesehen, eine Eingangsgleichspannung U _E , die beispielsweise 24 V beträgt, in eine Ausgangsgleichspannung U _A umzuwandeln, die beispielsweise 12 V beträgt.

Die Verpolschutzschaltung 1 weist eine Verpolschutzdiode D _v auf, deren Anode mit einem Eingangsspannungsanschluss El und deren Kathode mit einem Eingang des nachgeschalteten Eingangsfilters 2 verbunden ist. Um die Gesamtverlustleistung der Verpolschutzschaltung 1 zu reduzieren, kann in vorteil- hafter Weise parallel zur Verpolschutzdiode D _v die Schaltstrecke eines Feldeffekttransistors T _v angeordnet sein, dessen Steuereingang mit einem Schaltungsknoten K verbunden ist. Der Schaltungsknoten K steht über eine Parallelschaltung ei- nes Widerstandes Ri und einer Zenerdiode D _z mit dem ersten

Eingangsspannungsanschluss El und der Anode der Verpolschutzdiode D _v in Verbindung. Des Weiteren ist der Schaltungsknoten K über einen Widerstand R ₂ mit einem zweiten Eingangsspannungsanschluss E2 verbunden, an welchem ein Bezugspotential M anliegt. Die Anode der Zenerdiode D _z ist mit dem Schaltungsknoten K verbunden, ihre Kathode mit dem Eingangsspannungsanschluss El.

Das Eingangsfilter 2 weist eine Spule L _F auf, deren erster Anschluss mit der Kathode der Verpolschutzdiode D _v und deren zweiter Anschluss mit einem Eingang des nachgeschalteten Tiefsetzstellers 3 verbunden ist. Zwischen dem ersten Anschluss der Spule L _F und dem zweiten Eingangsanschluss E2 ist ein Kondensator Ci vorgesehen. Zwischen dem zweiten Anschluss der Spule L _F und den zweiten Eingangsanschluss E2 ist ein Kondensator C ₂ geschaltet. Der Kondensator Ci, die Spule L _F und der Kondensator C ₂ bilden ein PI-Filter, welches Störungen, die vom nachfolgenden Tiefsetzsteiler 3 erzeugt werden, von den Eingängen der in der Figur 1 gezeigten Vorrichtung fernhalten soll.

Der Tiefsetzsteiler 3 weist eine Schaltstrecke T _τ und eine in Reihe dazu geschaltete Spule L _τ auf, deren zweiter Anschluss einen ersten Ausgangsanschluss Al des Tiefsetzstellers 3 bil- det. Die Kathode der Diode D _t ist an den zweiten Anschluss der Spule L _F des Eingangsfilters 2 angeschlossen, die Anode der Diode D _t an den ersten Anschluss der Spule L _τ . Die Anode der Diode D _t und damit auch der erste Anschluss der Spule L _τ sind über eine weitere Diode D ₂ mit dem zweiten Eingangsspan- nungsanschluss E2 verbunden, wobei die Kathode der weiteren Diode D ₂ mit der Anode der Diode D _t und dem ersten Anschluss der Spule L _τ und die Anode der weiteren Diode D ₂ mit dem zweiten Eingangsspannungsanschluss E2 verbunden ist. Parallel zur ersten Diode D _t ist die Schaltstrecke eines Feldeffekttransistors T _τ geschaltet.

Die Ausgangsspannung U _A des Tiefsetzstellers 3 fällt über ei- nen Kondensator C ₃ ab, dessen erster Anschluss mit dem Aus- gangsanschluss Al und dessen zweiter Anschluss mit einem zweiten Ausgangsanschluss A2 verbunden ist, welcher auf Masse liegt. Ebenfalls auf Masse liegen - wie aus der Figur 1 ersichtlich ist - der zweite Eingangsanschluss E2, ein An- Schluss des Widerstandes R2, ein Anschluss des Kondensators Ci, ein Anschluss des Kondensators C ₂ und die Anode der Diode D ₂ .

Ein Ausführungsbeispiel für einen bekannten Hochsetzsteller ist in der Figur 2 gezeigt. Dieser Hochsetzsteller wandelt eine niedrigere Eingangsgleichspannung Ul in eine höhere Ausgangsgleichspannung U2 um. Die Eingangsgleichspannung Ul fällt über einem Kondensator C ₄ ab, die Ausgangsgleichspannung U2 über einem Kondensator C ₅ . Der erste Anschluss des Kondensators C ₄ ist über eine Spule L _H und eine Diode D ₃ mit dem ersten Anschluss des Kondensators C ₅ verbunden. Zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Spule L _H und der Diode D ₃ und Masse M ist ein Schalter Sl angeordnet.

Im Betrieb eines Kraftfahrzeugs kann es dazu kommen, dass bei einem Auftreten von Extrembedingungen, zu denen sehr niedrige Außentemperaturen, eine bereits geschwächte Batterie und das Vorliegen eines Startvorganges gehören, Eingangsspannungen eines Buck-Wandlers auftreten können, die kleiner sind als die gewünschte Ausgangsgleichspannung des Buck-Wandlers. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann ein Hochsetzsteller (Boost- Konverter) dem Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) vorgeschaltet werden, vgl. z.B. die US 2008/0157732 Al und die DE 195 42 085 B4, aber auch die US 2001/0023488 Al, wo auf das Problem von Spannungsabfällen in Kraftfahrzeugen beim Zünden hingewiesen und zur Lösung dieses Problems der Einbau eines Boost- Konverters vorgeschlagen wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kostengünstigen Gleichspannungswandler anzugeben, welcher auch in dem Falle, dass dessen Versorgungs- bzw. Eingangsgleichspannung für einen kurzen Zeitraum kleiner ist als die gewünschte Aus- gangsgleichspannung, die gewünschte Ausgangsgleichspannung bereitstellt .

Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Aus- gestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass ein herkömmlicher Gleichspannungswandler mit nur geringem zusätzlichen Schaltungsaufwand dazu in die Lage versetzt werden kann, auch im Falle kurzzeitiger starker Einbrüche der Versorgungs- bzw. Eingangsgleichspannung die gewünschte Ausgangsgleichspannung bereitzustellen. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass dem Tiefsetzsteiler des Gleichspannungswandlers ein zu- schaltbarer Hochsetzsteller vorgeschaltet wird, wobei vorzugsweise Bauteile einer Verpolschutzschaltung und eines Eingangsfilters mitverwendet werden. Als zusätzliches Bauteil bedarf es lediglich eines Schaltelementes, mittels dessen das Zuschalten des Hochsetzstellers durchgeführt werden kann, so- bald dies notwendig ist.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 ein Schaltbild eines herkömmlichen Buck-Wandlers, wie vorstehend beschrieben;

Fig. 2 ein Schaltbild eines herkömmlichen Hochsetzstellers, wie vorstehend beschrieben; und Fig. 3 ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers gemäß der Erfindung, wobei die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauteile des Gleichspannungswandlers gezeigt sind.

Der in Fig. 3 dargestellte Gleichspannungswandler ist dazu vorgesehen, eine höhere Eingangsgleichspannung U _E , die zwischen einem ersten Eingangsanschluss El und einem zweiten Eingangsanschluss E2 anliegt, umzuwandeln in eine Ausgangsgleichspannung U _A , die zwischen einem ersten Ausgangsan- Schluss Al und einem zweiten Ausgangsanschluss A2 anliegt. Am zweiten Eingangsanschluss E2 und am zweiten Ausgangsanschluss A2 liegt jeweils ein Bezugspotential, insbesondere Massepotential, an. Die höhere Eingangsgleichspannung beträgt beispielsweise 24 V. Die niedrigere Ausgangsgleichspannung be- trägt beispielsweise 12 V. Ein derartiger Anwendungsfall ist bei Kraftfahrzeugen gegeben, um eine 24 V-Bordnetzspannung in eine 12 V-HiIfsspannung umzuwandeln, die für ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs als Versorgungsspannung benötigt wird.

Diese Spannungswandlung wird beim gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Tiefsetzsteiler 3 vorgenommen, dessen Aufbau mit dem Aufbau des in der Figur 1 gezeigten Tiefsetzstellers 3 übereinstimmt. Diesem Tiefsetzsteiler 3 ist gemäß der Figur 3 ein gestrichelt umrahmter Block vorgeschaltet, der mit 1 + 2 + 4 bezeichnet ist. Dieser Block enthält eine Verpolschutz- schaltung 1, ein Eingangsfilter 2 und einen Hochsetzsteller 4, wobei der Hochsetzsteller 4 zuschaltbar ist und Bauteile der Verpolschutzschaltung 1 und des Eingangsfilters 2 mitverwendet .

Zum Eingangsfilter 2 gehören Kondensatoren Ci und C ₂ sowie ein Spule L _F .

Die Verpolschutzschaltung 1 weist eine Verpolschutzdiode D _v auf, deren Anode mit einem Anschluss der Spule L _F verbunden ist. Um die Gesamtverlustleistung der Verpolschutzschaltung zu reduzieren, kann in vorteilhafter Weise parallel zur Verpolschutzdiode die Schaltstrecke eines Feldeffekttransistors T _v angeordnet sein, dessen Steuereingang mit einem Schaltungsknoten K verbunden ist. Der Schaltungsknoten K steht über eine Parallelschaltung eines Widerstandes Ri und einer Zener- diode D _z mit der Anode der Verpolschutzdiode D _v und einem An- Schluss der Spule L _F in Verbindung. Des Weiteren ist der

Schaltungsknoten K über einen Widerstand R ₂ und einen Schalter S2 mit einem zweiten Eingangsspannungsanschluss E2 verbunden, an welchem ein Bezugspotential M anliegt. Die Anode der Zenerdiode D _z ist mit dem Schaltungsknoten K verbunden, deren Kathode mit der Anode der Verpolschutzdiode D _v .

Zum zuschaltbaren Hochsetzsteller 4 gehören die Kondensatoren Ci und C2, die Spule L _F , der Schalter Sl und die Diode D _v . Bei dem Schalter Sl handelt es sich vorzugsweise um einen Bipo- lartransistor, da ein Bipolartransistor bei einer eventuellen Verpolung weniger kritisch reagiert als ein Feldeffekttransistor. Zwischen dem Emitter dieses Bipolartransistors und Masse und/oder in Reihe zum Widerstand R ₅ kann eine Diode eingesetzt werden, um den Verpolschutz zu verbessern; vgl. auch die in Fig. 3 zwischen dem Emitter und Masse strichliert eingezeichnete Diode D _V s; vgl. im Übrigen auch DE 195 42 085 B4 und DE 100 24 853 A, wo derart übliche Serienschaltungen von Schutzdioden mit Schalttransistoren gezeigt sind.

Folglich verwendet der Hochsetzsteller 4 die Kondensatoren Ci und C2 und die Spule L _F des Eingangsfilters und die Diode D _v der Verpolschutzschaltung . Es bedarf lediglich des zusätzlichen Schalters Sl, um das Eingangsfilter und die Verpolschutzdiode zu einem Hochsetzsteller umzubilden.

Des Weiteren weist der in der Figur 3 gezeigte Gleichspannungswandler eine Steuereinheit SE auf, deren Ausgangssignal über einen Widerstand R3 der Basis des Bipolartransistors Sl zugeführt wird. Die Basis des Bipolartransistors Sl ist über einen Widerstand R4 und eine Zenerdiode D _Z 2 mit der Spule L _F verbunden. Des Weiteren ist die Basis des Bipolartransistors Sl über einen Widerstand R5 mit dem Eingangsanschluss E2 und damit mit Masse verbunden. Durch eine geeignete Ansteuerung der Basis des Bipolartransistors Sl ist der Hochsetzsteller 4 schaltbar .

Der in der Figur 3 dargestellte Gleichspannungswandler weist zwei Betriebsarten auf. In der ersten Betriebsart sind das Eingangsfilter 2 und die Verpolschutzschaltung 1 aktiviert und der Hochsetzsteller 4 deaktiviert. In dieser ersten Betriebsart ist der Bipolartransistor Sl gesperrt und damit inaktiv. Dies hat den Vorteil, dass der Bipolartransistor Sl in der ersten Betriebsart keine Verluste verursacht, wie es dann der Fall wäre, wenn der Hochsetzsteller 4 ständig aktiv wäre. Folglich treten in der genannten ersten Betriebsart dieselben Verluste auf, wie sie bei einer alleinigen Verwendung eines Tiefsetzstellers 3 mit vorgeschalteter Verpolschutzschaltung 1 und vorgeschaltetem Eingangsfilter 2 auftreten würden. Diese erste Betriebsart ist der Normalfall, in welchem die Funktion des PI-Filters 2 nicht beeinträchtigt ist. Dieser Normalfall liegt vor, solange die Eingangsgleichspannung U _E größer ist als die gewünschte Ausgangsgleichspannung U _A . In die- ser ersten Betriebsart arbeitet die in der Figur 3 gezeigte Schaltung ebenso wie die in der Figur 1 gezeigte Schaltung, gemäß welcher dem Tiefsetzsteller 3 eine Verpolschutzschaltung 1 und ein Eingangsfilter 2 vorgeschaltet sind. In dieser ersten Betriebsart ist die Verpolschutzdiode D _v im Flussfall durch die Schaltstrecke des Transistors T _v überbrückt, um die entstehende Verlustleistung zu verringern.

Sinkt die Eingangsgleichspannung U _E aber auf einen Spannungswert ab, der kleiner ist als die gewünschte Ausgangsgleich- Spannung U _A , dann steuert die Steuereinheit SE die Basis des Bipolartransistors Sl derart an, dass der Hochsetzsteller 4 aktiviert wird und die unerwünscht niedrige Eingangsgleichspannung U _E auf einen Gleichspannungswert hochsetzt, der größer oder gleich der gewünschten Ausgangsgleichspannung U _A ist. In dieser zweiten Betriebsart ist folglich der Hochsetzsteller 4 zugeschaltet bzw. aktiviert. Die Verpolschutzschaltung 1 und das Eingangsfilter 2 sind in dieser zweiten Betriebsart deaktiviert. Die zweite Betriebsart kann im Betrieb eines Kraftfahrzeugs beispielsweise dann auftreten, wenn Extrembedingungen vorliegen. Eine Extrembedingung liegt beispielsweise dann vor, wenn bei einer sehr niedrigen Außentemperatur bei bereits schwacher Batterie ein Startvorgang des Kraftfahrzeugs in die Wege geleitet wird. Diese zweite Betriebsart liegt in der Praxis nur für eine kurze Zeitspanne vor, die typischer Weise zwischen 200 ms und 500 ms liegt. Für die Dauer dieser kurzen Zeitspanne wird in Kauf genommen, dass das Eingangsfilter seine gewünschten Wirkungen nicht erfüllen kann.

Des Weiteren ist in dieser zweiten Betriebsart der Transistor T _v abgeschaltet. Die Diode D _v wirkt deshalb wie eine herkömm- liehe Diode. Die dabei entstehenden Verluste können für die kurze Zeitspanne, in welcher die zweite Betriebsart aktiv ist, toleriert werden. Das Abschalten des Transistors T _v erfolgt über den Schalter S2, der von der Steuereinheit SE entsprechend angesteuert wird.

Zur Ansteuerung des Bipolartransistors Sl stellt die Steuereinheit SE im einfachsten Fall ein Rechtecksignal konstanter Frequenz mit konstantem Tastverhältnis zur Verfügung. Ein Regeln kann entfallen, da ohnehin eine Regelung des nachge- schalteten Tiefsetzstellers 3 erfolgt.

Wird dem Hochsetzsteller 4 ausgangsseitig zu wenig Strom entnommen, dann steigt die Spannung am Kondensator C ₂ solange, bis die Energiebilanz wieder ausgeglichen ist. Ein derartiger Anstieg kann auf einfache Weise beispielsweise durch eine mit der Basis des Bipolartransistors Sl über den Widerstand R4 verbundene Zenerdiode D ₂₂ verhindert werden. Über diese Ze- nerdiode D _z2 wird der Bipolartransistor Sl beim Vorliegen einer Überspannung eingeschaltet und dadurch überschüssige E- nergie nach Masse M abgeleitet. Alternativ dazu kann ein Anstieg der Ausgangsspannung auch durch eine Reduktion des Tastverhältnisses der Ansteuersignale des Bipolartransistors Sl verhindert werden. Eine weitere Alternative besteht darin, unter Verwendung der Steuereinheit SE eine Regelschleife zu bilden, wobei die Spannung am Kondensator C ₂ gemessen wird und das zur Ansteuerung des Schalters Sl verwendete Tastverhältnis nachgeregelt wird. In diesem Falle kann gegebenenfalls auf den Widerstand R ₄ und die Zenerdiode D ₂₂ verzichtet werden.

Eine weitere Alternative besteht darin, dass die Steuereinheit SE dauerhaft ein Rechtecksignal zur Verfügung stellt und dieses Rechtecksignal über eine Zusatzschaltung, beispielsweise einen Komparator, der die Spannung am Kondensator C ₂ überwacht, an die Basis des Schalters Sl durchschaltet.

Die Steuereinheit SE ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie nach einer Einleitung der zweiten Betriebsart deren Dauer überwacht und die zweite Betriebsart nach Ablauf einer vorgegebenen Maximaldauer beendet, um eine Zerstörung der Vorrichtung zu verhindern. Diese Maximaldauer liegt beispielsweise im Bereich einiger 500 ms.