DE102010012451A1

DE102010012451A1 - Effiziente Leistungsregelung für Klasse-E-Verstärker

Info

Publication number: DE102010012451A1
Application number: DE102010012451A
Authority: DE
Inventors: Maarten Jeroen Santa Clara Fonderie
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2010-10-21
Also published as: US20100253310A1; CN101860250B; US8000113B2; CN101860250A

Abstract

Eine Leistungswandlervorrichtung und ein Verfahren werden geschaffen. Die Leistungswandlervorrichtung weist eine Eingangsleistungsquelle und eine Eingangsspule auf, die zum Einkoppeln der Leistung der Eingangsleistungsquelle zu der Vorrichtung ausgebildet ist. Ein Schalter zum Regeln der Leistung der Eingangsleistungsquelle über die Eingangsspule ist ausgebildet. Eine Shunt-Diode ist zwischen dem Schalter und der Eingangsspule gekoppelt. Eine resonante Last ist mit einer Eingangsspule gekoppelt. Ein Schaltelement ist mit der Eingangsspule und der resonanten Last gekoppelt und ist ausgebildet, um bei der festen Frequenz zu arbeiten. Die Leistungswandlervorrichtung weist eine Steuerschaltung zum Modellieren einer Frequenz des Schalters und ein Treibermodul zum Treiben des Schaltelements bei der festen Frequenz auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Leistungswandlervorrichtung ein Klasse-E Verstärker. Die feste Frequenz ist gleich der Resonanzfrequenz der resonanten Last. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Wandlervorrichtung als eine integrierte Schaltung ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Leistungsverstärkern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Klasse-E-Leistungsverstärker und Leistungswandlereinrichtungen.
Ein Klasse-E-Verstärker wandelt eine Gleichstromquelle in ein verstärktes Ausgangssignal, das sinusförmig bei einer bestimmten Frequenz ist. Klasse-E-Verstärker sind typischerweise hoch effizient schaltende Leistungsverstärker.
2 zeigt einen üblichen Klasse-E-Verstärker 100. Die Einrichtung 100 weist einen Leistungseingang VP auf. Ein erster Anschluss einer Eingangsspule 110 ist mit dem Leistungseingang VP gekoppelt. Ein Drain eines MOSFET 112 ist mit einem zweiten Anschluss der Eingangsspule 110 verbunden und einem Eingangsanschluss einer resonanten LCR Last oder einer resonanten Last 111, die eine Resonanzfrequenz hat. Ein Antriebsmodul 122 ist mit einem Gatter des MOSFET 112 zum Antreiben des MOSFET 112 gekoppelt. Das Treibermodul 122 schaltet den MOSFET 112 mit einer festen Frequenz in Antwort auf ein Eingangssignal „Vin(freq)” an und aus. Die feste Frequenz ist gleich der Resonanzfrequenz der resonanten Last 111.
Die Eingangsspule 110 ist typischerweise eine große Spule, die mit dem Leistungseingang VP verbunden ist. Die Leistung, die in der Eingangsspule 110 gespeichert ist, kann auf eine Schaltungsmasse durch den Leistungs-MOSFET 112 gezogen werden, wenn der MOSFET 112 eingeschaltet ist. Wenn der MOSFET 112 nicht leitet, ist die Leistung in der Spule 110 mit der resonanten Last 111 gekoppelt. Die resonante Last 111 weist einen ersten Kondensator 114, der von dem Eingangsanschluss zu der Schaltungsmasse gekoppelt ist. Ein zweiter Kondensator 116 ist in Reihe mit einer Spule 118 zwischen dem Eingangsanschluss der resonanten Last 111 und einem Ausgangsanschluss der resonanten Last 111 gekoppelt. Ein Lastkreis 120 ist zwischen dem Ausgangsanschluss der resonanten 111 und der Schaltungsmasse gekoppelt. Die Klasse-E-Einrichtung 100 betreibt den MOSFET 112 derart, dass dieser entweder in dem ohmschen Bereich oder vollständig ausgeschaltet ist.
Wenn der MOSFET 112 nicht leitet, wird die Spannung an der Drain Vdrain(freq) höher werden und kann höher sein als die Eingangsgleichspannung VP. Wenn der MOSFET 112 eingeschaltet ist, nimmt die Spannung an der Drain Vdrain(freq) den ohmschen Spannungsabfall des MOSFET 112 an. Die geringe Impedanz des MOSFET 112 bewirkt, dass die Leistung, die von dem MOSFET 112 verbraucht wird, gering ist.
Damit die Einrichtung 100 von 1 eine einzige sinusförmige Ausgangsspannungsamplitude bei einer einzigen Frequenz hat, muss eine feste Beziehung zwischen der Eingangsfrequenz zu dem MOSFET 112 bestehen, der Taktzyklus des Eingangssignals bei der Eingangsfrequenz und den Werten der Komponenten, die die resonante LCR-Last 112 bilden, bestehen. Eine Abweichung von dieser festen Beziehung führt zu einer Zunahme von unerwünschten harmonischen Störungen und einer reduzierten Effizienz oder beidem. Einrichtungen, die ähnlich sind zu der Einrichtung 100, versuchen daher die Amplitude des Ausgangs VOUT durch Regeln des Taktzyklusses der Eingangsfrequenz oder durch Variieren der LCR-Werte zu beeinflussen, im Hinblick auf diese zunehmende harmonische Störung und die reduzierte Effizienz.
2 zeigt einen weiteren üblichen Klasse-E-Verstärker 200. Diese Einrichtung 200 ist der Einrichtung 100 von 1 ähnlich, es ist jedoch eine Buck-Wandler-Schaltung 225 zwischen einem Leistungsquelleneingang VP und einer Eingangsspule 210 gekoppelt. Insbesondere entsprechen die Eingangsspule 210, der MOSFET 212, die Kondensatoren 214 und 216, die Spule 218, der Lastkreis 220 und das Antriebsmodul 222 in Funktion und Aufbau der Eingangsspule 110, dem MOSFET 112, den Kondensatoren 114 und 116, der Spule 118, dem Schaltkreis 120 und dem Antriebsmodul 122 von 1. Die Buck-Wandler-Schaltung 225 weist einen Schalter 224 auf, der einen ersten Anschluss hat, der mit dem Leistungseingang VP und einem zweiten Anschluss gekoppelt ist. Eine Diode 226 hat eine Kathode und eine Anode. Die Kathode ist mit dem zweiten Anschluss des Schalters 224 verbunden und die Anode ist mit der Schaltungsmasse verbunden. Eine Buck-Spule 228 hat einen ersten Anschluss, der mit der Kathode gekoppelt ist und einen zweiten Anschluss, der mit dem ersten Anschluss der Eingangsspule 210 gekoppelt ist. Ein Buck-Kondensator 230 hat einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss der Buck-Spule 228 gekoppelt ist und einen zweiten Anschluss, der an Masse gekoppelt ist. Wie in 1, ist die Antriebsfrequenz des MOSFET 212 bei der Resonanzfrequenz der resonanten Last 211 fest. Die Einrichtung 200 verwendet den Buck-Wandler 225 um die Amplitude der Ausgangsspannung VOUT einzustellen. Der Buck-Wandler 225 justiert die Amplitude der Ausgangsspannung VOUT durch Variieren oder Modulieren der Amplitude des Leistungseingangs VP. Der Buck-Wandler 225 arbeitet in der bei bekannten Buck-Wandlern üblichen Weise. Die Verwendung des Buck-Wandler-Kreises 225 erlaubt es, die Amplitude des Klasse-E-Verstärkerkreises 200 zu justieren. Der Buck-Wandler wird 225 wird in unerwünschter Weise die Gesamteffizienz des Klasse-E-Verstärkerkreises 200 reduzieren. Weiter erfordert der Buck-Wandler 225 zusätzliche gesonderte Komponenten, die die Kosten und die Komplexität der Schaltung 200 erhöhen.
3 zeigt eine weitere übliche Klasse-E-Verstärker-Einrichtung 300. Die Einrichtung 300 ist ein Differenzverstärker. Eine Eingangsspannung VP ist an einen ersten Anschluss einer sich entsprechenden ersten zweiten Eingangsspule 310A, 310B gekoppelt. Ein Drain-Anschluss eines ersten MOSFET 312A und eines zweiten MOSFET 312B ist mit einem ersten Anschluss der ersten Eingangsspule 310A bzw. der zweiten Eingansspule 310B gekoppelt. Eine resonante LCR-Last oder eine resonante Last 311 ist zwischen den zweiten Anschlüssen der ersten Eingangsspule 310A und der zweiten Eingangsspule 310B gekoppelt. Ein Antriebsmodul 322 ist mit einem Gatter des ersten und des zweiten MOSFET 312A, 312B zum Treiben des ersten MOSFET 312A und des zweiten MOSFET 312B gekoppelt. Das Treibermodul 322 schaltet alternierend den ersten MOSFET 312A und den zweiten MOSFET 312B bei einer festen Frequenz in Antwort auf ein Eingangssignal Vin(freq) (nicht gezeigt) ein und aus. Die feste Frequenz ist gleich der Resonanzfrequenz der resonanten Last 311.
Die erste Eingangsspule 310A und die zweite Eingangsspule 310B sind typischerweise große Spulen, die mit dem Leistungseingang VP verbunden sind. Die Leistung, die in der ersten Spule 310A und der zweiten Spule 310B gespeichert wird, kann runter gezogen werden auf die Schaltungsmasse durch den ersten MOSFET 312A und den zweiten MOSFET 312B, wenn der erste MOSFET 312A und der zweite MOSFET 312B eingeschaltet werden. Wenn der erste MOSFET 312A und der zweite MOSFET 312B nicht leiten, sind die Leistung in der ersten Eingangsspule 310A und der zweiten Spule 310B mit der resonanten Last 311 gekoppelt. Die resonante Last 311 weist einen ersten Kondensator 314 und einen zweiten Kondensator 315 auf, die einander entsprechen. Der erste Kondensator 314 und der zweite Kondensator 315 sind von den zweiten Anschlüssen der ersten Eingangsspule 310A bzw. zweiten Eingangsspule 310B an die Schaltungsmasse gekoppelt. Ein dritten oder Reihenkondensator 316 ist in Reihe mit der Lastschaltung 320 und einer Spule 318 gekoppelt. Ein Ausgangsanschluss 'Vout' ist mit einem ersten und einem zweiten Anschluss der Lastschaltung 320 gekoppelt. Die Klasse-E-Einrichtung 300 betreibt den ersten MOSFET 312A und den zweiten MOSFET 312B entweder in dem ohmschen Bereich oder schaltet diesen ab.
Wenn der erste MOSFET 312A und der zweite MOSFET 312B nicht leiten, wird die Spannung an den Drin Vdrain(freq) hoch werden und kann höher sein als die DC-Eingangsspannung VP. Wenn der erste MOSFET 312A und der zweite MOSFET 312B einschalten, geht die Spannung an den Drain Vdrain(freq) auf den ohmschen Spannungsabfall des ersten MOSFET 312A und des MOSFET 312B. Die geringe Impedanz des MOSFET 312A und des zweiten MOSFET 312B bewirken, dass die von dem ersten MOSFET 312A und von dem zweiten MOSFET 312B gering wird.
Damit die Einrichtung 300 von 3 eine einzige sinusförmige Ausgangsspannung bei einer einzigen Frequenz hat, muss eine feste Beziehung zwischen der Eingangsfrequenz zu dem ersten MOSFET 312A und dem zweiten MOSFET 312B bestehen, der Taktzyklus des Eingangssignals bei der Eingangsfrequenz und den Werten der Komponenten, die die resonante LCR Last 311 bilden. Eine Abweichung von dieser festen Beziehung führt zu einer Erhöhung einer unerwünschten harmonischen Störung oder einer reduzierten Effizienz oder beidem. Einrichtungen, die der Einrichtung 300 ähnlich sind, versuchen daher, die Amplitude des Ausgangs VOUT durch Regeln des Taktzyklus der Eingangsfrequenz oder durch Variieren der LCR Werte zu beeinflussen, auf denen die erhöhte harmonische Störung und die verringerte Effizienz beruht.
4 zeigt eine weitere übliche Klasse-E-Verstärkereinrichtung 400. Die Einrichtung 400 ist ähnlich zu der Einrichtung 300 von 1 mit der Ausnahme, dass eine Buck-Wandler-Schaltung 425 zwischen einem Leistungsquelleneingang VP und einer ersten Spule 410A und einer zweiten Spule 410B gekoppelt ist. Insbesondere entsprechen die erste Spule 410A und die zweite Spule 410B, ein erster MOSFET 412A und ein zweiter MOSFET 412B, ein erster Kondensator 414 und ein zweiter Kondensator 415, ein Reihenkondensator 416, eine Spule 418, ein Lastkreis 420 bzw. ein Treibermodul 422 in Funktion und Aufbau der ersten Spule 310A, der zweiten Spule 310B, dem ersten MOSFET 312A, dem zweiten MOSFET 312B, dem ersten Kondensator 314 und dem zweiten Kondensator 315, einem Reihenkondensator 316, der Spule 318, dem Lastkreis 320 bzw. dem Treibermodul 322 von 3. Der Buck-Wandlerkreis 425 weist einen Schalter, eine Diode, eine Spule und einen Kondensator auf (2). Wie bei dem Ausführungsbeispiel von 3 ist die Treiberfrequenz des ersten MOSFET 412A und des zweiten MOSFET 412B bei der Resonanzfrequenz der resonanten Last 411 fest. Die Treibereinrichtung 400 verwendet den Buck-Wandler 425 um die Amplitude der Ausgangsspannung VOUT zu regeln. Der Buck-Wandler 425 wandelt die Amplitude mit der Ausgangsspannung VOUT durch Variieren oder Modulieren der Amplitude des Leistungseingangs VP. Der Buck-Wandler 425 arbeitet in der bei üblichen Buck-Wandlern bekannten Weise. Die Verwendung eines Buck-Wandler-Kreises 425 erlaubt ein Einstellen der Amplitude des E-Klasse-Verstärkerkreises 400. Der Buck-Wandler 425 wird in unerwünschter Weise die Gesamteffizienz der E-Klassen-Verstärkereinrichtung 200 reduzieren. Zusätzlich erfordert der Buck-Wandler 225 diskrete Komponenten, die die Kosten und die Komplexität der Schaltung 400 erhöhen. Entsprechend ist es erwünscht, eine Klasse-E-Verstärkereinrichtung zu schaffen, die effizienter ist und die ökonomischer herzustellen ist. Zusätzlich ist es erwünscht, eine Klasse-E-Verstärkereinrichtung zu schaffen, die eine Optimierung der Leistung, die an die Lastschaltung übertragen wird, zeigt.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Leistungs-Wandlereinrichtung geschaffen. Die Leistungs-Wandlereinrichtung weist eine Eingangsleistungsquelle auf. Eine Eingangsspule ist ausgebildet zum Koppeln einer Leistung der Eingangsleistungsquelle zu der Einrichtung. Ein Schalter ist ausgebildet zum Regulieren der Leistung einer Eingangsleistungsquelle durch eine Eingangsspule um die Ausgangsspannung der Einrichtung zu regeln. Eine Shunt-Diode ist zwischen dem Schalter und der Eingangsspule gekoppelt. Eine resonante Last ist mit der Eingangsspule gekoppelt und weist einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, eine Reihenspule und eine Lastschaltung auf. Ein Schaltelement ist mit der Eingangsspule gekoppelt und die resonante Last ist ausgebildet, um bei einer festen Frequenz zu arbeiten. Die Leistungswandlereinrichtung weist weiter eine Steuerschaltung zum Modulieren der Schaltfrequenz und ein Treibermodul zum Treiben des Schaltelements bei der festen Frequenz auf.
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Leistungswandlereinrichtung ein Klasse-E-Verstärker und die Eingangsleistungsquelle ist eine 20 VDC Spannungsquelle. Der Schalter kann eine MOSFET-Einheit sein. Die Shunt-Diode ist zum Überbrücken der Leistung, die in der Eingangsspule gespeichert ist, wenn der Schalter offen ist, ausgebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Shunt-Diode statt einer MOSFET-Einheit vorgesehen sein und der Schalter ist eine komplementäre MOSFET-Einheit. Die feste Frequenz ist vorzugsweise eine Frequenz, die der Resonanzfrequenz der resonanten Last gleich ist. Der erste und der zweite Kondensator sind Shunt- bzw. Reihen-Kondensatoren. Der Reihenkondensator und die Reihenspule sind zwischen dem Shunt-Kondensator und dem Lastkreis gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Wandler-Einheit als eine integrierte Schaltungseinheit ausgebildet.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Wandeln von Leistung in einer Leistungswandlereinrichtung geschaffen. Das Verfahren weist das Vorsehen einer Leistungseingangsquelle ein. Leistung der Eingangsleistungsquelle wird über eine Eingangsspule gekoppelt. Leistung der Eingangsleistungsquelle über der Eingangsspule wird geregelt unter Verwendung eines Schalters, der zwischen der Eingangsleistungsquelle und der Eingangsspule gekoppelt ist. Die Leistung der Eingangsspule wird überbrückt, wenn der Schalter offen ist unter Verwendung einer Shunt-Diode, die an Masse gekoppelt ist zwischen dem Schalter und der Eingangsspule. Ein Schaltelement wird mit einer festen Frequenz betrieben und ist mit der Eingangsspule unter einer resonanten Last gekoppelt. Das Verfahren weist weiter das Modellieren einer Frequenz des Schalters unter Verwendung einer Steuerschaltung und Treiben des Schaltelements mit der festen Frequenz unter Verwendung eines Treibermoduls ein.
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Leistungswandlereinrichtung ein Klasse-Verstärker und die Eingangsleistungsquelle ist eine 20 VDC Spannungsquelle. Der Schalter kann eine MOSFET-Einrichtung sein. Die Shunt-Diode ist zum Überbrücken der Leistung, die in der Eingangsspule gespeichert ist, wenn der Schalter offen ist, ausgebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel kann statt der Shunt-Diode eine MOSFET-Einrichtung verwendet werden und der Schalter ist eine komplementäre MOSFET-Einrichtung. Bei dieser komplementären Konfiguration werden der erste und der zweite MOSFET um 180 Winkelgrad zueinander phasenverschoben betrieben. Die feste Frequenz ist eine Frequenz, die der Resonanzfrequenz der resonanten Last gleich ist. Der erste und der zweite Kondensator sind Überbrückungs- bzw. Reihenkondensatoren. Der Reihenkondensator und die Reihenspule sind zwischen dem Überbrückungskondensator und der Lastschaltung gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Leistungswandlereinheit als eine integrierte Schaltung konfiguriert.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Differenzleistungswandler geschaffen. Diese Einheit weist eine Eingangsleistungsquelle auf. Eine erste und eine zweite Eingangsspule sind zum Koppeln der Leistung der Eingangsleistungsquelle zu der Einrichtung konfiguriert. Ein Schalter ist zum Regeln der Spannung der Eingangsleistungsquelle durch die erste und die zweite Eingangsspule vorgesehen. Eine Shunt-Diode ist zum Überbrücken der Leistung, die in der ersten und der zweiten Eingangsspule gespeichert ist, wenn der Schalter geöffnet ist, ausgebildet. Eine resonante Last ist mit der ersten und der zweiten Spule gekoppelt, die einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kondensator, eine Reihenspule und eine Lastschaltung aufweist. Ein erstes und ein zweites Schaltelement sind mit der ersten bzw. der zweiten Eingangsspule sowie mit der resonanten Last gekoppelt. Das erste und das zweite Schaltelement sind ausgebildet, um bei einer festen Frequenz zu arbeiten. Die Differenzwandlereinrichtung schließt weiter eine Steuerschaltung zum Modellieren der Frequenz des Schalters ein und weist ein Treibermodul zum Treiben des ersten und des zweiten Schaltelements bei der festen Frequenz auf.
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Leistungswandler ein Klasse-E-Verstärker und ei Eingangsquelle ist eine 20 VDC Spannungsquelle. Der Schalter kann eine MOSFET-Einheit sein. Die Shunt-Diode ist zwischen dem Schalter und der ersten und der zweiten Eingangsspule gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann statt der Shunt-Diode eine MOSFET-Einheit vorgesehen sein, wobei der Schalter eine komplementäre MOSFET-Einheit ist. Die feste Frequenz ist gleich der Resonanzfrequenz der resonanten Last. Der erste und der zweite Kondensator sind Überbrückungskondensatoren und der dritte Kondensator ist ein Reihenkondensator. Die Lastschaltung ist zwischen dem Reihenkondensator und der Reihenspule gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Leistungswandlereinheit als eine integrierte Schaltung ausgebildet. Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
Die neuen Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Ansprüchen. Zum Zwecke der Erläuterung werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung in den nachfolgenden Figuren wiedergegeben.
1 zeigt ein erstes schematisches Diagramm eines Klasse-E-Verstärkers nach dem Stand der Technik.
2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der bekannten Einrichtung nach 1.
3 zeigt ein zweites schematisches Diagramm einer Klasse-E-Verstärkereinrichtung nach dem Stand der Technik.
4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorbekannten Einrichtung nach 3.
5 zeigt ein schematisches Diagramm einer Klasse-E-Verstärkereinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5A bis 5C zeigen teilweise schematische Diagramme einer Klasse-E-Verstärkereinrichtung nach einem alternativen Ausführungsbeispiel der Einrichtung von 5.
6 zeigt ein schematisches Diagramm einer Klasse-E-Verstärkereinrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6A bis 6C zeigen teilweise schematische Diagramme einer Klasse-E-Verstärkereinrichtung nach einem alternativen Ausführungsbeispiel zu dem der 6.
7 zeigt ein Verfahren zum Wandeln von Leistung in einer Leistungs-Wandler-Einrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich verschiedene Einzelheiten und Alternativen zum Zwecke der Erläuterung. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass die Erfindung ohne die Verwendung dieser bestimmten Einzelheiten verrichtet werden kann. In anderen Beispielen sind allgemein bekannte Strukturen und Einrichtungen in schematischer Form dargestellt, um die Beschreibung der Erfindung nicht mit unnötigen Einzelheiten zu belasten.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Leistungswandlerkreis mit einer erhöhten Effizienz von Klasse-E-Verstärkern und Leistungswandlern. Die vorliegende Erfindung schafft eine Optimierung der Leistung, die auf einen Lastkreis übertragen wird. Die vorliegende Erfindung schafft weiter eine Ersparnis einer Spule und eines Kondensators unter dem Gesichtspunkt der Kosten der Materialien für jede Einrichtung, die entsprechend der Erfindung gefertigt ist. Die vorliegende Erfindung ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber bekannten Klasse-E-Verstärkern, die üblicherweise Buck-Wandlerkreise verwenden.
Zurück zu 5, in der ein schematisches Diagramm einer Leistungswandlereinrichtung 500 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Die Einrichtung 500 weist eine Eingangsleistungsquelle 'VP' auf, die mit einem ersten Anschluss einer Eingangsspule 510 gekoppelt ist. Ein Schalter 524 koppelt selektiv die Eingangsleistungsquelle VP an eine Eingangsspule 520 zum Regeln einer Leistung der Eingangsleistungsquelle VP. Die Kathode einer Shunt-Diode 526 ist zwischen dem Schalter 524 und der Eingangsspule 510 gekoppelt. Die Anode der Shunt-Diode 526 ist mit Masse gekoppelt. Ein Resonanzkreis oder eine resonante Last 511 ist an einen zweiten Anschluss der Eingangsspule 510 gekoppelt. Die resonante Last 511 weist einen ersten Kondensator 514 auf, der zwischen dem zweiten Anschluss der Eingangsspule 510 und Masse gekoppelt ist. Ein zweiter Kondensator 516 ist in Reihe mit einer Reihenspule 518, die sowohl zwischen dem zweiten Anschluss der Eingangsspule 510 und einen Ausgangsanschluss 'Vout' gekoppelt ist. Ein Lastkreis 520 ist zwischen 'Vout' und Masse gekoppelt. Ein Schaltelement 512 ist parallel zu dem ersten Kondensator 514 gekoppelt und ist ausgebildet, um bei einer festen Frequenz zu arbeiten. Ein zweiter Anschluss des Schaltelements 512 wird von einem Treibermodul 522 bei einer festen Frequenz betrieben. Das Treibermodul 522 ist zwischen VCC und Masse gekoppelt. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel beträgt VCC 5 VDS. Andere Werte für VCC, die höher oder geringer sind als 5 VDC können gewählt werden, ohne sich von der Erfindung zu entfernen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Einrichtung 500 eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt) auf. Die integrierte Schaltung weist einen Schalter 521, die Shunt-Diode 526, das Schaltelement 512 und das Treibermodul 522 in dem Silizium der integrierten Schaltung ausgebildet auf. Die Eingangsspule 510 und die resonante Last 511 sind außerhalb des Siliziums der integrierten Schaltung angeordnet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Einrichtung 500 ausschließlich aus diskreten Bauelementen gebildet sein. Bei der Anwendung ist die Einrichtung 500 für einen Klasse-E-Verstärker geeignet. Alternativ kann die Einrichtung 500 für Spannungswandlereinrichtungen geeignet sein. Die Spannungswandlereinrichtungen, die gut für die Einrichtung 500 geeignet sind, können drahtlose Spannungswandlereinrichtungen einschließen. Die Eingangsspannungsquelle VP weist ein DC-Spannungssignal auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Eingangsleistungsquelle VP ein 20 VDC-Signal auf. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass andere Werte für das Gleichspannungssignal verwendet werden können. Die Eingangsspule 510 weist eine geeignete Spule zum Absenken des Stroms der Eingangsleistungsquelle VP auf. Die Shunt-Diode, die zwischen dem Schalter 524 und der Eingangsspule 510 gekoppelt ist, bildet einen Stromweg zur Masse für Leistung, die in der Eingansspule 510 gespeichert ist. Die Leistung in der Eingangsspule 510 fließt durch die Shunt-Diode 526 zurück, wenn der Schalter 524 offen oder aus ist.
Der Schalter 524 ist ausgebildet, bei einer Rate zum Steuern der Spannung durch die Eingangsspule 510 zu arbeiten. Ein (nicht gezeigter) Steuerkreis mit einer Pulsbreiten-Modulation, wie diese von dem Fachmann verwirklicht werden wird, kann verwendet werden, um einen Taktzyklus des Schalters 524 einzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Schalter 524 ausgebildet sein zum Betreiben in einer Art und Weise mit einer offenen Schleife. Bei der offenen Schleife werden die Frequenz und der Arbeitszyklus des Schalters auf einen konstanten Wert eingestellt. Bei einem ersten 'Schutz'-Ausführungsbeispiel kann der Schalter 524 verwendet werden zum Schützen des Schaltelement 512 gegen eine Überspannung. Bei diesem ersten Schutzausführungsbeispiel kann die Frequenz des Schalters 524 betrieben werden als eine Funktion der Spannung des ersten Anschlusses des Schaltelements 512. Bei einem zweiten, 'Schutz'-Ausführungsbeispiel kann der Schalter 524 verwendet werden, um eine übermäßige Leistungsstreuung der Einrichtung 500 zu verhindern. Bei diesem zweiten Schutz-Ausführungsbeispiel kann die Frequenz des Schalters 524 betrieben werden als eine Funktion der Spannung an der Lastschaltung 520 oder der Ausgangsspannung VOUT. Bei einem dritten 'Schutz'-Ausführungsbeispiel oder einem Sicherungsausführungsbeispiel kann der Schalter 524 einen 100 Prozent-Taktzyklus beinhalten oder ein kontinuierliches ein/geschlossen und kann derart betrieben werden, dass der Schalter 524 öffnet, wenn ein Hochstromzustand zensiert wird. Dadurch erfolgt ein Schützen der Einrichtung 500 vor zerstörend hohem Strom. Jeder geeignete Stromwert kann zum Betreiben des Sicherungs-Ausführungsbeispiels in Abhängigkeit von der Anwendung gewählt werden.
Die resonante Last 511 weist den ersten Kondensator 514 und den zweiten Kondensator 516, die Reihenspulen 518 und die Lastschaltung 520 auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weist jede der Komponenten, die für die resonante Last 511 gewählt wird, eine feste Beziehung zwischen der feste Frequenz des Treibermoduls 522, dem Taktzyklus des Schaltelements 512 und des Wertes der Komponenten der resonanten Last einschließlich der Reihenspule 518, dem ersten Kondensator 512 und dem zweiten Kondensator 516 und der Lastschaltung 520. Die feste Frequenz des Treibermoduls 522 ist der Resonanzfrequenz der resonanten Last 511 gleich. Der erste Kondensator 514 und der zweite Kondensator 516 sind als Shunt-Kondensator bzw. als Reihenkondensator ausgebildet. Die Widerstandswerte der Lastschaltung 520 können in Abhängigkeit von der Anwendung des Gerätes 500 variieren. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Widerstand der Lastschaltung 520 50 Ohm auf mit einer Leistungsrate von 5 Watt. Die Werte des zweiten Kondensators 516 und der Serienspule 518 können gewählt werden um die geeignete Resonanzfrequenz der resonanten Last 511 zu erreichen.
Das Schaltelement 512 weist eine geeignete Schalteinrichtung zum effizienten Betrieb der Einrichtung 500 auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Schaltelement 512 einen Metalloxichalbleiter-Feldeffekttransistor (MSFET) vom n-Typ auf. Die MOSFET-Einheit beinhaltet ein Drain, ein Gate und eine Source, die synonym mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Anschluss des Schaltelements 512 sind. Alternativ kann jede andere Halbleiterschalteinrichtung verwendet werden, wie dem Fachmann bekannt ist. Das Schaltelement 512. Das Schaltelement 512 ist zum Arbeiten bei einer festen Frequenz des Treibermoduls 522 ausgebildet. Das Schaltelement 512 ist zum Arbeiten mit einer hohen Effizienz ausgebildet und ist ausgebildet, um sehr wenig Leistung zu verbrauchen. Wenn das Schaltelement 512 eingeschaltet ist, ist die Leistung, die von dem Schaltelement 512 verbraucht wird, nahezu null, da die Spannung der Drain oder dem ersten Anschluss des Schaltelements 512 nahe oder null Volt DC ist. Wenn das Schaltelement 512 ausgeschaltet wird, ist die Leistung, die von dem Schaltelement 512 verbraucht wird, ebenfalls annähernd null, da die Spannung der Drain oder des ersten Anschlusses des Schaltelements 512 annähernd null ist und der Strom durch das Schaltelement 512 annähernd null ist.
Das Treibermodul 522 weist eine Steuerschaltung auf, die zum Schaffen eines ausreichenden Signals zum Treiben des Schaltelements 512 geeignet ist. Das Treibermodul 522 arbeitet bei der festen Frequenz, die der Resonanzfrequenz der resonanten Last gleich ist. Das Treibermodul 522 kann eine Impulsbreitenmodulation (PWM) Schaltung aufweisen, die zum Arbeiten bei der festen Frequenz konfiguriert ist. Auch andere Oszillatoren können verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein digitales Eingangssignal (nicht gezeigt) verwendet, um das Treibermodul 522 zu aktivieren. Das digitale Eingangssignal weist eine Frequenz auf, die der festen Frequenz gleich ist.
Es wird jetzt auf die 5A bis 5C Bezug genommen, die teilweise schematische Darstellungen alternative Ausführungsbeispiele der Einrichtungen 500A, 500B und 500C sind. Die Einrichtung 500A von 5A zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, die ähnlich der Einrichtung 500 von 5 ist. Die Einrichtung 500A weist eine MOSFET-Einrichtung 424A vom n-Typ auf, die den Schalter 524 von 5 ersetzt. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die MOSFET-Einrichtung 524A einen DMOS oder einen Double-Diffused MOSFET auf, wie er dem Fachmann bekannt ist. Alternativ kann jede andere Halbleiterschalteinrichtung, die jeder Fachmann kennt, den MOSFET 524A ersetzen. Der MOSFET 524A ist ausgebildet zum Arbeiten bei einem Taktzyklus, die der besonderen Anwendung entspricht. Der Rest der Einrichtung 500A ist in Betrieb und im Aufbau ähnlich der oben beschriebenen Einrichtung 500.
Die Einrichtung 500B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, die der Einrichtung 500 nach der 5 ähnlich ist. Die Einrichtung 500C weist eine MOSFET-Einrichtung 524C vom p-Typ auf, die den Schalter 524 von 5 ersetzt, und weist weiter eine MOSFET, der die Shuntdiode 526 von 5 ersetzt. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist der MOSFET 524C, 524C einen DMOS Typ auf, wie er dem Fachmann bekannt ist. Alternativ können andere Halbleiter-Schalteinrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind, den MOSFET 524B und die Shunt-Einrichtungen 524C, 526C ersetzten. Der MOSFET-Schalter 524C ist ausgebildet, um mit einem Arbeitszyklus zu arbeiten, um der bestimmten Anwendung zu entsprechen.
Der Rest der Einrichtung 500B ist im Betrieb und im Aufbau der Einrichtung 500, wie sie oben beschrieben worden ist, ähnlich.
Die Einrichtung 500C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, die der Einrichtung 500 nach der 5 ähnlich ist. Die Einrichtung 500B weist eine MOSFET-Einrichtung 524B vom p-Typ auf, die den Schalter 524 von 5 ersetzt. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist der MOSFET 524B einen DMOS oder einen Double-Diffused MOSFET auf, wie er dem Fachmann bekannt ist. Alternativ können andere Schalteinrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind, durch den MOSFET 524B ersetzt werden. Der MOSFET 524B ist ausgebildet, um mit einem Arbeitszyklus zu arbeiten, um der bestimmten Anwendung zu entsprechen. Die MOSFET-Schalteinrichtung 524C und die Shunt-Einrichtung 526C können ausgebildet sein, um synchron zu arbeiten. Der synchrone Betrieb des MOSFET-Schalters und der Shunt-Einrichtungen 524B, 524C weisen das Freigeben sowohl der MOSFET-Schalteinrichtung 526C und Shunt-Einrichtungen 526C auf, so dass jede um 180 Winkelgrad aus der Phase zu der anderen ist. Der Rest der Einrichtung 500B ist im Betrieb und im Aufbau der Einrichtung 500, wie sie oben beschrieben worden ist, ähnlich.
6 zeigt ein schematisches Diagramm einer Differenzleistungswandeleinrichtung 600 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einrichtung 600 weist eine Eingangsleistungsquelle 'VP' auf, die mit einem ersten Anschluss von einander entsprechenden ersten Spulen 610A bzw. einer zweiten Spule 610B gekoppelt ist. Ein Schalter 624 koppelt selektiv die Eingangsleistungsquelle VP mit der ersten Eingangsspule 610A und der zweiten Eingangsspule 624B zum Regeln der Leistung der Eingangsleistungsquelle VP. Eine Kathode einer Shunt-Diode 626 ist zwischen dem Schalter 624 und der ersten Eingangsspule 610A und der zweiten Eingangsspule 610B gekoppelt. Die Anode der Shunt-Diode 626 ist mit Masse gekoppelt. Ein Resonanzkreis oder eine resonante Last 611 ist zwischen einem zweiten Anschluss der ersten Eingangsspule 610A und der zweiten Eingangsspule 610B gekoppelt. Die resonante Last 611 weist einen ersten Kondensator 614 und einen diesem entsprechenden zweiten Kondensator 615 auf, die zwischen dem zweiten Anschluss der ersten Spule 610A bzw. der zweiten Spule 610B und Masse gekoppelt sind. Ein dritter oder Reihenkondensator 616 ist in Reihe mit einer Lastschaltung 620 und einer Spule 618 gekoppelt. Ein Ausgangsanschluss 'VOUT' ist mit einem ersten Anschluss der Lastschalter 620 gekoppelt. Ein erstes und ein zweites Schaltelement 612A, 612B sind parallel mit der ersten und der zweiten Spule 614, 615 gekoppelt und sind ausgebildet, um bei einer festen Frequenz zu arbeiten. Ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelement 612A und eines zweiten Schaltelements 612B werden durch ein Treibermodul 622 bei einer festen Frequenz angetrieben. Das Treibermodul 622 ist zwischen VCC und Masse gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt VCC 5 VDC. Andere Werte von VCC, die höher oder tiefer als 5 VDC sind, können gewählt werden, ohne sich von der Erfindung zu lösen.
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist die Einrichtung 600 eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt) auf. Die integrierte Schaltung weist den Schalter 624, die Shunt-Diode 626, das erste und das zweite Schaltelement 612A, 612B und das Treibermodul 622, das in dem Silizium der integrierten Schaltung vorgesehen ist, auf. Die erste Spule und die zweite Spule 610A, 610B und die resonante Last 611 sind außerhalb des Siliziums der integrierten Schaltung ausgebildet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Einrichtung 600 lediglich durch einzelne diskrete Komponenten vorgesehen sein. Bei der Anwendung ist die Einrichtung 600 für einen Klasse-E-Verstärker geeignet. Alternativ kann die Einrichtung geeignet sein für Leistungswandlereinrichtungen. Die Leistungswandlereinrichtung, die für die Einrichtung 600 gut geeignet ist, kann drahtlose Leistungswandlereinrichtungen beinhalten.
Die Eingangsleistungsquelle VP weist ein DC-Spannungssignal auf. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel trägt die Eingangsleistungsquelle VP ein 20 VDC Signal. Der Fachmann erkennt, dass andere Werte für das DC-Spannungssignal verwendet werden können. Die Eingangsspule 610A und die zweite Eingangsspule 610B weisen geeignete Spulen zum Absenken des Stroms der Eingangleistungsquelle VP auf. Die Shunt-Diode 626 bildet einen Stromweg zur Masse für Leistung, die in der ersten Spule 610A und der zweiten Spule 610B gespeichert ist. Die Leistung in der ersten Spule 610A und der zweiten Spule 610B fließt durch die Shunt-Diode 626 durch, wenn der Schalter 624 offen oder aus ist.
Der Schalter 624 ist konfiguriert zum Arbeiten bei einer Rate zum Steuern der Leistung durch die erste Spule 610A und die zweite Spule 610B. Ein geeigneter Steuerkreis (nicht gezeigt) mit einer Impulsbreitenmodulationsschaltung, wie sie von dem Fachmann benutzt werden, kann benutzt werden, um den Arbeitszyklus des Schalters 624 einzustellen. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der Schalter 624 ausgebildet sein zum Arbeiten in einer offenen Schleife. In der offenen Schleife sind die Frequenz und der Arbeitszyklus des Schalters 624 auf einen konstanten Wert eingestellt. Bei einem ersten 'Schutz'-Ausführungsbeispiel kann der Schalter 624 verwendet werden, um das erste Schaltelement 612A und das zweite Schaltelement 612B gegen eine Überspannung zu schützen. Bei dem ersten Schutzausführungsbeispiel kann die Frequenz des Schalters 624 betrieben werden als eine Funktion der Spannung der ersten Anschlüsse des ersten Schaltelements 612A und des zweiten Schaltelements 612B. Bei einem zweiten 'Schutz'-Ausführungsbeispiel kann der Schalter 624 benutzt werden zum Verhindern einer übermäßigen Leistungsstreuung der Einrichtung 600. Bei dem zweiten Schutzausführungsbeispiel kann die Frequenz des Schalters 624 als eine Funktion der Spannung der Lastschalter 620 oder der Spannung VOUT betrieben werden. Bei einem dritten 'Schutz'-Ausführungsbeispiel oder einem Sicherungsausführungsbeispiel kann der Schalter 624 einen 100 Prozent Arbeitszyklus oder ein kontinuierliches eingeschlossen aufweisen und kann derart betrieben werden, dass der Schalter 624 öffnet, wenn ein Hochstromzustand gemessen wird. Dadurch wird die Einrichtung 600 vor einem zerstörerischen Hochstrom geschützt. Jeder geeignete Stromwert kann gewählt werden, um das Sicherungsausführungsbeispiel in Abhängigkeit von der Anwendung zu betreiben.
Die resonante Last 611 weist einen ersten Kondensator 614 und einen zweiten Kondensator 615, der diesem entspricht, auf, einen dritten Kondensator 612, eine Reihenspule 612 und die Lastschaltung 620. Bei einem Ausführungsbeispiel weist jede der gewählten Komponenten für die resonante Last 611 eine Beziehung zwischen der festen Frequenz des Treibermoduls 622, des Arbeitszyklus des ersten Schaltelements 612A und des zweiten Schaltelements 612B und eines Wertes der Komponenten der resonanten Last 611 auf. Die feste Frequenz des Treibermoduls 622 ist gleich einer Resonanzfrequenz der resonanten Last 611. Der erste Kondensator 614 und der zweite Kondensator 615 sind als Shunt-Kondensataoren ausgebildet. Der dritte Kondensator 616 ist als ein Reihenkondensator ausgebildet. Der Widerstandswert der Lastschaltung 620 kann von der Anwendung der Einrichtung 600 variieren. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Widerstand der Lastschalter 620 50 Ohm auf miteiner Leistungsrate von 5 Watt. Die Werte des dritten Kondensators und der Reihenspule können gewählt werden zum Erreichen der gewünschten Resonanzfrequenz der resonanten Last 611.
Das erste Schaltelement 612A und das zweite Schaltelement 612B weisen geeignete Schalteinrichtungen zum effizienten Betrieb der Einrichtung 600 auf. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel weisen das erste Schaltelement 612A und das zweite Schaltelement 612B MOSFET vom n-Typ auf. Der MOSFET weist eine Drain, ein Gate und eine Source auf, die dem ersten, dem zweiten bzw. dem dritten Anschluss des ersten Schaltelements 612A und des zweiten Schaltelements 612B entsprechen. Alternativ kann jede andere Halbleiter schalteinrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, das erste Schaltelement 612A und das zweite Schaltelement 612B ersetzen. Das erste Schaltelement 612A und das zweite Schaltelement 612B sind ausgebildet, um bei der festen Frequenz des Treibermoduls 622 zu arbeiten. Das erste Schaltelement 612A und das zweite Schaltelement 612B sind ausgebildet, um mit hoher Effizienz zu arbeiten und sind ausgebildet, um wenig Strom zu verbrauchen. Wenn das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement 612A, 612B eingeschaltet sind, beträgt die Leistung, die sie verbrauchen, nahezu null, da die Spannung des Drains oder des ersten Anschlusses des ersten Schaltelements 612A und des zweiten Schaltelements 612B nahe an null Volt DC sind. Wenn das erste Schaltelement 612A und das zweite Schaltelement 612B ausgeschaltet sind, ist die Leistung, die sie verbrauchen, ebenfalls nahezu null, da die Spannung der Drain oder der erste Anschluss des ersten Schaltelements 612A und des zweiten Schaltelements 612B nahezu null ist und der Strom durch das erste Schaltelement 612A und das zweite Schaltelement 612B nahezu null ist.
Das Treibermodul 622 weist eine Steuerschaltung auf, die geeignet ist zum Schaffen eines ausreichenden Signals zum Treiben des ersten Schaltelements 612A und des zweiten Schaltelements 612B. Das Treibermodul 622 arbeitet bei einer festen Frequenz gleich der resonanten Frequenz der resonanten Last 611. Das Treibermodul 622 kann eine Impulsbreitenmodulationsschaltung (PWM) aufweisen, die ausgebildet ist um bei der feste Frequenz zu arbeiten. Auch andere Oszillatoren können verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein digitales Eingangssignal (nicht gezeigt) verwendet, um das Treibermodul 622 freizugeben. Das digitale Signal weist eine Frequenz auf, die der festen Frequenz gleich ist.
Es wird jetzt auf die 6A bis 6C Bezug genommen, die schematische Diagramme alternativer Ausführungsbeispiele der Einrichtungen 600A, 600B und 600C zeigen. Die Einrichtung 600A von 6A zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechend der Einrichtung 600 von 6. Die Einrichtung 600A weist einen MOSFET 624A vom n-Typ auf, der den Schalter 624 von 6 ersetzt. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der MOSFET 624A ein DMOS oder ein Double-Diffused MOSFET auf, wie es dem Fachmann bekannt ist. Alternativ kann jede Halbleiterschalteinrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, den MOSFET 624A ersetzen. Der MOSFET 624A ist ausgebildet zum Arbeiten bei einem Arbeitszyklus um der bestimmten Anwendung zu entsprechen. Der Rest der Einrichtung 600A ist in Betrieb und im Aufbau der oben beschriebenen Einrichtung 600 ähnlich.
Die Einrichtung 600B von 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechend der Einrichtung 600B von 6. Die Einrichtung 600B weist einen MOSFET 624B vom p-Typ auf, der den Schalter 624 von 6 ersetzt. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der MOSFET 624B ein DMOS oder ein MOSFET auf, wie es dem Fachmann bekannt ist. Alternativ kann jede Halbleiterschalteinrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, den MOSFET 624B ersetzen. Der MOSFET 624B ist ausgebildet zum Arbeiten bei einem Arbeitszyklus um der bestimmten Anwendung zu entsprechen. Der Rest der Einrichtung 600A ist in Betrieb und im Aufbau der oben beschriebenen Einrichtung 600 ähnlich.
Die Einrichtung 600C von 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich zu der Einrichtung 600 von 6. Die Einrichtung 600C weist eine MOSFET-Schalteinrichtung 624 vom p-Typ auf, die den Schalter 624 von 6 ersetzt und eine MOSFET-Schalteinrichtung 624 auf, die die Shunt-Diode 626 von 6 ersetzt. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weisen der MOSFET-Schalter und die Shunt-Einrichtungen 624C, 626C einen DMOS Typ auf, wie dieser dem Fachmann bekannt ist. Alternativ kann jede andere Halbleiterschalteinheit, die dem Fachmann bekannt ist, den MOSFET-Schalter und die Shunt-Einrichtungen 624B, 624c ersetzen. Die MOSFET-Schalteinrichtung 626 ist ausgerichtet zum Arbeiten bei einem Arbeitszyklus, um der bestimmten Anwendung zu entsprechen. Die MOSFET-Schalteinrichtung 624C und die Shunt-Einrichtung 626C können ausgebildet sein, um synchron zu arbeiten. Der synchrone Betrieb des MOSFET-Schalters und der Shunt-Einrichtungen 624B, 624C weisen das Freigeben sowohl der MOSFET-Schalteinrichtung 626C und Shunt-Einrichtungen 626C auf, so dass jede um 180 Winkelgrad aus der Phase zu der anderen ist. Der Rest der Einrichtung 600C ist in Betrieb und in Aufbau der Einrichtung 600 ähnlich.
Es wird jetzt auf 7 Bezug genommen, die ein Verfahren 700 zum Wandeln von Leistung in einer Leistungswandlereinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Einrichtung 500 wird in diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens 700 verwendet. Der Prozess beginnt bei dem Schritt 710. Eine Leistungseingangsquelle VP ist vorgesehen. Die Eingangsleistungsquelle VP weist ein DC-Spannungssignal auf. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel beträgt das Gleichspannungssignal 20 VDC. Bei dem Schritt 720 ist die Leistung der Eingangsleistungsquelle VP über eine Eingangsspule 510 gekoppelt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Leistung der Eingangsleistungsquelle VP über eine erste Eingangsspule 610A und eine dieser entsprechenden zweiten Eingangsspule 610B gekoppelt (6).
Bei dem Schritt 730 wird die Leistung der Eingangsleistungsquelle VP durch die Eingangsspule 510 unter Verwendung eines Schalters 524, der zwischen der Eingangsleistungsquelle VP und der Eingangsspule 510 gekoppelt ist, geregelt. Der Schalter 524 ist ausgebildet zum Arbeiten mit einer Rate zum Steuern der Leistung durch die Eingangsspule 510. Ein geeigneter Steuerkreis (nicht gezeigt) mit einer Impulsbreitenmodulationsschaltung, wie sie von dem Fachmann genutzt wird, kann verwendet werden, um einen Taktzyklus des Schalters 524 einzustellen. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der Schalter 524 konFig.iert sein zum Arbeiten in einer offenen Schleife. Bei der offenen Schleife werden eine Frequenz und ein Taktverhältnis des Schalters 524 auf einen konstanten Wert eingestellt. Bei einem ersten 'Schutz'-Beispiel kann der Schalter 524 verwendet werden zum Schützen eines Schaltelements 512 gegenüber Spannung. Bei diesem ersten 'Schutz'-Ausführungsbeispiel kann die Frequenz des Schalters als eine Funktion der Spannung eines ersten Anschlusses des Schaltelements 524 betrieben werden. Bei einem zweiten 'Schutz'-Ausführungsbeispiel kann der Schalter 524 verwendet werden zum Verhindern einer übermäßigen Leistungssteuerung der Einrichtung 500. Bei diesem zweiten Schutzausführungsbeispiel kann die Frequenz des Schalters 524 betrieben werden als eine Funktion der Spannung an einer Lastschaltung 520 oder einer Spannung VOUT. Bei einem dritten 'Schutz'-Ausführungsbeispiel oder einem Sicherungs-Ausführungsbeispiel kann der Schalter 524 einen Arbeitszyklus von 100 Prozent haben oder kontinuierlich eingeschlossen sein oder kann derart betrieben werden, dass der Schalter 524 öffnet, wenn ein Hochstromzustand gemessen wird. Dadurch schützt die Einrichtung 500 gegen einen zerstörenden Hochstrom. Jeder geeignete Hochstrom kann gewählt werden zum Betreiben des Sicherungs-Ausführungsbeispiels in Abhängigkeit von der Anwendung.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiels des Verfahrens 700 weist eine Einrichtung 500A einen MOSFET 524A vom p-Typ auf (5), der den Schalter 524 von 5 ersetzt. Der MOSFET 524 ist ausgebildet zum Arbeiten bei einer Taktfrequenz um der jeweiligen Anwendung zu entsprechen. Der Rest der Vorrichtung 500A ist im Aufbau der oben beschriebenen Einrichtung 500 ähnlich. Das Betriebsverfahren der Einrichtung 500A ist ähnlich zu dem hier beschriebenen Verfahren 700. Bei einer anderen Alternative des Verfahrens 700 weist die Einrichtung 500B einen MOSFET 524B vom n-Typ auf, der den Schalter 524 von 5 ersetzt. Der MOSFET 524B ist ausgebildet zum Arbeiten an einer Taktfrequenz, die der jeweiligen Anwendung entspricht. Der Rest der Vorrichtung 500B ist im Aufbau der oben beschriebenen Einrichtung 500 ähnlich. Das Betriebsverfahren der Einrichtung 500B ist dem hier beschriebenen Verfahren 500 ähnlich.
Bei einer weiteren Alternative des Verfahrens 700 weist die Einrichtung 500C eine MOSFET-Schalteinrichtung 524C auf, die den Schalter 524 von 5 ersetzt und weiter eine MOSFET-Shunteinrichtung 526C aufweist, die die Shunt-Diode 526 von 5 ersetzt. Die MOSFET-Schalteinrichtung 524C ist ausgebildet, um mit einer Taktfrequenz zu arbeiten, die derjeweiligen Anwendung entspricht. Die MOSFET-Schalteinrichtung 524C und die MOSFET-Shunteinrichtung 526C sind ausgebildet, um synchron zu arbeiten. Der synchrone Betrieb des MOSFET-Schalters und der Shunt-Einrichtungen 524B, 524C weisen das Aktivieren jedes der MOSFET-Schalteinrichtungen 524C und der MOSFET-Shunteinrichtung 526C auf, so dass diese um 180 Winkelgrad phasenversetzt zueinander sind. Der Rest der Einrichtung 500C ist im Aufbau dem oben beschriebenen Gerät ähnlich. Das Verfahren des Betriebs der Einrichtung 500C ist dem hier beschriebenen Verfahren 700 ähnlich.
Bei dem Schritt 740 wird die Leistung der Eingangsspule 510 überbrückt, wenn der Schalter 524 offen ist unter Verwendung einer Shunt-Diode 526, die zwischen dem Schalter 524 und der Eingangsspule 510 gekoppelt ist. Die Shunt-Diode 526 schafft einen Stromweg zu Masse für die Leistung, die in der Eingangsspule 510 gespeichert ist.
In dem Schritt 750 wird das Schaltelement 512 bei einer feste Frequenz betrieben. Das Schaltelement 512 ist mit der Eingangsspule 510 und einer resonanten Last 511 gekoppelt. Das Schaltelement weist eine geeignete Schalteinrichtung zum effizienten Betrieb der Einrichtung 500 auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Schaltelement 512 einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) vom p-Typ auf. Der MOSFET weist ein Drain, ein Gate und eine Source auf, die synonym sind mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Terminal bzw. dem Schaltelement 512. Das Schaltelement 512 ist so ausgebildet, dass es bei der festen Frequenz des Treibermoduls 522 arbeitet. Das Schaltelement 512 ist ausgebildet zum Arbeiten mit einer hohen Effizienz und ist ausgebildet zum Verbrauchen von sehr wenig Leistung. Wenn das Schaltelement 512 eingeschaltet wird, ist die Leistung, die von dem Schaltelement 512 verbraucht wird, nahezu null, da die Spannung des Drains oder des ersten Anschlusses des Schaltelements 512 nahe null Volt DC ist und VP multipliziert mit vier und der Strom durch das Schaltelement 512 null ist. Wenn das Schaltelement 512 ausgeschaltet wird, ist die Leistung, die von dem Schaltelement 512 verbraucht wird, ebenfalls nahezu null, da die Spannung der Drain oder des ersten Anschlusses des Schaltelements 512 nah null ist und der Strom durch das Schaltelement nahezu null ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist ein erstes Schaltelement 612A und ein zweites Schaltelement 612B (6) zum Ersatz des Schaltelements 512 vorgesehen.
Die resonante Last 511 weist einen ersten Kondensator 514 und einen zweiten Kondensator 516, die Reihenspule 518 und die Lastschaltung 520 auf. Wie oben beschrieben, hat jede für die resonante Last 511 gewählte Komponente eine feste Beziehung zwischen der festen Frequenz des Treibermoduls 512, des Taktverhältnisses des Schaltelements 512 und eines Werts der Komponenten der resonanten Last auf. Die Restefrequenz des Treibermoduls 522 ist gleich der Resonanzfrequenz der resonanten Last 511. Der erste und der zweite Kondensator 514, 516 sind als Shunt- bzw. Reihenkondensator ausgebildet. Der Widerstandswert des Lastkreises 512 kann abhängig von der Anwendung der Einrichtung 500 variieren. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Widerstand der Lastschaltung 520 50 Ohm mit einer Leistungsrate von 5 Watt auf. Die Werte des zweiten Kondensators 516 und der Lastspule 518 können gewählt werden zum Erreichen der gewünschten Resonanzfrequenz der resonanten Last 511. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ersetzt eine resonante Last 611 (6) die resonante Last 511.
Das Schalten des Schaltelements 502 weist das Treiben des Schaltelements 512 unter Verwendung eines Treibermoduls auf. Das Treibermodul 512 weist einen Steuerkreis auf, der geeignet ist zum Liefern eines ausreichenden Signals zum Treiben des Schaltelements 512. Das Treibermodul 512 arbeitet bei einer festen Frequenz, die gleich der Resonanzfrequenz der resonanten Last ist. Das Treibermodul 512 kann eine Pulsbreitenmodulationsschaltung (PWM) aufweisen die konfiguriert ist zum Arbeiten bei der festen Frequenz. Andere Oszillatoren können verwendet werden. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel wird ein digitales Eingangssignal (nicht gezeigt) verwendet, um das Treibermodul 522 zu aktivieren. Das digitale Eingangssignal weist eine Frequenz auf, die der festen Frequenz gleich ist.
Das Verfahren 700 endet bei dem Schritt 760.
Die vielen Vorteile der vorliegenden Erfindung haben bei ihrer Anwendung ein weites Feld. Die vorliegende Erfindung schafft einen Leistungswandlerkreis auf mit einer erhöhten Effizienz von Klasse-E Verstärkern und Leistungswandlereinrichtungen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht weiter eine Optimierung der Leistung, die an einen resonanten Lastkreis übertragen wird und schafft eine Ersparnis einer Spule oder eines Kondensators bezüglich der für jedes Gerät einzusetzendes Materialien. Die vorliegende Erfindung ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber üblichen Klasse-E Verstärkern, die üblicherweise Buck-Wanderschaltungen verwendet.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Mehrzahl von besonderen Einzelheiten beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass die Erfindung in anderen Ausgestaltungen verwirklicht werden kann, ohne sich von dem Schutzbereich der Erfindung zu lösen. Der Fachmann versteht, dass die Erfindung nicht auf die vorangehenden illustrativen Einzelheiten beschränkt ist, die Erfindung ergibt sich vielmehr aus den beiliegenden Ansprüchen.

Claims

Leistungswandlereinrichtung mit: einer Eingangsleistungsquelle; einer Eingangsspule, die zum Koppeln einer Leistung der Eingangsleistungsquelle ausgebildet ist; einem Schalter, der zum Regulieren der Leistung der Eingangsleistungsquelle über die Eingangsspule ausgebildet ist; eine Shunt-Diode, die zwischen dem Schalter und der Eingangsspule gekoppelt ist; einer resonanten Last, die mit der Eingangsspule gekoppelt ist und einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, eine Reihenspule und eine Lastschaltung aufweist; und einem Schaltelement, das mit der Eingangsspule und der resonanten Last gekoppelt ist und ausgebildet ist, bei einer festen Frequenz zu arbeiten.
Die Einrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einer Steuerschaltung zum Modellieren der Frequenz des Schalters.
Vorrichtung nach Anspruch 1 weiter mit einem Treibermodul zum Antreiben des Schaltelements bei der feste Frequenz.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungswandlereinrichtung einen Klasse-E-Verstärker aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Eingangsleistungsquelle DC-Spannungssignal aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das DC-Spannungssignal einen Wert von annähernd 20 VDC aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Shunt-Diode zum Überbrücken der Leistung der Eingangsspule, wenn der Schalter offen ist, ausgebildet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die feste Frequenz eine Frequenz aufweist, die gleich der Resonanzfrequenz der resonanten Last ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Kondensator Shunt- bzw. Reihenkondensatoren aufweisen, wobei der Reihenkondensator und die Reihenspule zwischen dem Shunt-Kondensator und dem Lastkreis gekoppelt sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung als eine integrierte Schaltung ausgebildet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schalter einen MOSFET aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Shunt-Diode stattdessen einen MOSFET aufweist und der Schalter einen komplementären MOSFET aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schalter kontinuierlich geschlossen ist und als eine Sicherungsverbindung arbeitet.
Ein Verfahren zum Wandeln der Leistung in einer Leistungswandelvorrichtung mit: Schaffen einer Eingangsleistungsquelle; Koppeln einer Leistung der Eingangsleistungsquelle über eine Eingangsspule; Regeln der Leistung der Eingangsleistungsquelle über die Eingangsleistungsspule unter Verwendung eines Schalters, der zwischen der Eingangsleistungsquelle und der Eingangsleistungsspule gekoppelt ist; Überbrücken der Leistung der Eingangsspule, wenn der Schalter offen ist unter Verwendung einer Shunt-Diode, die zwischen dem Schalter und der Eingangsspule gekoppelt ist; und Betreiben eines Schaltelements bei einer festen Frequenz, wobei das Schaltelement mit der Eingangsspule und einer resonanten Last gekoppelt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, weiter mit Modulieren einer Frequenz des Schalters unter Verwendung einer Steuerschaltung.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Betrieb des Schaltelements das Treiben des Schaltelements bei der festen Frequenz unter Verwendung eines Treibermoduls aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Wandlereinrichtung einen Klasse-E-Verstärker aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Eingangsleistungsquelle ein DC-Spannungssignal aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei das DC-Spannungssignal einen Wert, der annähernd gleich 20 VDC ist, hat.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die resonante Last mit der Eingangsspule und dem Schaltelement gekoppelt ist und einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, eine Reihenspule und eine Lastschaltung aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die feste Frequenz eine Frequenz aufweist, die gleich einer Resonanzfrequenz der resonanten Last ist.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei der erste Kondensator und der zweite Kondensator einen Shunt-Kondensator bzw. einen Reihen-Kondensator aufweist, wobei der Reihenkondensator und die Reihenspule zwischen dem Shunt-Kondensator und der Lastschaltung gekoppelt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Einrichtung als eine integrierte Schaltung ausgebildet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schalter einen MOSFET aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Shunt-Diode stattdessen einen ersten MOSFETT und der Schalter einen komplementären zweiten MOSFET aufweist, wobei der erste und der zweite MOSFET 180 Winkelgrad phasenverschoben zueinander betrieben werden.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schalter kontinuierlich geschlossen und als eine Sicherungsverbindung betrieben wird.
Eine Differenz-Leistungswandlereinrichtung mit: einer Eingangsleistungsquelle; einer ersten und einer zweiten Spule, die konfiguriert sind zum Koppeln einer Leistung in die Leistungsquelle; einen Schalter, der zum Regeln der Leistung der Eingangsleistungsquelle durch die erste Spule und die zweite Spule ausgebildet ist; eine Shunt-Diode, die zum Überbrücken der Leistung der ersten Spule und der zweiten Spule, wenn der Schalter offen ist, ausgebildet ist; eine resonante Last, die mit der ersten Spule und der zweiten Spule gekoppelt ist mit einem ersten Kondensator, einem zweiten Kondensator, einem dritten Kondensator, einer Reihen spule und einer Lastschaltung; und einem ersten und einem zweiten Schaltelement, das mit der ersten bzw. der zweiten Eingangsspule gekoppelt ist und mit der resonanten Last gekoppelt ist, wobei das erste und das zweite Schaltelement zum Arbeiten bei einer festen Frequenz ausgebildet sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, weiter mit einer Steuerschaltung zum Modellieren der Frequenz des Schalters.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, weiter mit einem Treibermodul zum Treiben des ersten und des zweiten Schaltelements bei der festen Frequenz.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Differenz-Leistungswandlereinrichtung einen Klasse-E Verstärker aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Eingangsleistung ein DC-Spannungssignal aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei das DC-Spannungssignal einen Wert von annähernd VDC hat.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Shunt-Diode zwischen dem Schalter und der ersten und der zweiten Eingangsspule gekoppelt ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die feste Frequenz eine Frequenz hat, die einer Resonanzfrequenz der sogenannten Last gleich ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Vorrichtung als ein integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Schalter ein MOSFET aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Shunt-Diode stattdessen ein MOSFET und der Schalter einen komplementären MOSFET aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Schalter kontinuierlich geschlossen und als eine Sicherungsverbindung betrieben wird.