CH710661B1 - DC / DC converter and method for controlling a soft-switching DC / DC converter. - Google Patents

DC / DC converter and method for controlling a soft-switching DC / DC converter. Download PDF

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CH710661B1
CH710661B1 CH00120/15A CH1202015A CH710661B1 CH 710661 B1 CH710661 B1 CH 710661B1 CH 00120/15 A CH00120/15 A CH 00120/15A CH 1202015 A CH1202015 A CH 1202015A CH 710661 B1 CH710661 B1 CH 710661B1
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Bortis Dominik
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Abstract

Ein erfindungsgemässer DC/DC-Konverter in Form eines Tiefsetzstellers, Hochsetzstellers oder Inverswandlers weist eine Wandlerinduktivität (L) und einen Induktivitätskurzschlussschalter (Q3, Q4, D3, D4) auf, welcher parallel zur Wandlerinduktivität (L) geschaltet ist. Der Induktivitätskurzschlussschalter (Q3, Q4, D3, D4) ist nach Stromrichtungen getrennt steuerbar. In einem erfindungsgemässen Verfahren zum Betrieb des DC/DC-Konverters wird ein Zeitintervall, während dem der Induktivitätskurzschlussschalter (Q3, Q4, D3, D4) eingeschaltet ist, variiert, um eine Periodendauer respektive eine Schaltfrequenz, mit welcher der DC/DC-Konverter betrieben wird, zumindest annähernd konstant zu halten. Dabei werden die Schaltvorgänge so gesteuert, dass für alle Schaltelemente (Q1, Q2, Q3, Q4) jeweils weiche Schaltvorgänge («soft switching») resultieren.A DC / DC converter according to the invention in the form of a step-down converter, step-up converter or inverter has a converter inductance (L) and an inductance short-circuit switch (Q3, Q4, D3, D4) which is connected in parallel to the converter inductance (L). The inductance short-circuit switch (Q3, Q4, D3, D4) can be controlled separately according to current directions. In a method according to the invention for operating the DC / DC converter, a time interval during which the inductance short-circuiting switch (Q3, Q4, D3, D4) is switched on is varied by a period duration or a switching frequency with which the DC / DC converter operates is going to keep, at least approximately constant. The switching operations are controlled in such a way that soft switching processes ("soft switching") result for all switching elements (Q1, Q2, Q3, Q4).

Description

Beschreibungdescription

Stand der Technik [0001] Das Bauvolumen von DC/DC-Konvertern, wie z.B. Tiefsetzstellern, wird massgeblich durch die passiven Komponenten, d.h. durch die Ausgangsinduktivität und die Ausgangskapazität, bestimmt. Aufgabe des Ausgangsfilters ist die Tiefpassfilterung der durch die Schaltstufe des Konverters erzeugten Spannung; entsprechend kann bei höherer Schaltfrequenz die Knickfrequenz des Filters erhöht und damit die Baugrösse der Filterelemente verringert werden. Allerdings wird der Erhöhung der Schaltfrequenz durch die mit der Frequenz steigenden Schaltverluste eine Grenze gesetzt. Bei hohen Taktfrequenzen werden daher bevorzugt weich schaltende Konverter eingesetzt, welche das gleichzeitige Auftreten von Strom und Spannung eines Schaltelementes vermeiden, d.h. vor dem Einschalten die Spannung über dem Schalter auf Null verringern (Zero Voltage Turn-on) oder beim Ausschalten die parasitäre Kapazität der Schaltelemente als Ausschaltentlastungskapazität nutzen, sodass der Spannungsanstieg über dem Schalter verzögert wird und der Strom im Schaltelement bereits unterbrochen ist, bevor die Spannung massgebliche Werte erreicht (Zero Voltage Turn-off). Insgesamt wird diese durch vernachlässigbare Schaltverluste gekennzeichnete Betriebsweise als Zero Voltage Switching (ZVS) bezeichnet.Background Art The volume of construction of DC / DC converters, such as e.g. Buck converters, is significantly affected by the passive components, i. by the output inductance and the output capacitance. The task of the output filter is the low-pass filtering of the voltage generated by the switching stage of the converter; Accordingly, the bending frequency of the filter can be increased at higher switching frequency and thus the size of the filter elements can be reduced. However, the increase of the switching frequency is set by the frequency-increasing switching losses a limit. At high clock frequencies, therefore, soft-switching converters are preferably used which avoid the simultaneous occurrence of current and voltage of a switching element, i. Before switching on, reduce the voltage across the switch to zero (zero voltage turn-on) or, when switching off, use the parasitic capacitance of the switching elements as switch-off discharge capacitance so that the voltage rise across the switch is delayed and the current in the switching element is already interrupted before the voltage significant values achieved (zero voltage turn-off). Overall, this operation, characterized by negligible switching losses, is referred to as Zero Voltage Switching (ZVS).

[0002] Vorteilhaft wird ZVS durch entsprechende Steuerung der Konvertergrundstruktur, d.h. ohne Hilfsschalter, erreicht. Eine derartige Betriebsweise wird z.B. in der Schweizerischen Patentanmeldung CH 0 480/10 und dem schweizerischen Patent CH 701 856 (Anmeldenummer CH 1 451/09) beschrieben und ist durch einen dreieckförmigen Verlauf des Stromes in der Tiefsetzstellerinduktivität gekennzeichnet, wobei der Strom am Ende jeder Schaltperiode, d.h. am Ende des Ausschaltintervalls des Tiefsetzstellerschalters, einen geringfügig negativen Strom aufweist. Die Einstellung dieses Stromes wird durch einen antiparallel zur Freilaufdiode liegenden Schalter (Freilaufschalter) ermöglicht, welcher auch im Leitintervall der Diode durchgeschaltet ist und so eine Stromführung mit geringem Vorwärtsspannungsabfall bzw. eine Verringerung der Leitverluste ermöglicht (synchrone Gleichrichtung). Durch den negativen Strom wird nach dem Ausschalten die parasitäre Kapazität des Freilaufschalters bzw. der Freilaufdiode aufgeladen, bzw. die parasitäre Kapazität des Tiefsetzstellerschalters (z.B. einen Leistungs-MOSFETs) entladen und damit schliesslich Spannung Null am Tiefsetzstellerschalter erreicht, womit die parasitäre interne Diode des Leistungs-MOSFETs leitend wird und die Spannung auf Null klemmt, womit der Tiefsetzstellerschalter bzw. der Leistungs-MOSFET bei Spannung Null, d.h. ohne Verluste, eingeschaltet werden kann und der Strom in der Tiefsetzstellerinduktivität wieder ansteigt.Advantageously, ZVS is achieved by appropriate control of the basic converter structure, i. without auxiliary switch, reached. Such an operation is e.g. in Swiss patent application CH 0 480/10 and Swiss patent CH 701 856 (application number CH 1 451/09), and is characterized by a triangular waveform of the current in the buck converter inductance, the current being at the end of each switching period, i. at the end of the turn-off interval of the buck converter switch, having a slightly negative current. The adjustment of this current is made possible by an antiparallel to the free-wheeling diode switch (freewheeling switch), which is also turned on in the conducting interval of the diode, thus allowing a current control with low forward voltage drop or a reduction of the conduction losses (synchronous rectification). After switching off, the parasitic capacitance of the freewheeling switch or freewheeling diode is charged by the negative current, or the parasitic capacitance of the step-down switch (eg, a power MOSFET) is discharged and finally voltage zero at the step-down switch is reached, whereby the parasitic internal diode of the power -MOSFETs becomes conductive and the voltage is clamped to zero, whereby the buck converter switch or the power MOSFET at zero voltage, ie without losses, can be turned on and the current in the buck converter inductance increases again.

[0003] Allerdings tritt durch die Dreieckform des Stromes in der Tiefsetzstellerinduktivität eine relativ hohe Variation der Schaltfrequenz über dem Betriebsbereich auf, da zwar die Steilheit der steigenden und fallenden Flanke des Stromes durch die Differenz von Ein- und Ausgangsspannung bzw. durch die Ausgangsspannung definiert sind, der Spitzenwert des Stromes näherungsweise jedoch stets gleich dem zweifachen Ausgangsstrommittelwert einzustellen ist, womit eine direkt von der Ausgangsleistung bestimmte Schaltfrequenzvariation resultiert. Insbesondere treten bei kleiner Ausgangsleistung kleine Stromspitzenwerte und damit aufgrund der festliegenden Stromsteilheiten sehr hohe Schaltfrequenzen auf. Andererseits sinkt die Schaltfrequenz bei hohen Leistungen auf tiefe Werte.However, occurs by the triangular shape of the current in the buck converter inductance on a relatively high variation of the switching frequency over the operating range, since although the steepness of the rising and falling edge of the current are defined by the difference of input and output voltage or by the output voltage however, the peak value of the current is approximately equal to twice the output current average, thus resulting in a switching frequency variation determined directly by the output power. In particular, small current peak values occur at a low output power and thus very high switching frequencies due to the fixed current gradients. On the other hand, the switching frequency drops to low values at high powers.

[0004] Zur Verringerung der Schaltfrequenzvariation ist bekannt, einen Kurzschlussschalter über der Tiefsetzstellerinduktivität anzuordnen, welcher erlaubt, den geringfügig negativen Umladestrom am Ende des Ausschaltintervalls für einen längeren Zeitabschnitt beizubehalten und so bei kleinen Ausgangsleistungen die Zunahme der Schaltfrequenz zu begrenzen. Der auch als Clamp-Switch oder Induktivitätskurzschlussschalter bezeichnete Schalter wird dabei gleichzeitig mit dem Abschalten des Freilaufschalters durchgeschaltet und damit die parasitäre Kapazität des Freilaufschalters und der Freilaufdiode hart auf die Ausgangsspannung aufgeladen, bzw. die parasitäre Kapazität des Clamp-Switch hart entladen. Der negative Strom der Ausgangsinduktivität zirkuliert dann über den Clamp-Switch, über der Induktivität liegt Spannung Null. Dieses Clamp-Intervall wird mit dem Abschalten des Clamp-Switch beendet. Der noch immer negative Strom lädt dann die Kapazität von Freilaufschalter und Freilaufdiode und des Clamp-Switch bzw. entlädt die Kapazität des Tiefsetzstellerschalters in Form einer Schwingung, bis Spannung Null über dem Tiefsetzstellerschalter auftritt und der Schalter, wie oben beschrieben, unter Spannung Null wieder einschaltet werden kann. Insgesamt kann durch Erhöhung der Länge des Clamp-Intervalls die Schaltfrequenz verringert und so auch bei kleinen Ausgangsleistungen eine niedrigere Schaltfrequenz sichergestellt werden. Allerdings steigt dabei der Spitzenwert des Stromes in der Induktivität, da der lokale Mittelwert des Stromes in der Tiefsetzstellerinduktivität gleich dem Ausgangsstrom sein muss. Festzuhalten ist, dass der Clamp-Switch hier nur für negativen Stromfluss geeignet sein muss, worauf in der Literatur jedoch nicht hingewiesen wird.To reduce the switching frequency variation is known to arrange a short-circuit switch on the buck converter inductance, which allows to maintain the slightly negative Umladestrom at the end of the turn-off for a longer period of time and thus to limit the increase of the switching frequency at low output powers. The switch, which is also referred to as a clamp switch or inductance short-circuit switch, is switched on simultaneously with the disconnection of the freewheeling switch and thus charges the parasitic capacitance of the freewheeling switch and the freewheeling diode hard to the output voltage, or hard discharges the parasitic capacitance of the clamp switch. The negative current of the output inductance then circulates through the clamp switch, across the inductance voltage is zero. This clamp interval stops when the clamp switch is turned off. The still negative current then charges the capacity of the freewheeling switch and freewheeling diode and the clamp switch or discharges the capacity of the buck converter switch in the form of a vibration until zero voltage across the buck converter switch occurs and the switch, as described above, turns on again at zero voltage can be. Overall, by increasing the length of the clamp interval, the switching frequency can be reduced, thus ensuring a lower switching frequency even at low output powers. However, the peak value of the current in the inductance increases since the local mean value of the current in the step-down inductance must be equal to the output current. It should be noted that the clamp switch here only has to be suitable for negative current flow, which is not mentioned in the literature.

[0005] Aufgrund des Freilaufschalters kann der vorstehend beschriebene Tiefsetzsteller auch mit inverser Leistungsflussrichtung, d.h. mit negativem Strommittelwert in der Induktivität betrieben werden. Es tauschen dann Freilaufschalter und Tiefsetzstellerschalter ihre Funktion, und es liegt insgesamt Hochsetzstellerbetrieb vor, da nun ja Leistung von der niedrigen Ausgangsspannung in die höhere Eingangsspannung geliefert wird. Insgesamt liegt also ein bidirektionaler DC/DC-Konverter vor. Der Clamp-Switch muss demgemäss Ströme in beiden Richtungen führen und Spannungen in beiden Richtungen sperren können, d.h. es ist ein Vierquadrantenschalter vorzusehen. Wird dieser Schalter in der vorstehend beschriebenen Form angesteuert, d.h. werden beide Transistoren im Abschaltzeitpunkt des Freilaufschalters gleichzeitig durchgeschaltet, tritt wie bereits oben erwähnt eine unmittelbare Entladung der parasitären Kapazität des Clamp-Switch und eine plötzlich Entladung der parasitären Kapazität des Tiefsetzstellerschalters von der vollen Eingangsspannung auf die Differenz von Ein- und Ausgangsspannung sowie eine plötzliche Aufladung der Ausgangskapazität des Freilaufschal ters auf die Ausgangsspannung auf. Hierdurch werden Schalterverluste verursacht und somit die eingangs erwähnte Schaltfrequenzerhöhung insgesamt begrenzt, bzw. elektromagnetische Störungen verursacht.Due to the free-wheeling switch, the step-down converter described above can also be used with inverse power flow direction, i. be operated with a negative average current in the inductance. It then change freewheel and buck converter switch their function, and there is a total boost converter operation, since now indeed power is supplied from the low output voltage to the higher input voltage. Overall, therefore, there is a bidirectional DC / DC converter. The clamp switch must accordingly carry currents in both directions and block voltages in both directions, i. it is a four-quadrant switch provided. When this switch is driven in the form described above, i. both transistors are turned on at the same time as the freewheeling switch, as mentioned above, an immediate discharge of the parasitic capacitance of the clamp switch and a sudden discharge of the parasitic capacitance of the buck converter switch from the full input voltage to the difference of input and output voltage and a sudden charge the output capacitance of the freewheel scarf age on the output voltage. As a result, switch losses are caused and thus limits the aforementioned switching frequency increase total, or causes electromagnetic interference.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen DC/DC-Konverter und ein Verfahren zu dessen Ansteuerung zu schaffen, sodass für Tief- oder Hochsetzstellerbetrieb weiches Schalten ermöglicht wird.The object of the invention is therefore to provide a DC / DC converter and a method for its control, so that soft switching is possible for deep or Hochsetzstellerbetrieb.

[0007] Der DC/DC-Konverter kann in Form eines Tiefsetzstellers, Hochsetzstellers oder Inverswandlers realisiert sein und weist eine Wandlerinduktivität auf, sowie einen Induktivitätskurzschlussschalter, welcher parallel zur Wandlerinduktivität geschaltet ist, und welcher nach Stromrichtungen getrennt steuerbar ist.The DC / DC converter may be implemented in the form of a buck converter, boost converter or inverter converter and has a Wandlerinduktivität, and a Induktivitätskurzschlussschalter, which is connected in parallel to the Wandlerinduktivität, and which is separately controllable according to current directions.

[0008] «Nach Stromrichtungen getrennt» bedeutet beispielsweise, dass als Teil des Induktivitätskurzschlussschalters Schalter vorliegen, mit denen selektiv und unabhängig voneinander gesteuert werden kann, ob ein Strom durch den Schalter in die eine Richtung oder in die Gegenrichtung fliessen kann."Separated according to current directions" means, for example, that are present as part of the Induktivitätskurzschlussschalters switch with which can be selectively and independently controlled whether a current can flow through the switch in one direction or in the opposite direction.

[0009] Im Verfahren zum Betrieb des DC/DC-Konverters wird ein Zeitintervall, während dem der Induktivitätskurzschlussschalter (Q3, Q4, D3, D4) eingeschaltet ist, variiert, um eine Periodendauer respektive eine Schaltfrequenz, mit welcher der DC/DC-Konverter betrieben wird, zumindest annähernd konstant zu halten oder einem vorgegebenen, z.B. zeitabhängigen Sollwertverlauf anzupassen. Dabei werden die Schaltvorgänge so gesteuert, dass jeweils weiche Schaltvorgänge («soft switching») resultieren.In the method of operation of the DC / DC converter, a time interval during which the inductance shorting switch (Q3, Q4, D3, D4) is turned on is varied to one period or one switching frequency at which the DC / DC converter is operated to keep at least approximately constant or a predetermined, eg adjust time-dependent setpoint course. The switching operations are controlled in such a way that soft switching processes result in each case ("soft switching").

[0010] Es kann eine Abfolge von Schaltvorgängen bestimmt und vorgegeben werden, wobei bei der Ausführung des Verfahrens aufgrund von Messungen des Stroms durch die Wandlerinduktivität, insbesondere von Nulldurchgängen desselben, die Schaltzeitpunkte bestimmt respektive die Schaltvorgänge ausgelöst werden können.It can be determined and specified a sequence of switching operations, wherein in the execution of the method due to measurements of the current through the Wandlerinduktivität, in particular of zero crossings thereof, the switching times determined respectively the switching operations can be triggered.

[0011] In Ausführungsformen der Erfindung sind die folgenden Aspekte realisiert: • Der Clamp-Switch oder Induktivitätskurzschlussschalter ist durch einen Vierquadrantenschalter realisiert, der nach Stromrichtungen getrennt steuerbar ist (Monolithic Bidirectional Switch mit 2 Gates, Antiserienschaltung von zwei unidirektionalen Schaltern mit anitparallelen Freilaufdioden, Antiparallelschaltung von Halbleitern mit Reverse Blocking Charakteristik, z.B. Reverse Blocking IGBTs). • Der Induktivitätskurzschlussschalter kann für bidirektionale Tiefsetzsteller (Buck-), Hochsetzsteller (Boost-), und Inverswandler (Buck-Boost-Converter) eingesetzt werden. Dabei weisen in allen diesen Varianten jeweils die Ein-gangsklemme/Ausgangsklemme und Bezugsspannungsschiene zueinander eingeprägte, z.B. durch Kondensatoren gestützte, Spannungen auf. Bei Tiefsetzsteller-Betrieb wird die Eingangsspannung zwischen Eingangsklemme und Bezugsspannungsschiene angelegt und die Ausgangsspannung tritt zwischen Ausgangsklemme und Bezugsspannungsschiene auf. Kehrt sich die Leistungsflussrichtung des Tiefsetzstellers um, d.h. wird Leistung vom Ausgang des Tiefsetzstellers an den Eingang zurückgespeist, liegt im Sinne der Spannungsübersetzung Hochsetzstellerbetrieb vor. Analog kann ein Hochsetzsteller mit Leistungsfluss entgegen der Spannungsübersetzungsrichtung als Tiefsetzsteller gesehen werden. Für Inverswandlerbetrieb wird die Eingangsspannung zwischen der Tiefsetzsetzstellereingangsklemme (positiver Pol) und Tiefsetzstellerausgangsklemme (negativer Pol) angelegt und die Ausgangsspannung zwischen der Bezugsspannungsschiene (negativer Pol) und Ausgangsklemme des Tiefsetzstellers (positiver Pol) abgegriffen, die Ausgangsklemme stellt also den für Ein- und Ausgangskreis des Inverswandlers gemeinsamen Schaltungspunkt dar. Entsprechend sind typisch zwischen Ein- und Ausgangsklemme und Bezugsspannungsschiene und Ausgangsklemme Stützkondensatoren angeordnet. • Für unidirektionale Schaltung ist ein vereinfachter Induktivitätskurzschlussschalter, gebildet aus der Serienschaltung einer Diode und eines Schalters, ausreichend. Auch in diesem Fall ist der Induktivitätskurzschlussschalter nach Stromrichtungen getrennt steuerbar. • Die Schaltung wird modifiziert zu einem AC/DC-Wandler (beispielsweise für PFC, Power Factor Correction) oder zu einem AC/AC-Wandler. Auch in diesen Fällen kann ein Induktivitätskurzschlussschalter eingesetzt werden. Er kann insbesondere bei Volllast nur in der Umgebung der Nulldurchgänge mit breiter werdendem Aktivierungsintervall bei kleiner werdender Last betrieben werden. • Betrieb des Induktivitätskurzschlussschalters bei DC/DC-Konvertern nur im Teillastbereich, bzw. bei DC/DC-Kon-vertern mit zeitlich veränderlicher Ein- und/oder Ausgangsspannung nur in jenen Bereichen, wo die Schaltfrequenz unzulässig hohe Werte erreichen würden. • Wahl der Breite eines Ruheintervalls mit einem negativem Hilfsstrom durch den Induktivitätskurzschlussschalter derart, dass über einen gewissen Lastbereich oder einen Ein- und Ausgangsspannungsbereich nur eine relativ geringe Schaltfrequenzvariation auftritt, respektive eine Gesamtperiode der wiederholt durchgeführten Schaltvorgänge möglichst gleich bleibt. • Einer der beiden Schalter des Induktivitätskurzschlussschalters kann für Synchrongleichrichtung des Induktivitätskurzschlussschalters eingeschaltet bleiben. Alternativ kann das Einschalten unterbleiben, um die Steuerung zu vereinfachen, bzw. kann bei nur unidirektionalem Leistungsfluss einer der beiden Schalter des Induktivitätskurz schlussschalters entfallen. In diesem Fall kann dann auch die antiparallele Diode zum anderen der beiden Schalter weggelassen werden.In embodiments of the invention, the following aspects are realized: The clamp switch or inductance short-circuiting switch is realized by a four-quadrant switch, which is separately controllable according to current directions (Monolithic Bidirectional Switch with 2 gates, Antiseries of two unidirectional switches with anitparallelen freewheeling diodes, anti-parallel connection of semiconductors with reverse blocking characteristics, eg reverse blocking IGBTs). • The inductance short-circuit switch can be used for bidirectional Buck (buck), boost (boost), and inverse converter (buck-boost converter). In each of these variants, the input terminal / output terminal and the reference voltage rail are respectively impressed to one another, e.g. capacitor-based voltages. In buck converter operation, the input voltage is applied between the input terminal and the reference voltage rail and the output voltage occurs between the output terminal and the reference voltage rail. If the power flow direction of the buck converter reverses, i. If power is fed back from the output of the step-down converter to the input, this is in the sense of the voltage translation of step-up converter operation. Similarly, a boost converter with power flow contrary to the voltage translation direction can be seen as a buck converter. For inverse conversion operation, the input voltage between the buck converter input terminal (positive pole) and buck converter output terminal (negative pole) is applied and the output voltage between the reference voltage rail (negative pole) and output terminal of the buck converter (positive pole) tapped, the output terminal provides the input and output circuit of the Inverswandlers common circuit point. Accordingly, typically between input and output terminal and reference voltage rail and output terminal support capacitors are arranged. • For unidirectional switching, a simplified inductance short circuit switch made up of the series connection of a diode and a switch is sufficient. Also in this case, the inductance short-circuit switch can be controlled separately according to current directions. • The circuit is modified to an AC / DC converter (eg for PFC, Power Factor Correction) or to an AC / AC converter. Even in these cases, an inductance shorting switch can be used. It can be operated in particular at full load only in the vicinity of the zero crossings with widening the activation interval with decreasing load. • Operation of the inductance short-circuit switch for DC / DC converters only in the partial load range, or for DC / DC converters with time-varying input and / or output voltage only in those areas where the switching frequency would reach inadmissibly high values. • Choice of the width of a rest interval with a negative auxiliary current through the inductance short circuit switch such that over a certain load range or an input and output voltage range only a relatively low switching frequency variation occurs, respectively, a total period of repeated switching operations remains as equal as possible. • One of the two switches of the inductance short-circuit switch can remain switched on for synchronous rectification of the inductance short-circuit switch. Alternatively, the switching can be omitted in order to simplify the control, or can account for only unidirectional power flow of the two switches of the inductance short-circuit switch. In this case, then the antiparallel diode to the other of the two switches can be omitted.

[0012] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:In the following, the subject invention with reference to preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schaltung;Fig. 1 shows an embodiment of a circuit according to the invention;

Fig. 2 Signalverläufe gemäss einem Steuerverfahren zum Betrieb der Schaltung; und Fig. 3 Signalverläufe gemäss einem modifizierten Steuerverfahren.2 signal waveforms according to a control method for operating the circuit; and FIG. 3 shows waveforms according to a modified control method.

[0013] Die im Folgenden anhand eines Tiefsetzstellers beschriebenen Vorgänge und Prinzipien sind in gleicher Weise auf andere DC/DC-Konverter wie Hochsetzsteller und Inverswandler wie auch AC/DC-Wandler oder AC/AC-Wandler mit Induktivitätskurzschlussschaltern übertragbar. Zum Teil können die gleichen Abfolgen von Schaltvorgängen realisiert werden, in anderen Fällen führen analoge Überlegungen in einer dem Fachmann sofort ersichtlichen Weise zu anderen Abfolgen.The operations and principles described below with reference to a buck converter are equally applicable to other DC / DC converter such as boost converter and inverter converter as well as AC / DC converter or AC / AC converter with Induktivitätskurzschlussaltern. In some cases, the same sequences of switching operations can be realized, in other cases, analogous considerations lead to other sequences in a manner immediately apparent to the person skilled in the art.

[0014] Die Schaltungsstruktur eines bidirektionalen DC/DC-Konverters mit Tiefsetzstellercharakteristik ist in Fig. 1 gezeigt. Für die weitere Beschreibung wird eine Leistungsflussrichtung vom Eingang mit Spannung Upn = U1 zum Ausgang mit Spannung Upn = U2 < LH vorausgesetzt und das System demgemäss als Tiefsetzsteller bezeichnet. Für umgekehrte Leistungsflussrichtung (welche aufgrund der Bidirektionalität des Konverters auftreten kann), d.h. bei Leistungsrückspeisung bzw. Leistungslieferung vom Tiefsetzstellerausgang pn zum Tiefsetzstellereingang pn, liegt mit Rücksicht auf die Spannungsübersetzung und Leistungsflussrichtung eigentlich Hochsetzstellerbetrieb vor. Im Sinne einer einfacheren Beschreibung wird darauf jedoch nicht näher eingegangen, sondern stets nur von einem Tiefsetzsteller mit inverser Leistungsflussrichtung oder von Energierückspeisung des Tiefsetzstellers gesprochen, wenn Hochsetzstellerbetrieb vorliegt.The circuit structure of a bidirectional DC / DC converter with buck converter characteristic is shown in FIG. For the further description, a power flow direction from the input with voltage Upn = U1 to the output with voltage Upn = U2 <LH is assumed and the system is accordingly called a step-down converter. For reverse power flow direction (which may occur due to the bidirectionality of the converter), i. in the case of regenerative power supply or power supply from the buck converter output pn to the buck converter input pn, boost converter operation is actually present with regard to the voltage transformation and power flow direction. In the interest of a simpler description, however, this is not discussed in more detail, but is always spoken only by a step-down converter with an inverse power flow direction or by energy recovery of the step-down converter if step-up converter operation is present.

[0015] Die Schaltung weist eine Eingangskapazität C1, einen ersten und einen zweiten Schalter Q1, Q2 des Stellers, mit einer ersten und einer zweiten Freilaufdiode D1, D2, eine Wandlerinduktivität L, in diesem Fall auch Tiefsetzstellerinduktivität genannt, und eine Ausgangskapazität C2 auf. Die Tiefsetzstellerinduktivität L ist an einen Schaltungspunkt x zwischen dem ersten und zweiten Schalter Q1, Q2 angeschlossen.The circuit has an input capacitance C1, a first and a second switch Q1, Q2 of the actuator, with a first and a second freewheeling diode D1, D2, a Wandlerinduktivität L, also called Tiefsetzstellerinduktivität in this case, and an output capacitance C2. The buck converter inductance L is connected to a node x between the first and second switches Q1, Q2.

[0016] Der erste Schalter Q1 ist zwischen den Schaltungspunkt x und eine Eingangsklemme p geschaltet. Der zweite Schalter Q2 ist zwischen den Schaltungspunkt x und eine Bezugsspannungsschiene n geschaltet. Zwischen die Eingangsklemme p und die Bezugsspannungsschiene n ist die Eingangskapazität C1 geschaltet. Anstelle der Eingangskapazität C1 kann auch ein anderes Element, das als Spannungsquelle wirkt, vorliegen. Die Wandlerinduktivität L ist zwischen den Schaltungspunkt x und einer Ausgangsklemme p geschaltet. Zwischen die Ausgangsklemme p und die Bezugsspannungsschiene n ist die Ausgangskapazität C2 geschaltet.The first switch Q1 is connected between the node x and an input terminal p. The second switch Q2 is connected between the node x and a reference voltage rail n. Between the input terminal p and the reference voltage rail n, the input capacitance C1 is connected. Instead of the input capacitance C1, another element which acts as a voltage source may also be present. The transducer inductance L is connected between the node x and an output terminal p. Between the output terminal p and the reference voltage rail n, the output capacitance C2 is connected.

[0017] Es ist ein über der Tiefsetzstellerinduktivität L angeordneter Induktivitätskurzschlussschalter, auch Kurzschlussschalter genannt, als Antiserienschalter eines dritten und vierten Schalters Q3, Q4 mit Common-Emitter oder Common-Kollektor und mit antiparallelen (ggf. parasitären) Freilaufdioden D3 und D4 ausgeführt. Die Konverterfunktion wird nachfolgend anhand von Fig. 2 beschrieben, welche den Zeitverlauf des Stromes iL durch die Tiefsetzstellerinduktivität L, des Ausgangsstromes iout, der Spannung uQ2 über der Tiefsetzstellerfreilaufdiode D2 bzw. dem unmittelbar antiparallelen Tiefsetzstellerfreilaufschalter Q2 (welcher D2 als parasitäres Element aufweisen kann) sowie die Ansteuersignale der Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 zeigt, erläutert. Jedes der Schaltelemente Q1-Q4 weist eine parallele parasitäre Kapazität Cp1-Cp4 auf (in Fig. 1 nicht gezeigt), auch Ausgangskapazität genannt, welche ggf. durch eine externe Kapazitäten erhöht werden kann und zum Erreichen eines Zero Voltage Switchings bzw. allgemein eines weichen Schaltens («softswitching») dient, d.h. beim Ausschalten eines stromführenden Schalters den Strom übernimmt. Durch entsprechenden Betrieb der gesamten Schaltung ist dann dafür zu sorgen, dass die vor dem Einschalten eines Schalters zugehörige Kapazität entladen ist, um Einschaltverluste zu vermeiden. Durch die hier beschriebene Steuerung des Tiefsetzstellers wird dieser Betrieb für alle Schalter Q1-Q4 sichergestellt.It is arranged over the buck converter inductance L Induktivungskurzschlussschalter, also called short-circuit switch, designed as antiserienschalter a third and fourth switch Q3, Q4 with common emitter or common collector and with antiparallel (possibly parasitic) freewheeling diodes D3 and D4. The converter function will be described below with reference to FIG. 2, which shows the time course of the current iL through the buck converter inductance L, the output current iout, the voltage uQ2 across the buck converter freewheeling diode D2 or the directly antiparallel buck converter freewheeling switch Q2 (which may have D2 as a parasitic element) and the drive signals of the switches Q1, Q2, Q3 and Q4, explained. Each of the switching elements Q1-Q4 has a parallel parasitic capacitance Cp1-Cp4 (not shown in FIG. 1), also called output capacitance, which may optionally be increased by an external capacitance and to achieve zero voltage switching or generally a soft one Switching ("softswitching") is used, ie when switching off a current-carrying switch takes over the power. By appropriate operation of the entire circuit is then to ensure that the before switching on a switch associated capacity is discharged to avoid switch-on. The control of the buck converter described here ensures this operation for all switches Q1-Q4.

[0018] Bzgl. der im Weiteren verwendeten Bezeichnungen sei folgende Vereinbarung getroffen: Der einem Zeitpunkt tx zugeordnete Wert der Spannung uy wird kurz als uytx bezeichnet; Beispiel: uQ2 in H :uQ2t1. Gleiches gilt für den Strom. Durchlassspannungen von Dioden und Leistungstransistoren werden vernachlässigt. Schraffur eines Steuersignals bedeutet, dass der zugehörige Transistor in diesem Zeitintervall für eine Verringerung der Komplexität der Steuerung vorteilhaft eingeschaltet verbleiben kann, für die Erfüllung der Schaltungsgrundfunktion ist dies jedoch nicht zwingend erforderlich. Allgemein ist die mit durchgezogenen Linien der Steuersignale in den Abbildungen gezeigte Steuerung so gewählt, dass im Sinne einer Minimierung der Leitverluste im Leitintervall einer Diode stets auch der antiparallele Transistor möglichst früh durchgeschaltet wird, wobei das Durchschalten nicht unmittelbar mit dem Leitendwerden der Diode, sondern geringfügig zeitverzögert erfolgt, da eine Detektion des Leitens der Diode, welche anschliessend das Einschalten des Schalters auslöst, eine gewisse Signallaufzeit aufweisen würde oder bei zeitlich fester Steuerung Sicherheitszeiten vorzusehen wären.Bzgl. the following agreement is made for the designations used below: the value of the voltage uy assigned to a time tx is briefly referred to as uytx; Example: uQ2 in H: uQ2t1. The same applies to the electricity. Forward voltages of diodes and power transistors are neglected. Hatching a control signal means that the associated transistor can advantageously remain turned on in this time interval for a reduction in the complexity of the control, but this is not absolutely necessary for the fulfillment of the basic circuit function. In general, the control shown by solid lines of the control signals in the figures is chosen so that in the sense of minimizing the conduction losses in the conducting interval of a diode always the antiparallel transistor is turned on as early as possible, the switching not directly with the Leitendwerden the diode, but slightly delayed, since a detection of the conduction of the diode, which then triggers the switching of the switch, would have a certain signal propagation time or would be provided with timely fixed control safety times.

[0019] Zeitpunkt t0: Der Strom iL steigt aufgrund der an L liegenden positiven Spannung uL = U1 - U2 ausgehend: von iLtO = 0 linear an; Q1 wurde spätestens unmittelbar vor dem Nulldurchgang des Stroms iL spannungslos eingeschaltet, da der Strom dann durch die antiparallele Diode D1 von Q1 fliesst (Q1 kann D1 als parasitäres Element aufweisen). Transistor Q3 ist eingeschaltet, d.h. es gilt uQ3 = 0; die positive Spannung uL über L tritt damit über D4 in Sperrrichtung auf (Q4 ist ausgeschaltet), d.h. Cp4 ist auf U1 - U2 geladen.Time t0: The current iL increases due to the lying at L positive voltage uL = U1 - U2 starting: from iLtO = 0 linearly; Q1 was energized at the latest immediately before the zero crossing of the current iL, since the current then flows through the antiparallel diode D1 of Q1 (Q1 may have D1 as a parasitic element). Transistor Q3 is turned on, i. we have uQ3 = 0; the positive voltage uL across L thus reversely over D4 (Q4 is off), i. Cp4 is loaded on U1 - U2.

[0020] Zeitpunkt t1: Q1 wird spannungslos abgeschaltet, wobei t1 gegenüber tO so gewählt wird, dass über die gesamte Taktperiode t0...t14 einerseits der gewünschte Leistungstransfer stattfindet und andererseits genügend Strom in L zur Verfügung steht, um letztlich ein spannungsloses Einschalten von Q2 zum späteren Zeitpunkt t6 zu ermöglichen); der durch L eingeprägte Strom iLt1 lädt dann die parasitäre Kapazität Cp1 von Q1 (bzw. D1), entlädt Cp2 von Q2 (bzw. D2) und auch Cp4 von Q4 (Q3 wird spätestens jetzt eingeschaltet und ermöglicht das Fliessen dieses Entladestromes) in Form einer Schwingung, d.h. uL wird ausgehend von U1 - U2 verringert. Der nicht für die Umladung von Cp4 benötigte Teil von iL tritt weiter als Ausgangsstrom iout auf.At time t1: Q1 is de-energized, with t1 is chosen so compared to tO that on the one hand the desired power transfer takes place over the entire clock period t0 ... t14 and on the other hand enough power in L is available to ultimately a de-energized switching of Allow Q2 at a later time t6); the current impressed by L then charges the parasitic capacitance Cp1 of Q1 (or D1), discharges Cp2 of Q2 (or D2) and also Cp4 of Q4 (Q3 is turned on at the latest and allows the flow of this discharge current) in the form of a Vibration, ie uL is reduced starting from U1 - U2. The portion of iL not needed for the reloading of Cp4 continues to appear as the output current iout.

[0021] Zeitpunkt t2: die Spannung uCp4 über die parasitäre Kapazität Cp4 von Q4 erreicht den Wert Null, womit D4 leitend wird; der gesamte Strom iL läuft nun über Q3 und D4. Entsprechend endet die Aufladung von Cp1 und Entladung von Cp2, der Schaltungspunkt x bleibt auf der Spannung uxn = U2 liegen.Time t2: the voltage uCp4 across the parasitic capacitance Cp4 of Q4 reaches zero, making D4 conductive; the entire current iL now passes through Q3 and D4. Accordingly, the charging of Cp1 and discharge of Cp2 ends, the node x remains at the voltage uxn = U2.

[0022] Zeitpunkt t3: uD4 = uQ4 = O, Q4 kann spannungslos eingeschaltet werden; der geringe Einschaltwiderstand von Q4 kommt damit parallel zu D4 zu liegen und die Leitverluste sinken; es gilt weiter uL = 0 bzw. uxn = U2.Time t3: uD4 = uQ4 = O, Q4 can be turned off without voltage; the low on-resistance of Q4 comes to lie parallel to D4 and the conduction losses decrease; it is further uL = 0 or uxn = U2.

[0023] Zeitpunkt t4: Q3 wird spannungslos ausgeschaltet (typisch wird das Zeitintervall t3...t4 so kurz gehalten, dass Q4 sicher spannungslos eingeschaltet werden kann), der vorher durch Q3 fliessende Strom fliesst nun über Cp3 und lädt Cp3 in Sperrrichtung von D3, womit zwischen p und dem Schaltungspunkt x eine Spannung Upx > 0 auftritt bzw. der Schaltungspunkt x zur Bezugsspannungsschiene n hin in der Spannung absinkt; damit wird ein Teil von iL nun wieder die weitere Aufladung von Cp1 und weitere Entladung von Cp2 übernehmen (vergleiche Zeitintervall t1 ...t2) und es tritt wieder ein entsprechender Ausgangsstrom iout auf.Time t4: Q3 is de-energized (typically the time interval t3 ... t4 is kept so short that Q4 can be switched on safely de-energized), the current flowing through Q3 now flows through Cp3 and loads Cp3 in the reverse direction of D3 in which a voltage Upx> 0 occurs between p and the circuit point x, or the circuit point x decreases in voltage relative to the reference voltage rail n; Thus, a part of iL will now take over the further charging of Cp1 and further discharge of Cp2 (compare time interval t1 ... t2) and again a corresponding output current iout occurs.

[0024] Zeitpunkt t5: Die Spannung uQ2 über dem zweiten Schalter Q2 erreicht den Wert Null, D4 wird leitend und übernimmt den Strom iL; Cp3 ist auf U2 aufgeladen, Cp1 auf U1, der gesamte Strom der Induktivität L tritt als Ausgangsstrom auf, iLt5 = iout. iL weist eine negative Steigung auf bzw. wird gegen U2 abgebaut.Time t5: The voltage uQ2 across the second switch Q2 reaches the value zero, D4 becomes conductive and takes over the current iL; Cp3 is charged to U2, Cp1 to U1, the entire current of inductor L appears as output current, iLt5 = iout. iL has a negative slope or is degraded against U2.

[0025] Zeitpunkt t6: uD2 = O, Q2 kann spannungslos eingeschaltet werden, womit die Leitverluste gegenüber einem ausschliesslichen Leiten von D2 sinken.Time t6: uD2 = O, Q2 can be switched on without voltage, whereby the conduction losses decrease compared to an exclusive conduction of D2.

[0026] Zeitpunkt t7: iL erreicht den Wert Null, spätestens jetzt muss Q2 eingeschaltet werden, um eine Vorzeichenumkehr von iL zu ermöglichen.Time t7: iL reaches the value zero, at the latest now Q2 must be turned on to allow a sign reversal of iL.

[0027] Zeitpunkt t8: iL < 0, Q2 wird spannungslos ausgeschaltet (der Zeitpunkt t8 wird so gewählt, dass iLt8 ausreicht, um nachfolgend die parasitären Kapazitäten derart auf- bzw. zu entladen, dass letztlich in t13 Q1 spannungslos eingeschaltet werden kann), Q4 wird spätestens jetzt eingeschaltet. Der negative Strom iLt8 fliesst nun durch Cp2 und lädt die Kapazität in Sperrrichtung von D2 in Form einer Schwingung. Entsprechend müssen Cp1 und Cp3 entladen werden, d.h. ein Teil des Stromes iL wird über Q4 und Cp3 geführt, der verbleibende Rest tritt als Ausgangsstrom iout auf.Time t8: iL <0, Q2 is de-energized (the time t8 is chosen so that iLt8 is sufficient to subsequently the parasitic capacitances on or to unload, so that in Q13 Q1 can be turned on without power), Q4 will be switched on at the latest now. The negative current iLt8 now flows through Cp2 and charges the capacitance in the reverse direction of D2 in the form of a vibration. Accordingly, Cp1 and Cp3 must be discharged, i. a part of the current iL is passed through Q4 and Cp3, the remainder appears as output current iout.

[0028] Zeitpunkt t9: Cp3 ist vollständig entladen, D3 wird leitend, der gesamte Strom iL fliesst nun über Q4 und D3, damit gilt uL = 0 und uxn = upx, d.h. der Schaltungspunkt x bleibt auf dem Niveau der Ausgangsspannung stehen, die Aufladung von Cp2 und Entladung von Q1 endet.Time t9: Cp3 is completely discharged, D3 becomes conductive, the entire current iL now flows over Q4 and D3, so uL = 0 and uxn = upx, i. E. the node x remains at the output voltage level, charging of Cp2 and discharge of Q1 stops.

[0029] Zeitpunkt t10: uD3 = 0, Q3 kann damit zur Verringerung der Leitverluste spannungslos eingeschaltet werden. Der Strom iL < 0 kreist nun über Q4 und Q3, es findet kein Leistungstransfer nach U2 statt. Das Intervall zwischen t10 und dem folgenden Zeitpunkt t11 kann als Ruheintervall bezeichnet werden. In diesem Intervall fliesst ein Strom durch den Induktivitätskurzschlussschalter, der als Hilfsstrom bezeichnet werden kann.Time t10: uD3 = 0, Q3 can thus be turned off to reduce the conduction losses. The current iL <0 now circles over Q4 and Q3, there is no power transfer to U2. The interval between t10 and the following time t11 may be referred to as a rest interval. In this interval, a current flows through the inductance short-circuit switch, which can be called an auxiliary current.

[0030] Zeitpunkt t11: Q4 wird spannungslos ausgeschaltet. Vorteilhaft wird die Länge des Intervalls t10...t11 so gewählt, dass die Länge der gesamten Pulsperiode, d.h. die Zeitdifferenz t14 - tO einen definierten Wert nicht unterschreitet, bzw. die Schaltfrequenz fs = 1/(t14 - tO) des Systems auf einen definierten Wert limitiert bleibt. Durch das Ausschalten von Q4 wird iL < 0 nun Cp4 in Sperrrichtung von D4 aufladen, Q3 kann dabei leitend bleiben oder ausgeschaltet werden, da für den Stromfluss ja D3 zur Verfügung steht. Mit der Aufladung von Cp4 wird uL > 0, d.h. Schaltungspunkt x wird potentialmässig angehoben, d.h. Cp2 muss geladen und Cp1 entladen werden, wofür ein Teil von iL herangezogen wird, der auch als Ausgangsstrom iout auftritt. Die Umladung der Kapazitäten findet wieder in Form einer Schwingung statt.Time t11: Q4 is turned off. Advantageously, the length of the interval t10 ... t11 is chosen such that the length of the entire pulse period, i. the time difference t14 - tO does not fall below a defined value, or the switching frequency fs = 1 / (t14 - t0) of the system remains limited to a defined value. By turning off Q4, iL <0 will now charge Cp4 in the reverse direction of D4, while Q3 can remain on or off, since D3 is available for the current flow. With the charge of Cp4, uL> 0, i. Node x is raised in potential, i. Cp2 must be loaded and discharged Cp1 using a part of iL which also appears as output current iout. The transhipment of the capacity takes place again in the form of a vibration.

[0031] Zeitpunkt t12: Die Spannung über D1 wird Null, D1 beginnt zu leiten und klemmt den Schaltungspunkt x gegen die positive Eingangsspannungsklemme p. iL weist damit eine konstante positive, durch U1 - U2 definierte Steigung auf. [0032] Zeitpunkt t13: Q1 kann spannungslos eingeschaltet werden und verringert die Leistverluste.Time t12: The voltage across D1 becomes zero, D1 starts to conduct and clamps the node x against the positive input voltage terminal p. iL thus shows a constant positive slope defined by U1 - U2. Time t13: Q1 can be turned off and reduces the power losses.

[0033] Zeitpunkt t14: iL erreicht von negativen Werten kommend den Wert Null, dies entspricht dem anfangs betrachteten Zustand in tO, eine Pulsperiode ist abgelaufen.Time t14: iL reaches the value zero coming from negative values, this corresponds to the initially considered state in t0, one pulse period has expired.

[0034] Zusammengefasst realisiert eine Steuerung der Schaltung • durch Variation der Zeit t1 - tO eine Einstellung der Leistungslieferung; und • durch Variation der Zeit t7 -16 eine Einstellung des negativen Hilfsstromwertes zur Sicherstellung des Zero Voltage Switching.In summary, a control of the circuit realizes an adjustment of the power supply by varying the time t1-t0; and • by varying the time t7 -16 a setting of the negative auxiliary current value to ensure zero voltage switching.

[0035] Bei einem unidirektionalen Leistungsfluss wird einer der Schalter des Induktivitätskurzschlussschalters nur eingeschaltet, um Verluste in seiner antiparallelen Diode zu vermeiden. Der Schalter kann dann auch ausgeschaltet bleiben oder weggelassen werden, wobei die Steuerung vereinfacht wird, aber Verluste in der Diode in Kauf zu nehmen sind. Im Beispiel der Fig. 1 können bei einem Leistungsfluss vom Eingang pn zum Ausgang pn der vierte Schalter Q4 und die dritte Diode D3 weggelassen werden. Beim Leistungsfluss vom Ausgang pn zum Eingang pn können der dritte Schalter D3 und die vierte Diode D4 weggelassen werden [0036] Für die Ausgangsspannung U2 > U1/2 kann die vorstehend beschriebene Steuerung vereinfacht werden. Dieses modifizierte Steuerverfahren wird nachfolgend anhand von Fig. 3 kurz beschrieben.In a unidirectional power flow of one of the switches of the Induktivitätskurzschlussschalter is only turned on to avoid losses in its anti-parallel diode. The switch may then be left off or omitted, simplifying the control but allowing for losses in the diode. In the example of FIG. 1, in the case of a power flow from the input pn to the output pn, the fourth switch Q4 and the third diode D3 can be omitted. In the power flow from the output pn to the input pn, the third switch D3 and the fourth diode D4 can be omitted. For the output voltage U2> U1 / 2, the above-described control can be simplified. This modified control method will be briefly described below with reference to FIG.

[0037] Zeitpunkt tOa: wie oben [0038] Zeitpunkt fia: Q1 wird spannungslos ausgeschaltet und Q3 wird, falls eingeschaltet, ebenfalls ausgeschaltet, da anschliessend die Spannung uL negative Werte annehmen wird und entsprechend D3 Sperrspannung aufnehmen muss. Cp1 wird geladen, Cp2 entladen, ebenso wird die in t1a an einer LH - U2 liegende Sperrschichtkapazität Cp4 entladen, wobei Cp3 entsprechend aufgeladen wird. Wird uL = 0 erreicht, sind beide Cp3 und Cp4 gegensinnig geladen, die Umladeschwingung setzt sich fort und da U2 > U1/2 gilt, muss sich über D3 bzw. Cp3 letztlich eine betragsmässig grössere Spannung aufbauen als in t1a an D4 bzw. Cp4 gelegen war, womit uD4 sicher den Wert Null erreicht bzw. D4 leitend wird und letztlich in t2a die volle Spannung U2 an D3 bzw. Cp3 liegt.Time tOa: as above time fia: Q1 is turned off and Q3, if turned on, also turned off, since then the voltage uL will assume negative values and accordingly record D3 blocking voltage. Cp1 is charged, Cp2 is discharged, as well as the junction capacitance Cp4 lying in t1a at an LH - U2 is discharged, with Cp3 being charged accordingly. If uL = 0 is reached, both Cp3 and Cp4 are charged in opposite directions, the reloading oscillation continues and since U2> U1 / 2 applies, finally a magnitude larger voltage must build up over D3 or Cp3 than in t1a at D4 or Cp4 was, with which uD4 safely reached the value zero or D4 becomes conductive and finally in t2a the full voltage U2 is at D3 or Cp3.

[0039] Zeitpunkt t2a: uCp2 bzw. uQ2 erreicht den Wert Null, D2 wird leitend.Time t2a: uCp2 or uQ2 reaches the value zero, D2 becomes conductive.

[0040] Zeitpunkt t3a: Q2 kann spannungslos eingeschaltet werden, Verringerung der Leitverluste, iL wird gegen U2 abgebaut; weiters kann Q4 spannungslos eingeschaltet werden, da an D4 keine Spannung mehr liegt (siehe oben).Time t3a: Q2 can be switched on without voltage, reducing the conduction losses, iL is reduced to U2; Furthermore, Q4 can be switched on without voltage, as there is no voltage at D4 (see above).

[0041] Zeitpunkt t4a: iL wird Null, spätestens jetzt muss Q2 eingeschaltet werden, um eine Stromumkehr zu ermöglichen.Time t4a: iL becomes zero, at the latest now Q2 must be switched on to allow a current reversal.

[0042] Zeitpunkt t5a: Q2 wird ausgeschaltet und spätestens jetzt muss Q4 durchgeschaltet werden. Der negative Strom iL lädt nun Cp2, entlädt Cp1 und auch Cp3 über Q4.Time t5a: Q2 is turned off and at the latest now Q4 must be turned on. The negative current iL now loads Cp2, discharges Cp1 and also Cp3 via Q4.

[0043] Zeitpunkt t6a: Cp3 ist entladen, uD3 wird Null, D3 wird leitend, womit iL über Q4 und D3 fliesst und der Schaltungspunkt x auf uxn = U2 verharrt.Time t6a: Cp3 is discharged, uD3 becomes zero, D3 becomes conductive, whereby iL flows over Q4 and D3 and the node x remains at uxn = U2.

[0044] Zeitpunkt t7a: Q3 kann spannungslos eingeschaltet werden, Verringerung der Leitverluste.Time t7a: Q3 can be turned off, reducing the conduction losses.

[0045] Zeitpunkt t8a: Ausschalten von Q4, iL < 0 lädt nun Cp4 in Sperrrichtung von D4 über D3 und Q3, Q3 könnte ausgeschaltet werden, da D3 für die Stromführung zur Verfügung steht. Der Schaltungspunkt x wird potentialmässig angehoben, Cp2 in Form einer Schwingung weiter aufgeladen, Cp1 weiter entladen, wofür ein Teil von iL benötigt wird, der auch als Ausgangsstrom iout auftritt.Time t8a: turning off Q4, iL <0 now loads Cp4 in the reverse direction from D4 via D3 and Q3, Q3 could be turned off because D3 is available for current routing. The node x is potential-boosted, Cp2 further charged in the form of a vibration, Cp1 further discharged, for which a part of iL is needed, which also occurs as output current iout.

[0046] Zeitpunkt t9a: uD1 wird zu Null, D1 wird leitend, der negative Strom iL gegen die Eingangsspannung U1 abgebaut. Cp4 liegt an einer Spannung U1 - U2 [0047] Zeitpunkt t10a: Q1 kann spannungslos eingeschaltet werden, Verringerung der Leitverluste.Time t9a: uD1 becomes zero, D1 becomes conductive, the negative current iL degrades against the input voltage U1. Cp4 is at a voltage U1 - U2 At time t10a: Q1 can be turned off, reducing the conduction losses.

[0048] Zeitpunkt H1 a: iL wird Null, Q1 muss spätestens jetzt eingeschaltet werden um einen Aufbau von iL zu positiven Werten hin zu ermöglichen.Time H1 a: iL becomes zero, Q1 must be switched on at the latest now to allow a build-up from iL to positive values.

Claims (10)

• durch Variation der Zeit t1 - tO eine Einstellung der Leistungslieferung; und • durch Variation der Zeit t7 -16 eine Einstellung des negativen Hilfsstromwertes zur Sicherstellung des Zero Voltage Switching. [0035] Bei einem unidirektionalen Leistungsfluss wird einer der Schalter des Induktivitätskurzschlussschalters nur eingeschaltet, um Verluste in seiner antiparallelen Diode zu vermeiden. Der Schalter kann dann auch ausgeschaltet bleiben oder weggelassen werden, wobei die Steuerung vereinfacht wird, aber Verluste in der Diode in Kauf zu nehmen sind. Im Beispiel der Fig. 1 können bei einem Leistungsfluss vom Eingang pn zum Ausgang pn der vierte Schalter Q4 und die dritte Diode D3 weggelassen werden. Beim Leistungsfluss vom Ausgang pn zum Eingang pn können der dritte Schalter D3 und die vierte Diode D4 weggelassen werden [0036] Für die Ausgangsspannung U2 > U1/2 kann die vorstehend beschriebene Steuerung vereinfacht werden.• by varying the time t1 - tO a setting of the power delivery; and • by varying the time t7 -16 a setting of the negative auxiliary current value to ensure zero voltage switching. In a unidirectional power flow of one of the switches of the Induktivitätskurzschlussschalter is only turned on to avoid losses in its anti-parallel diode. The switch may then be left off or omitted, simplifying the control but allowing for losses in the diode. In the example of FIG. 1, in the case of a power flow from the input pn to the output pn, the fourth switch Q4 and the third diode D3 can be omitted. In the power flow from the output pn to the input pn, the third switch D3 and the fourth diode D4 can be omitted. For the output voltage U2> U1 / 2, the above-described control can be simplified. Dieses modifizierte Steuerverfahren wird nachfolgend anhand von Fig.This modified control method will be described below with reference to FIG. 3 kurz beschrieben. [0037] Zeitpunkt tOa: wie oben [0038] Zeitpunkt fia: Q1 wird spannungslos ausgeschaltet und Q3 wird, falls eingeschaltet, ebenfalls ausgeschaltet, da anschliessend die Spannung uL negative Werte annehmen wird und entsprechend D3 Sperrspannung aufnehmen muss. Cp1 wird geladen, Cp2 entladen, ebenso wird die in t1a an einer LH - U2 liegende Sperrschichtkapazität Cp4 entladen, wobei Cp3 entsprechend aufgeladen wird. Wird uL = 0 erreicht, sind beide Cp3 und Cp4 gegensinnig geladen, die Umladeschwingung setzt sich fort und da U2 > U1/2 gilt, muss sich über D3 bzw. Cp3 letztlich eine betragsmässig grössere Spannung aufbauen als in t1a an D4 bzw. Cp4 gelegen war, womit uD4 sicher den Wert Null erreicht bzw. D4 leitend wird und letztlich in t2a die volle Spannung U2 an D3 bzw. Cp3 liegt. [0039] Zeitpunkt t2a: uCp2 bzw. uQ2 erreicht den Wert Null, D2 wird leitend. [0040] Zeitpunkt t3a: Q2 kann spannungslos eingeschaltet werden, Verringerung der Leitverluste, iL wird gegen U2 abgebaut; weiters kann Q4 spannungslos eingeschaltet werden, da an D4 keine Spannung mehr liegt (siehe oben). [0041] Zeitpunkt t4a: iL wird Null, spätestens jetzt muss Q2 eingeschaltet werden, um eine Stromumkehr zu ermöglichen. [0042] Zeitpunkt t5a: Q2 wird ausgeschaltet und spätestens jetzt muss Q4 durchgeschaltet werden. Der negative Strom iL lädt nun Cp2, entlädt Cp1 und auch Cp3 über Q4. [0043] Zeitpunkt t6a: Cp3 ist entladen, uD3 wird Null, D3 wird leitend, womit iL über Q4 und D3 fliesst und der Schaltungspunkt X auf uxn = U2 verharrt. [0044] Zeitpunkt t7a: Q3 kann spannungslos eingeschaltet werden, Verringerung der Leitverluste. [0045] Zeitpunkt t8a: Ausschalten von Q4, iL < 0 lädt nun Cp4 in Sperrrichtung von D4 über D3 und Q3, Q3 könnte ausgeschaltet werden, da D3 für die Stromführung zur Verfügung steht. Der Schaltungspunkt x wird potentialmässig angehoben, Cp2 in Form einer Schwingung weiter aufgeladen, Cp1 weiter entladen, wofür ein Teil von iL benötigt wird, der auch als Ausgangsstrom iout auftritt. [0046] Zeitpunkt t9a: uD1 wird zu Null, D1 wird leitend, der negative Strom iL gegen die Eingangsspannung U1 abgebaut.3 briefly described. Time tOa: as above time fia: Q1 is turned off and Q3, if turned on, also turned off, since then the voltage uL will assume negative values and accordingly record D3 blocking voltage. Cp1 is charged, Cp2 is discharged, as well as the junction capacitance Cp4 lying in t1a at an LH - U2 is discharged, with Cp3 being charged accordingly. If uL = 0 is reached, both Cp3 and Cp4 are charged in opposite directions, the reloading oscillation continues and since U2> U1 / 2 applies, finally a magnitude larger voltage must build up over D3 or Cp3 than in t1a at D4 or Cp4 was, with which uD4 safely reached the value zero or D4 becomes conductive and finally in t2a the full voltage U2 is at D3 or Cp3. Time t2a: uCp2 or uQ2 reaches the value zero, D2 becomes conductive. Time t3a: Q2 can be switched on without voltage, reducing the conduction losses, iL is reduced to U2; Furthermore, Q4 can be switched on without voltage, as there is no voltage at D4 (see above). Time t4a: iL becomes zero, at the latest now Q2 must be switched on to allow a current reversal. Time t5a: Q2 is turned off and at the latest now Q4 must be turned on. The negative current iL now loads Cp2, discharges Cp1 and also Cp3 via Q4. Time t6a: Cp3 is discharged, uD3 becomes zero, D3 becomes conductive, whereby iL flows over Q4 and D3 and the node X remains at uxn = U2. Time t7a: Q3 can be turned off, reducing the conduction losses. Time t8a: turning off Q4, iL <0 now loads Cp4 in the reverse direction from D4 via D3 and Q3, Q3 could be turned off because D3 is available for current routing. The node x is potential-boosted, Cp2 further charged in the form of a vibration, Cp1 further discharged, for which a part of iL is needed, which also occurs as output current iout. Time t9a: uD1 becomes zero, D1 becomes conductive, the negative current iL degrades against the input voltage U1. Cp4 liegt an einer Spannung U1 - U2 [0047] Zeitpunkt t10a: Q1 kann spannungslos eingeschaltet werden, Verringerung der Leitverluste. [0048] Zeitpunkt t11 a: iL wird Null, Q1 muss spätestens jetzt eingeschaltet werden um einen Aufbau von iL zu positiven Werten hin zu ermöglichen. • eine Wandlerinduktivität (L), die zwischen den Schaltungspunkt (x) und eine Ausgangsklemme geschaltet ist; • einen Induktivitätskurzschlussschalter (Q3, Q4, D3, D4) welcher parallel zur Wandlerinduktivität (L) geschaltet ist und als Antiserienschalter eines dritten und vierten Schalters (Q3, Q4) mit antiparallelen Freilaufdioden (D3) und (D4) ausgeführt ist.Cp4 is at a voltage U1 - U2 At time t10a: Q1 can be turned off, reducing the conduction losses. Time t11 a: iL becomes zero, Q1 must be switched on at the latest now to allow a build-up from iL to positive values. • a transformer inductance (L) connected between the node (x) and an output terminal; An inductance short-circuiting switch (Q3, Q4, D3, D4) which is connected in parallel to the converter inductance (L) and is designed as an anti-series switch of a third and fourth switch (Q3, Q4) with antiparallel freewheeling diodes (D3) and (D4). 5. Verfahren zum Betrieb des DC/DC-Konverters, gemäss Anspruch 4, wobei im Betrieb des DC/DC-Konverters ein Strom, im Folgenden Wandlerstrom iL genannt, durch die Wandlerinduktivität (L) fliesst, und wobei zur Realisierung von weichen Schaltvorgängen • ausgehend von einem Startzeitpunkt tO, in welchem der Wandlerstrom null ist, und der erste Schalter (Q1) eingeschaltet ist oder spannungslos eingeschaltet wird, der dritte Schalter (Q3) eingeschaltet ist oder ausgeschaltet ist und der zweite Schalter (Q2) und der vierte Schalter (Q4) ausgeschaltet sind die nachstehend beschriebenen Schritte in dieser Folge ausgeführt werden: • zu einem Zeitpunkt t1, spannungsloses Ausschalten des ersten Schalters (Q1 ); • zu einem Zeitpunkt t3, spannungsloses Einschalten des vierten Schalters (Q4); • zu einem Zeitpunkt t4, spannungsloses Ausschalten des dritten Schalters (Q3); • zu einem Zeitpunkt t6, spannungsloses Einschalten des zweiten Schalters (Q2); • zu einem Zeitpunkt t8, spannungsloses Ausschalten des zweiten Schalters (Q2); ’ • zu einem Zeitpunkt t10, spannungsloses Einschalten des dritten Schalters (Q3); • zu einem Zeitpunkt t11, spannungsloses Ausschalten des vierten Schalters (Q4); • zu einem Zeitpunkt t13, spannungsloses Einschalten des ersten Schalters (Q1); und damit wieder der Zustand entsprechend dem Startzeitpunkt tO erreicht ist.5. A method for operating the DC / DC converter, according to claim 4, wherein during operation of the DC / DC converter, a current, referred to below as the converter current iL, flows through the converter inductance (L), and wherein for realizing soft switching operations, starting from a start time tO in which the converter current is zero, and the first switch (Q1) is turned on or turned off, the third switch (Q3) is turned on or off, and the second switch (Q2) and the fourth switch ( Q4) are turned off, the steps described below are performed in this sequence: at a time t1, deenergizing the first switch (Q1); At a time t3, deenergizing the fourth switch (Q4); • at a time t4, de-energizing the third switch (Q3); • at a time t6, deenergizing the second switch (Q2); • at a time t8, de-energizing the second switch (Q2); 'At a time t10, deenergizing the third switch (Q3); • at a time t11, deenergizing the fourth switch (Q4); • at a time t13, deenergizing the first switch (Q1); and thus again the state is reached according to the start time tO. 6. Verfahren gemäss Anspruch 5, mit den weiteren Schritten • frühestens zum Zeitpunkt t11, Ausschalten des dritten Schalters (Q3); und • spätestens zum Zeitpunkt t1 einer folgenden Periode, spannungsloses Einschalten des dritten Schalters (Q3).6. The method according to claim 5, with the further steps • at the earliest at time t11, turning off the third switch (Q3); and • at the latest at time t1 of a following period, deenergizing the third switch (Q3). 7. Verfahren gemäss Anspruch 5 oder 6, mit den weiteren Schritten • frühestens zum Zeitpunkt t4, Ausschalten des vierten Schalters (Q4); und • spätestens zum Zeitpunkt t8, spannungsloses Einschalten des vierten Schalters (Q4).7. The method according to claim 5 or 6, with the further steps • at the earliest at time t4, turning off the fourth switch (Q4); and • at the latest at time t8, deenergizing the fourth switch (Q4). 8. Verfahren zum Betrieb des DC/DC-Konverters, gemäss Anspruch 4, wobei im Betrieb des DC/DC-Konverters ein Strom, im Folgenden Wandlerstrom iL genannt, durch die Wandlerinduktivität (L) fliesst, und wobei zur Realisierung von weichen Schaltvorgängen • ausgehend von einem Startzeitpunkt tOa, in welchem der Wandlerstrom null ist, und der erste Schalter (Q1) eingeschaltet ist oder spannungslos eingeschaltet wird, der dritte Schalter (Q3) eingeschaltet ist oder ausgeschaltet ist und der zweite Schalter (Q2) und der vierte Schalter (Q4) ausgeschaltet sind die nachstehend beschriebenen Schritte in dieser Folge ausgeführt werden: •zu einem Zeitpunkt t1a, spannungsloses Ausschalten des ersten Schalters (Q1), und spätestens zu diesem Zeitpunkt t1 a spannungsloses Ausschalten des dritten Schalters (Q3), falls dieser eingeschaltet ist; • frühestens zu einem Zeitpunkt t3a und spätestens zu einem Zeitpunkt t4a, spannungsloses Einschalten des zweiten Schalters (Q2); • zu einem Zeitpunkt t5a, spannungsloses Ausschalten des zweiten Schalters (Q2) und spätestens zu diesem Zeitpunkt t5a spannungsloses Einschalten des vierten Schalters (Q4), falls dieser noch nicht eingeschaltet ist; • zu einem Zeitpunkt t7a, spannungsloses Einschalten des dritten Schalters (Q3); • zu einem Zeitpunkt t8a, spannungsloses Ausschalten des vierten Schalters (Q4); •frühestens zu einem Zeitpunkt t10a und spätestens zu einem Zeitpunkt t11a spannungsloses Einschalten des ersten Schalters (Q1); • wobei im Zeitpunkt t11 a wieder der Zustand entsprechend dem Startzeitpunkt tO erreicht ist.8. A method of operating the DC / DC converter according to claim 4, wherein during operation of the DC / DC converter, a current, referred to below as the converter current iL, flows through the converter inductance (L), and wherein for realizing soft switching operations, starting from a start time tOa in which the converter current is zero, and the first switch (Q1) is turned on or energized, the third switch (Q3) is turned on or off, and the second switch (Q2) and the fourth switch ( Q4) are turned off, the steps described below are performed in this sequence: • at a time t1a, deenergizing the first switch (Q1), and at the latest at this time t1 a deenergizing the third switch (Q3), if it is turned on; • at the earliest at a time t3a and at the latest at a time t4a, deenergizing the second switch (Q2); • at a time t5a, deenergizing the second switch (Q2) and at the latest at this time t5a de-energizing the fourth switch (Q4), if this is not already turned on; • at a time t7a, deenergizing the third switch (Q3); • at a time t8a, deenergizing the fourth switch (Q4); • at the earliest at a time t10a and at the latest at a time t11a deenergizing the first switch (Q1); • wherein at the time t11 a again the state corresponding to the starting time tO is reached. 9. Verfahren gemäss Anspruch 8, mit den weiteren Schritten •frühestens zum Zeitpunkt t8a, Ausschalten des dritten Schalters (Q3); und • spätestens zum Zeitpunkt t1a einer folgenden Periode, spannungsloses Einschalten des dritten Schalters (Q3).9. The method according to claim 8, with the further steps • at the earliest at time t8a, turning off the third switch (Q3); and at the latest at time t1a of a following period, de-energizing the third switch (Q3). 10. Verfahren gemäss Anspruch 8 oder 9, mit dem weiteren Schritt • frühestens zum Zeitpunkt t3a, spannungsloses Einschalten des vierten Schalters (Q4).10. The method according to claim 8 or 9, with the further step • at the earliest at the time t3a, de-energized switching on the fourth switch (Q4).
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