DE102010015660A1

DE102010015660A1 - Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung und Brückenschaltung

Info

Publication number: DE102010015660A1
Application number: DE102010015660A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fitzi; Stephan DOBRETSBERGER
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: US9735336B2; US20110309803A1; DE102010015660B4

Abstract

In einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last, die zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil hat, in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung ein Aufladen des Brückenzweiges auf eine erste Spannung (V1) in einer Vorwärtsschaltphase (F), ein Entladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer ersten offenen Schaltphase (O1), ein Aufladen des Brückenzweiges auf eine zweite Spannung (V2) in einer Umkehrschaltphase (R), wobei die zweite Spannung (V2) invers zur ersten Spannung (V1) gepolt ist, und ein Negatives Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer zweiten offenen Schaltphase (O2) auf. Des Weiteren ist eine Brückenschaltung vorgesehen.

Description

Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung und Brückenschaltung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung und eine Brückenschaltung. Die elektrische Last hat zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil.
Zum Betreiben einer elektrischen Last, die sowohl einen induktiven, als auch einen kapazitiven Anteil aufweist, wird üblicherweise eine Brückenschaltung eingesetzt. Die elektrische Last kann beispielsweise ein Piezoaktuator sein und wird mit einer im Brückenzweig bereitgestellten Spannung betrieben. Ein Piezoaktuator hat elektrische und mechanische Eigenschaften. Die elektrische Komponente wird im Wesentlichen als Kapazität, als sogenannte Parallelkapazität dargestellt, während die mechanische Komponente im Wesentlichen als Serienschwingkreis mit einer frequenzbestimmenden Induktivität abgebildet wird. Ein derartiger Piezoaktuator wird zum Beispiel zum Anregen einer Lautsprechermembran verwendet. In gängigen Treiberschaltungen werden sogenannte Vollbrücken verwendet, die bei gleicher Speisespannung im Vergleich zu Halbbrücken die doppelte Amplitude der Spannung im Brückenzweig erreichen, also auch in etwa die doppelte Amplitude der von einem angeschlossenen Piezoaktuator erzeugten mechanischen Bewegung.
Bekannte Treiberschaltungen schalten die Brücke abwechselnd in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, wobei in der Vorwärtsrichtung eine Spannung in Höhe einer positiven Versorgungsspannung im Brückenzweig bereitgestellt wird und in der Rückwärtsrichtung eine Spannung in Höhe der negativen Versorgungsspannung im Brückenzweig bereitgestellt wird. Dafür ist es jeweils erforderlich, die in der Parallelkapazität gespeicherte Energie zu entladen, die Kapazität umzupolen und wieder aufzuladen. Die dabei auftretende Verlustleistung beträgt in etwa das Vierfache des Produkts aus Kapazitätswert der Parallelkapazität, quadratische Versorgungsspannung und Schaltfrequenz.
Eine Aufgabe ist es, die Verlustleistung beim Betreiben oder Schalten einer derartigen elektrischen Last weiter zu reduzieren.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
In einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last, die zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil hat, in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung die Schritte:

– Aufladen des Brückenzweiges auf eine erste Spannung in einer Vorwärtsschaltphase,
– Entladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer ersten offenen Schaltphase,
– Aufladen des Brückenzweiges auf eine zweite Spannung in einer Umkehrschaltphase, wobei die zweite Spannung invers zur ersten Spannung gepolt ist, und
– Negatives Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer zweiten offenen Schaltphase, auf.

Durch einen jeweils in der ersten und zweiten offenen Schaltphase erzwungenen internen Stromfluss im Brückenzweig wird die im kapazitiven Anteil der elektrischen Last gespeicherte Energie mit Hilfe des induktiven Anteils der elektrischen Last entladen beziehungsweise aufgeladen. Der Stromfluss wird dadurch erreicht, dass die Brückenschaltung in einem offenen Zustand betrieben wird, bei dem jeweils ein Anschluss des Brückenzweiges offen ist. In der ersten und in der zweiten offenen Schaltphase beträgt die Verlustleistung daher jeweils annähernd den Wert Null.
Dadurch ermöglicht das vorgestellte Verfahren, die Verlustleistung beim Schalten der elektrischen Last weiter zu reduzieren.
Der Brückenzweig wird auch als Brückendiagonale bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren nach der ersten offenen Schaltphase und nach der zweiten offenen Schaltphase jeweils den Schritt:

– Umpolen und Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer dritten offenen Schaltphase auf.

In dieser Ausführungsform werden demzufolge die Schritte Vorwärtsschaltphase, erste offene Schaltphase, dritte offene Schaltphase, Umkehrschaltphase, zweite offene Schaltphase und dritte offene Schaltphase durchlaufen. Dadurch dass in der dritten offenen Schaltphase wiederum durch einen erzwungenen Stromfluss innerhalb der elektrischen Last ein Umladen von Energie zwischen dem kapazitiven Anteil und dem induktiven Anteils stattfindet, ist auch in dieser offenen Schaltphase die Verlustleistung annähernd Null.
Die Verlustleistung beim Schalten der elektrischen Last wird folglich weiter minimiert.
In einer alternativen Ausführungsform weist das Verfahren nach der ersten offenen Schaltphase sowie nach der zweiten offenen Schaltphase jeweils den Schritt:

– Vollständiges Entladen des kapazitiven Anteils der Last durch Ausgleich des Potentials im Brückenzweig in einer Zwischenschaltphase auf.

In dieser Ausführungsform werden demnach die Schritte Vorwärtsschaltphase, erste offene Schaltphase, Zwischenschaltphase, Umkehrschaltphase, zweite offene Schaltphase und Zwischenschaltphase durchlaufen.
Für den Fall, dass der kapazitive Anteil der elektrischen Last so groß ist, dass die in ihm gespeicherte Energie nicht mit Hilfe des induktiven Anteils der elektrischen Last in der ersten oder zweiten offenen Schaltphase vollständig entladen beziehungsweise aufgeladen werden kann, wird die Zwischenschaltphase ausgeführt. In dem der Brückenzweig beidseitig aktiv auf das gleiche Potential geschaltet wird, wird die restliche im kapazitiven Anteil der elektrischen Last noch gespeicherte Energie vollständig entladen. Auch mit dieser Maßnahme wird eine weitere Reduktion der Verlustleistung erreicht.
In einer Weiterbildung erfolgt ein Umschalten in die erste offene Schaltphase sowie ein Umschalten in die zweite offene Schaltphase jeweils in Abhängigkeit eines übergeordneten Taktsignals.
Beispielsweise wird ein Rechtecksignal als Taktsignal eingesetzt. Bei einem Übergang dieses Taktsignals von Null auf Eins erfolgt beispielsweise das Einschalten der ersten offenen Schaltphase, während bei einem Eins- auf Null-Übergang des übergeordneten Taktsignals in die zweite offene Schaltphase geschaltet wird. Das übergeordnete Taktsignal wird zum Beispiel von einer Schaltung, in der der das Verfahren eingesetzt wird, vorgegeben.
Die Länge der jeweiligen Schaltphasen ist dabei jeweils bevorzugt an ein Verhältnis zwischen induktivem Anteil und kapazitivem Anteil der elektrischen Last angepasst.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein Umschalten in die Umkehrschaltphase, wenn ein Istwert einer Spannung im Brückenzweig den Wert der zweiten Spannung erreicht hat, oder wenn eine erste Ableitung der Spannung im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat.
Die Spannung im Brückenzweig wird zum Betreiben beziehungsweise zum Schalten der elektrischen Last im Brückenzweig eingesetzt. Sobald also diese Spannung den Wert der zweiten Spannung erreicht hat oder sobald sich der Wert der Spannung nicht mehr ändert, also ihre erste Ableitung den Wert Null erreicht hat, erfolgt ein Umschalten in die Umkehrschaltphase.
Die Spannung im Brückenzweig wird auch als Diagonalspannung oder Brückenspannung bezeichnet.
In einer Weiterbildung erfolgt ein Umschalten in die Vorwärtsschaltphase, wenn der Istwert der Spannung im Brückenzweig den Wert der ersten Spannung erreicht hat, oder wenn die erste Ableitung der Spannung im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein Umschalten in die dritte offene Schaltphase, wenn der Istwert der Spannung im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat.
In einer Weiterbildung erfolgt ein Umschalten in die Zwischenschaltphase, wenn die erste Ableitung der Spannung im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgen das Entladen und das negative Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last jeweils mit Hilfe der Energie des induktiven Anteils der Last.
Dadurch wird erreicht, dass in den zugehörigen Schaltphasen die Verlustleistung annähernd gleich Null ist. Somit wird die Verlustleistung insgesamt deutlich reduziert.
In einer Weiterbildung werden die Vorwärtsschaltphase, die erste offene Schaltphase, die Umkehrschaltphase und die zweite offene Schaltphase jeweils zyklisch wiederholt.
In einer Ausführungsform umfasst eine Brückenschaltung zum Schalten einer elektrischen Last im Brückenzweig, die zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil hat,

– einen ersten Schalter zum Zuführen einer Versorgungsspannung zu einem ersten Anschluss des Brückenzweiges,
– einen zweiten Schalter zum Zuführen der Versorgungsspannung zu einem zweiten Anschluss des Brückenzweiges,
– einen dritten Schalter zum Verbinden des ersten Anschlusses des Brückenzweiges mit einem Bezugspotentialanschluss,
– einen vierten Schalter zum Verbinden des zweiten Anschlusses des Brückenzweiges mit dem Bezugspotentialanschluss und
– eine Steuereinheit, die zur Ansteuerung der Schalter in einer Schaltreihenfolge mit mindestens einem Schaltzustand, bei dem höchstens ein Schalter aus einer Menge umfassend den ersten, zweiten, dritten und den vierten Schalter geschlossen ist, ausgelegt ist.

Die Steuereinheit steuert die Schalter in der Schaltreihenfolge mit mehreren Schaltzuständen an. Mit der Spannung im Brückenzweig wird der kapazitive Anteil der elektrischen Last jeweils aufgeladen oder entladen. Dadurch dass in mindestens einem Schaltzustand höchstens einer der vier Schalter geschlossen ist, wird ein interner Ausgleichsstrom innerhalb der elektrischen Last erzwungen, welcher ein Umladen von Energie zwischen dem kapazitiven und dem induktiven Anteil der elektrischen Last bewirkt. Die Verlustleistung der Brückenschaltung beim Schalten der elektrischen Last wird somit mit Vorteil reduziert.
Die Steuereinheit realisiert einen Zustandsautomaten. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Schalter der Brückenschaltung gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zu steuern. Ein Schaltzustand repräsentiert folglich eine Stellung der Schalter in einer jeweiligen Schaltphase. Die Steuereinheit wird vorzugsweise in Digitaltechnik implementiert.
Der kapazitive Anteil der elektrischen Last ist bevorzugt parallel zum induktiven Anteil der elektrischen Last geschaltet. Der kapazitive Anteil der elektrischen Last wird beispielsweise als Parallelkapazität bezeichnet. Insbesondere sind zum induktiven Anteil der elektrischen Last ein Widerstand sowie eine weitere Kapazität in Serie geschaltet. Dadurch ergibt sich für den induktiven Anteil der elektrischen Last ein Serienschwingkreis umfassend eine frequenzbestimmende Induktivität, eine Kapazität sowie einen Widerstand. Dieser Serienschwingkreis ist parallel zur Parallelkapazität geschaltet. Die Parallelkapazität ist dabei wesentlich größer als die Kapazität des Serienschwingkreises. Für die elektrische Last ergeben sich folglich eine Serienresonanzfrequenz und ein Parallelresonanzfrequenz. Bevorzugt wird die Brückenschaltung im Bereich der Serienresonanzfrequenz betrieben, bei der der mechanische Hub eines angeschlossenen Piezoaktuators am größten ist. Die Serienresonanzfrequenz bestimmt folglich eine jeweilige zeitliche Dauer der einzelnen Schaltzustände.
Die Versorgungsspannung wird auch als Brückenspeisespannung bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Brückschaltung einen Messaufnehmer, der zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss des Brückenzweiges geschaltet ist, auf. Der Messaufnehmer ist zum Erfassen des Istwerts der Spannung im Brückenzweig ausgelegt.
In einer Weiterbildung weist die Brückenschaltung einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor auf. Der erste Sensor ist mit dem ersten Schalter oder mit dem dritten Schalter verbunden und ist zum Erfassen eines Istwerts eines ersten Stromes durch den ersten oder den dritten Schalter ausgelegt. Der zweite Sensor ist mit dem zweiten Schalter oder mit dem vierten Schalter verbunden und ist zum Erfassen eines Istwerts eines zweiten Stromes durch den zweiten oder den vierten Schalter ausgelegt.
Alternativ zur Spannungsmessung mit dem Messaufnehmer im Brückenzweig kann eine Strommessung im ersten und im weiten Anschluss durchgeführt werden. Die Strommessung erfolgt dabei jeweils in gegenüberliegenden Schaltern. Es wird also beispielsweise der Entladestrom durch den ersten und den zweiten Schalter erfasst, alternativ wird der Strom durch den dritten und den vierten Schalter erfasst. Das Erfassen von Spannung oder Strom ist Voraussetzung für das Umschalten zwischen den einzelnen Schaltzuständen.
In einer weiteren Ausführungsform sind in einer Vorwärtsschaltphase der erste und der vierte Schalter geschlossen und der zweite und der dritte Schalter sind jeweils geöffnet.
Dadurch wird dem ersten Anschluss die Versorgungsspannung zugeführt, während der zweite Anschluss auf Bezugspotential liegt. Im Brückenzweig wird die positive Versorgungsspannung bereitgestellt.
In einer Weiterbildung sind in einer Umkehrschaltphase der erste und der vierte Schalter geöffnet und der zweite und der dritte Schalter sind geschlossen.
Dadurch liegt der erste Anschluss auf Bezugspotential, während der zweite Anschluss mit der Versorgungsspannung verbunden ist. Im Brückenzweig wird die negative Versorgungsspannung bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform sind in einer ersten, einer zweiten und einer dritten offenen Schaltphase jeweils höchstens ein Schalter aus der Menge umfassend den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter geschlossen.
Von den vier Schaltern ist also in einer offenen Schaltphase jeweils maximal ein Schalter geschlossen. Dadurch wird entweder der erste oder der zweite Anschluss auf Bezugspotential oder das Potential der Versorgungsspannung gelegt. Der jeweils andere Anschluss ist offen. Folglich wird ein interner Stromfluss in der elektrischen Last erzwungen, wodurch die im kapazitiven Anteil der elektrischen Last gespeicherte Energie mit Hilfe der Energie des induktiven Anteils der elektrischen Last entladen oder aufgeladen wird. Dies erfolgt vorteilhafterweise ohne Verluste.
In einer Weiterbildung ist in einer Zwischenschaltphase ein Potential des ersten Anschlusses des Brückenzweigs an ein Potential des zweiten Anschlusses des Brückenzweigs aneinander angepasst.
In der Zwischenschaltphase werden also entweder der erste und der zweite Anschluss mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden oder der erste und der zweite Anschluss werden jeweils mit Versorgungsspannung versorgt. Dadurch fließt im Brückenzweig kein Strom und Verluste werden minimiert.
In einer weiteren Ausführungsform sind sowohl ein Endwert der ersten Spannung als auch ein Endwert der zweiten Spannung in ihrem jeweiligen Betrag an die Versorgungsspannung angepasst.
Ein Endwert der ersten Spannung ist an die Versorgungsspannung angepasst. Ein Endwert der zweiten Spannung ist an den negativen Wert der Versorgungsspannung, also an die umgepolte Versorgungsspannung angepasst.
In einer Weiterbildung ist die Brückenschaltung dazu eingerichtet, einen Piezoaktuator mit der Spannung im Brückenzweig zu betreiben, wobei die elektrische Last den Piezoaktuator umfasst.
Der Piezoaktuator wird mittels der elektrischen Last, die eine Parallelschaltung des frequenzbestimmenden kapazitiven Anteils und des frequenzbestimmenden induktiven Anteils aufweist, abgebildet. Die Parallelschaltung umfassend den Serienschwingkreis und die Parallelkapazität bildet ein Ersatzschaltbild des Piezoaktuators. Dadurch kann der Piezoaktuator vorteilhafterweise mit minimalen Verlusten angesteuert werden. Bei der Ansteuerung des Piezoaktuators werden bereits sowohl seine mechanischen als auch seine elektrischen Eigenschaften berücksichtigt. Je nach Verhältnis zwischen induktivem Anteil und kapazitivem Anteil der elektrischen Last wird der Piezoaktuator mit einer entsprechenden Serienresonanzfrequenz und einer zeitlich daran angepassten Abfolge der Schaltzustände beziehungsweise Schaltphasen angesteuert. Die Verluste, die üblicherweise durch das Umladen des kapazitiven Anteils entstehen werden dabei minimiert. Es bleiben lediglich die Verluste, die sich aufgrund der nicht idealen Schalter ergeben.
Die Schalter werden beispielsweise als Transistoren in CMOS-Technik oder als Bipolartransistoren ausgeführt. Sie können dabei jeweils als Schalter oder als Stromquelle implementiert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungsteile tragen dabei gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:
1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Brückenschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2 eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
3 einen beispielhaften Verlauf einer Spannung im Brückenzweig zur Ausführungsform von 2,
4A einen weiteren beispielhaften Verlauf der Spannung im Brückenzweig zur Ausführungsform von 2,
4B einen beispielhaften Verlauf einer Verlustleistung zu 4A,
5 eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
6A einen beispielhaften Verlauf der Spannung im Brückenzweig zum Ausführungsbeispiel von 5,
6B einen beispielhaften Verlauf der Verlustleistung zu 6A,
7A bis E jeweils eine beispielhafte Ausführungsformen einer Brückenschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip in der offenen Schaltphase,
8A und B jeweils eine beispielhafte Ausführungsform einer Brückenschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip in der Zwischenschaltphase, und
9 ein beispielhaftes Zustandsübergangsdiagramm.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Brückenschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Brückenschaltung umfasst einen ersten Schalter S1, einen zweiten Schalter S2, einen dritten Schalter S3, einen vierten Schalter S4 und eine Steuereinheit Ctl. Der erste Schalter S1 koppelt einen Anschluss für die Versorgungsspannung VDD mit einem ersten Anschluss A1 der Brückenschaltung. Der zweite Schalter S2 ist zwischen den Anschluss für die Versorgungsspannung VDD und einen zweiten Anschluss A2 der Brückenschaltung geschaltet. Der dritte Schalter S3 ist zwischen den ersten Anschluss A1 der Brückenschaltung und einen Bezugspotentialanschluss 10 geschaltet. Der vierte Schalter S4 ist zwischen den zweiten Anschluss A2 der Brückenschaltung und den Bezugspotentialanschluss 10 geschaltet. Der erste und der dritte Schalter S1, S3 sowie der zweite und der vierte Schalter S2, S4 bilden jeweils paarweise einen Spannungsteiler, der an der Versorgungsspannung VDD liegt. Die Brückenschaltung ist also als Vollbrückenschaltung ausgeführt. Ein Brückenzweig ist zwischen dem ersten Anschluss A1 und dem zweiten Anschluss A2 gebildet. Die Steuereinheit Ctl ist mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Schalter S1, S2, S3, S4 zu deren jeweiliger Ansteuerung gekoppelt.
Des Weiteren weist die Brückenschaltung einen Messaufnehmer M1, der zwischen den ersten und den zweiten Anschluss A1, A2 der Brückenschaltung geschaltet ist, auf. Der Messaufnehmer M1 ist zum Erfassen eines Istwerts einer Spannung im Brückenzweig ausgelegt.
Zusätzlich sind ein erster Sensor M2 sowie ein zweiter Sensor M3 vorgesehen. Der erste Sensor M2 ist beispielsweise zwischen den ersten Schalter S1 und den ersten Anschluss A1 geschaltet und ist zum Erfassen eines Istwerts eines ersten Stromes I1 durch den ersten Schalter S1 eingerichtet. Der zweite Sensor M3 ist beispielsweise zwischen den zweiten Schalter S2 und den zweiten Anschluss A2 geschaltet und ist zum Erfassen eines Istwerts eines zweiten Stromes I2 durch den zweiten Schalter S2 eingerichtet.
Demzufolge wird alternativ entweder eine Spannung V im Brückenzweig erfasst, oder ein Strom durch die gegenüberliegenden Schalter S1 und S2. Die Spannung V fällt zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss A1, A2 ab und ist vom ersten Anschluss A1 zum zweiten Anschluss A2 gerichtet.
Des Weiteren ist eine elektrische Last EL, die mit der Brückenschaltung geschaltet beziehungsweise betrieben wird, dargestellt. Die elektrische Last EL weist zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil auf. Der kapazitive Anteil wird hier beispielsweise repräsentiert von einer Parallelkapazität CP, der induktive Anteil wird hier beispielsweise dargestellt als Induktivität L. Im Einzelnen wird der induktive Anteil der elektrischen Last EL durch einen Serienschwingkreis umfassend die Induktivität L, eine weitere Kapazität C und einen Widerstand R gebildet. Die Parallelkapazität CP und der Serienschwingkreis befinden sich in Parallelschaltung zwischen dem ersten Anschluss A1 und dem zweiten Anschluss A2 und werden mit der Spannung V im Brückenzweig betrieben. Die elektrische Last EL bildet dabei beispielsweise ein Ersatzschaltbild eines Piezoaktuators. Die Parallelkapazität CP repräsentiert in diesem Fall die elektrischen Eigenschaften des Piezoaktuators während der Serienschwingkreis die mechanischen Eigenschaften des Piezoaktuators darstellt.
Die Steuereinheit Ctl umfasst einen Zustandsautomaten, dem ein Zustandsübergangsdiagramm zugrunde liegt, welches eine Schaltreihenfolge zur Ansteuerung der Schalter S1 bis S4 realisiert.
Die Funktionsweise der Brückenschaltung wird anhand der folgenden Figuren, insbesondere der 2 und 5 erläutert.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Nebeneinander sind unterschiedliche Schaltzustände in einzelnen Schaltphasen dargestellt, die eine Schaltreihenfolge bilden, welche von links nach rechts durchlaufen wird. Die dargestellte Schaltreihenfolge bildet die Grundlage für die zeitliche Ansteuerung der Schalter S1 bis S4 der Brückenschaltung aus 1 durch die Steuereinheit Ctl.
In einer Vorwärtsschaltphase F sind der erste und der vierte Schalter S1, S4 geschlossen, während der zweite und der dritte Schalter S2, S3 geöffnet sind. Der Brückenzweig wird auf eine erste Spannung V1 aufgeladen. Die erste Spannung V1 entspricht in ihrer Höhe der Versorgungsspannung VDD.
In einer darauf folgenden ersten offenen Schaltphase O1, welche durch einen Aufwärtsimpuls eines übergeordneten Taktsignals eingeleitet wird, wird der erste Schalter S1 geöffnet, so dass lediglich der vierte Schalter S4 geschlossen bleibt. Ein Stromfluss durch den Serienschwingkreis und damit durch die Induktivität L entlädt die in der Parallelkapazität CP gespeicherte Energie. Dies erfolgt mit Vorteil ohne Verluste.
Sobald eine Spannung V im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat, wird in eine dritte offene Schaltphase O3 umgeschaltet. Hier wird der vierte Schalter S4 geöffnet und gleichzeitig der zweite Schalter S2 geschlossen. Dadurch wird der zweite Anschluss A2 auf das Potential der Versorgungsspannung VDD gezogen. Die Parallelkapazität CP wird umgepolt und auf den Wert einer zweiten Spannung V2 aufgeladen. Die zweite Spannung V2 entspricht dabei in ihrem Betrag der Versorgungsspannung VDD ist jedoch invers zu dieser gepolt. Sie wird hier auch als negative Versorgungsspannung bezeichnet.
Sobald der Istwert der Spannung V im Brückenzweig den Wert der negativen Versorgungsspannung VDD erreicht hat, wird in eine Umkehrschaltphase R umgeschaltet. In dieser Schaltphase sind der zweite und der dritte Schalter S2, S3 geschlossen, während der erste und der vierte Schalter S1, S4 geöffnet sind. In der Umkehrschaltphase R kehrt sich der Stromfluss durch die Induktivität L um. Die negative Versorgungsspannung wird im Brückenzweig bereitgestellt.
Gesteuert durch eine Abwärtsflanke des übergeordneten Taktsignals erfolgt ein Umschalten in eine zweite offene Schaltphase O2. Der dritte Schalter S3 wird geöffnet, so dass lediglich der zweite Schalter S2 geschlossen bleibt. Die Parallelkapazität CP wird negativ aufgeladen.
Sobald die Spannung V im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat wird erneut in die dritte offene Schaltphase O3 umgeschaltet. Die Parallelkapazität CP wird erneut umgepolt und wieder positiv aufgeladen. Zu diesem Zweck ist der vierte Schalter S4 geschlossen, alle übrigen Schalter sind geöffnet. Sobald die Spannung V im Brückenzweig den Wert der positiven Versorgungsspannung VDD erreicht hat, erfolgt ein Umschalten in die Vorwärtsschaltphase F und die Schaltphasen werden wie beschrieben erneut durchlaufen.
Die im Serienschwingkreis gespeicherte Energie entlädt beziehungsweise lädt die Parallelkapazität CP in den offenen Schaltphasen O1, O2 und O3. Die Brückenschaltung wird im Bereich der Serienresonanzfrequenz des Serienschwingkreises betrieben. Das übergeordnete Taktsignal wird dabei so gewählt, dass die Brückenspannung V am Anfang der Vorwärts- beziehungsweise Rückwärtsschaltphase F, R jeweils in ihrem Betrag der Versorgungsspannung VDD entspricht. Dadurch, dass jeweils zwischen der Vorwärtsschaltphase F und der Rückwärtsschaltphase R die erste und die dritte offene Schaltphase O1 und O3, und zwischen der Rückwärtsschaltphase R und der Vorwärtsschaltphase F die zweite und die dritte offene Schaltphase O2 und O3 durchlaufen werden, ist sichergestellt, dass ein Potential des jeweiligen offenen Anschlusses A1 oder A2 weder unterhalb des Bezugspotentials noch oberhalb des Potentials der Versorgungsspannung VDD liegt. Dadurch wird mit Vorteil erreicht, dass das Entladen beziehungsweise das Aufladen der Parallelkapazität CP, die einen beträchtlichen Kapazitätswert aufweist, ohne Verluste erfolgt. Das Zeitverhalten ist dabei angepasst an die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises sowie an die Größe der Parallelkapazität CP.
3 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Spannung im Brückenzweig zur Ausführungsform von 2. In der Vorwärtsschaltphase F hat die Brückenspannung V den Wert einer ersten Spannung V1, die in ihrer Höhe an den Wert der Versorgungsspannung VDD angepasst ist. In der ersten offenen Schaltphase O1 sinkt die Brückenspannung V auf den Wert Null. In der dritten offenen Schaltphase O3 nimmt die Brückenspannung V den Wert einer zweiten Spannung V2 an, die in ihrem Betrag an die Versorgungsspannung VDD angepasst ist, jedoch invers zur ersten Spannung V1 gepolt ist. Dieser Wert wird während der Umkehrschaltphase R beibehalten. In der zweiten offenen Schaltphase O2 steigt der Wert der Brückenspannung V wieder auf Null Volt an. In der dritten offenen Schaltphase O3 steigt der Wert der Brückenspannung V auf den Wert der Versorgungsspannung VDD an.
4a zeigt einen weiteren beispielhaften Verlauf der Brückenspannung für das Ausführungsbeispiel von 2. Im Unterschied zum Verlauf in 3 wird diesem Verlauf eine sehr viel größere Parallelkapazität im Brückenzweig zugrunde gelegt. Dadurch ergibt sich, dass im Unterschied zu 3 in der dritten offenen Schaltphase O3 die Parallelkapazität CP nach dem Umpolen jeweils nur bis zu einer Restspannung VP aufgeladen werden kann. In diesem Fall ist das Verhältnis zwischen der im Serienschwingkreis speicherbaren Energie zu der Energie die in der Parallelkapazität CP gespeichert werden kann derart, dass die Energie des Serienschwingkreises nicht ausreicht, um die Parallelkapazität CP in den offenen Schaltphasen O1, O3 und O2, O3 jeweils vollständig auf den Betrag der Versorgungsspannung VDD aufzuladen, also insgesamt um das Doppelte der Versorgungsspannung VDD umzuladen. In Folge dessen erfolgt ein Umschalten von der dritten offenen Schaltphase O3 in die Umkehrschaltphase R beziehungsweise in die Vorwärtsschaltphase F jeweils dann, wenn die erste Ableitung der Brückenspannung V den Wert Null annimmt. In der Umkehrschaltphase R beziehungsweise in der Vorwärtsschaltphase F wird dann jeweils die betragsmäßige Differenz zwischen der Restspannung VP und der Versorgungsspannung VDD auf die Parallelkapazität CP geladen, so dass im Brückenzweig betragsmäßig die Versorgungsspannung VDD bereitgestellt wird.
4B zeigt einen beispielhaften Verlauf einer Verlustleistung zu 4A. Der Verlauf der Verlustleistung P ist hier über der Zeit t dargestellt, wobei die einzelnen Beiträge zum Stromverbrauch in Form von Dreiecken schraffiert dargestellt sind. Es ist deutlich zu erkennen, dass aufgrund der Restspannung VP in der Umkehrschaltphase R sowie in der Vorwärtsschaltphase F wegen des noch zu erfolgenden restlichen Aufladens der Parallelkapazität CP Verluste auftreten.
Diese Verluste berechnen sich nach folgender Formel: P = C·(VDD – VP)²·f
Dabei stellen P den Wert der Verlustleistung P, C den Kapazitätswert der Parallelkapazität CP, VDD den Wert der Versorgungsspannung VDD, VP den Wert der Restspannung VP und f die Frequenz des übergeordneten Taktsignals dar.
In den offenen Schaltphasen O1, O2, O3 treten keine Verluste auf. Im Vergleich zu den eingangs beschriebenen bekannten Treiberschaltungen und Verfahren wird also die Verlustleistung hier noch einmal halbiert.
5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Abfolge der einzelnen Schaltphasen beziehungsweise Zustände ist im zeitlichen Verlauf von links nach rechts dargestellt. Dem Verfahren wird wieder die Brückenschaltung aus 1 zugrunde gelegt. Im Vergleich zur Ausführungsform des Verfahrens von 2 wird hier jeweils statt der dritten offenen Schaltphase O3 eine Zwischenschaltphase B durchlaufen.
In der Zwischenschaltphase B sind jeweils die Schalter S1 und S2 geöffnet, während die Schalter S3 und S4 geschlossen sind. Dadurch wird das Potential des ersten und zweiten Anschlusses A1, A2 jeweils auf das Potential des Bezugspotentialanschlusses 10 gezogen. Diese Ausführungsform des Verfahrens ist besonders geeignet für eine elektrische Last, bei der der durch die Parallelkapazität CP repräsentierte kapazitive Anteil sehr viel größer ist als der induktive Anteil. Die im Serienschwingkreis der elektrischen Last speicherbare Energie reicht in diesem Fall nicht aus, die Parallelkapazität CP umzuladen. Die Parallelkapazität CP wird um einen Betrag, der geringer ist als der Betrag der Versorgungsspannung VDD, entladen. In der Zwischenschaltphase B wird die Spannung V im Brückenzweig folglich auf den Wert Null gezogen. In dieser Ausführungsform werden also die Vorwärtsschaltphase F, die erste Offenschaltphase O1, die Zwischenschaltphase B, die Umkehrschaltphase R, die zweite offene Schaltphase O2 und die Zwischenschaltphase B zyklisch durchlaufen.
6A zeigt einen beispielhaften Verlauf der Spannung im Brückenzweig zum Ausführungsbeispiel von 5. Im Unterschied zum Verlauf von 4 ist hier zu erkennen, dass in der ersten offenen Schaltphase O1 nur bis zu einem Restbetrag der Restspannung VP entladen werden kann. In der anschließenden Zwischenschaltphase B wird die Brückenspannung V auf Null gezogen. In ähnlicher Art und Weise kann auch in der zweiten offenen Schaltphase O2 die Spannung V im Brückenzweig lediglich bis auf die Restspannung VP entladen werden. Das Entladen bis zum Wert Null Volt erfolgt in der anschließenden Zwischenschaltphase B.
6B zeigt einen beispielhaften Verlauf der Verlustleistung zu 6A. Die einzelnen Beiträge zum Stromverbrauch sind jeweils wieder durch schraffierte Dreiecke dargestellt. Es ist zu erkennen, dass jeweils in der Zwischenschaltphase B sowie in der Umkehrschaltphase R und der Vorwärtsschaltphase F Verluste auftreten. Diese berechnen sich mit der oben angeführten Formel. Dabei wird wiederum deutlich, dass im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen die Verlustleistung halbiert wird.
7A bis E zeigen jeweils eine beispielhafte Ausführungsform der Brückenschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip in einer offenen Schaltphase. Bei idealen Schaltern können die dargestellten alternativen Schaltzustände jeweils für die erste, die zweite oder die dritte offene Schaltphase O1, O2, O3 aus den Ausführungsbeispielen von 2 und 5 eingesetzt werden. Allen offenen Schaltphasen O1, O2, O3 liegt das Prinzip zugrunde, dass jeweils höchstens einer der vier Schalter S1 bis S4 geschlossen ist. Dies erzwingt jeweils einen internen Stromfluss innerhalb der elektrischen Last mit dem wie oben beschriebenen vorteilhaften Effekt einer reduzierten Verlustleistung.
In der in 7E dargestellten Ausführungsform sind alle vier Schalter S1 bis S4 geöffnet.
Bei einer Implementierung der Schalter S1 bis S4 als Transistoren in beispielsweise CMOS-Technologie ist jedoch das Einhalten der Schaltreihenfolge wie in 2 oder 5 dargestellt vorteilhaft.
8A und B zeigen jeweils eine beispielhafte Ausführungsform der Brückenschaltung nach dem vorgeschlagenen Prinzip in der Zwischenschaltphase. In 8A sind die Schalter S1 und S2 geschlossen, während die Schalter S3 und S4 geöffnet sind. Dadurch werden der erste und der zweite Anschluss A1, A2 auf das Potential der Versorgungsspannung VDD gezogen. Die Spannung V im Brückenzweig geht auf Null.
In der Ausführungsform von 8B sind die Schalter S1 und S2 geöffnet, während die Schalter S3 und S4 geschlossen sind. Der erste und der zweite Anschluss A1, A2 werden folglich auf das Potential des Bezugspotentialanschlusses 10 gezogen. Die Spannung V im Brückenzweig geht auf Null.
9 zeigt ein beispielhaftes Zustandsübergangsdiagramm für die Steuereinheit Ctl. Auch hier wird die Brückenschaltung aus 1 zugrunde gelegt.
Es wird beispielhaft begonnen mit der Vorwärtsschaltphase F. Durch eine beispielsweise steigende Flanke des übergeordneten Taktsignals wird die erste Offenschaltphase O1 eingeschaltet. In dieser Schaltphase überprüft die Steuereinheit Ctl beispielsweise mittels Messung der Brückenspannung V mit Hilfe des Messaufnehmers M1, ob die Spannung V den Wert Null erreicht hat oder ob die erste Ableitung der Spannung V den Wert Null erreicht hat, also ob ein angeschlossener Piezoaktuator nicht weiter entladen wird. Im ersten Fall, also wenn die Spannung V im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat, wurde die Parallelkapazität CP mit Hilfe der Energie des Serienschwingkreises entladen. Daraufhin wird die dritte offene Schaltphase O3 durchlaufen. Nachdem die Parallelkapazität CP umgepolt und vollständig wieder aufgeladen ist, wird in die Umkehrschaltphase R umgeschaltet.
Im anderen Fall, also wenn die erste Ableitung der Spannung V in der ersten offenen Schaltphase O1 den Wert Null erreicht hat, wurde die Parallelkapazität CP nicht vollständig entladen. Daraufhin wird die Zwischenschaltphase B durchlaufen. Sobald die Spannung V den Wert Null erreicht hat, wird in die Umkehrschaltphase R umgeschaltet.
Durch eine beispielsweise fallende Flanke des übergeordneten Taktsignals wird von der Umkehrschaltphase R in die zweite offene Schaltphase O2 umgeschaltet. Hier wird durch die Steuereinheit Ctl überprüft, ob der angeschlossene Piezoaktuator mit Hilfe der Energie des Serienschwingkreises vollständig entladen werden konnte. Dies ist der Fall, wenn die Spannung V im Brückenzweig den Wert Null erreicht. Dann wird in die dritte offene Schaltphase O3 umgeschaltet. Andernfalls, also falls der Piezoaktuator nicht weiter entladen wird, was durch einen Nulldurchgang der ersten Ableitung der Spannung V festgestellt wird, wird in die Zwischenschaltphase B umgeschaltet.
Anschließend wird aus der Zwischenschaltphase B oder der dritten offenen Schaltphase O3 wieder in die Vorwärtsschaltphase F umgeschaltet.
Vorteilhafterweise wird jeweils das aktuelle Verhältnis zwischen der im Serienschwingkreis speicherbaren Energie und der in der Parallelkapazität speicherbaren Energie berücksichtigt. Es wird die jeweils geeignete Schaltreihenfolge dementsprechend durchlaufen.
Bezugszeichenliste

S1, S2, S3, S4: Schalter
A1, A2: Anschluss
F, O1, O2, O3, R, B: Schaltphase
VDD: Versorgungsspannung
V, VP: Spannung
V1, V2: Spannung
Ctl: Steuereinheit
R: Widerstand
L: Induktivität
C, CP: Kapazität
M1: Messaufnehmer
M2, M3: Sensor
EL: elektrische Last
P: Verlustleistung
10: Bezugspotentialanschluss
I1, I2: Strom

Claims

Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last, die zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil hat, in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung aufweisend – Aufladen des Brückenzweiges auf eine erste Spannung (V1) in einer Vorwärtsschaltphase (F), – Entladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer ersten offenen Schaltphase (O1), – Aufladen des Brückenzweiges auf eine zweite Spannung (V2) in einer Umkehrschaltphase (R), wobei die zweite Spannung (V2) invers zur ersten Spannung (V1) gepolt ist, und – Negatives Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer zweiten offenen Schaltphase (O2).
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend nach der ersten offenen Schaltphase (O1) sowie nach der zweiten offenen Schaltphase (O2) – Umpolen und Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer dritten offenen Schaltphase (O3).
Verfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend nach der ersten offenen Schaltphase (O1) sowie nach der zweiten offenen Schaltphase (O2) – vollständiges Entladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last durch Ausgleich des Potentials im Brückenzweig in einer Zwischenschaltphase (B).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Umschalten in die erste offene Schaltphase (O1) und ein Umschalten in die zweite offene Schaltphase (O2) jeweils in Abhängigkeit eines übergeordneten Taktsignals erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Umschalten in die Umkehrschaltphase (R) erfolgt, wenn ein Istwert einer Spannung (V) im Brückenzweig den Wert der zweiten Spannung (V2) erreicht hat, oder wenn eine erste Ableitung der Spannung (V) im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Umschalten in die Vorwärtsschaltphase (F) erfolgt, wenn der Istwert der Spannung (V) im Brückenzweig den Wert der ersten Spannung (V1) erreicht hat, oder wenn die erste Ableitung der Spannung (V) im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Umschalten in die dritte offene Schaltphase (O3) erfolgt, wenn der Istwert der Spannung (V) im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Umschalten in die Zwischenschaltphase (B) erfolgt, wenn die erste Ableitung der Spannung (V) im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Entladen und das negative Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last jeweils mit Hilfe der Energie des induktiven Anteils der elektrischen Last erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorwärtsschaltphase (F), die erste offene Schaltphase (O1), die Umkehrschaltphase (R) und die zweite offene Schaltphase (O2) zyklisch wiederholt werden.
Brückenschaltung zum Schalten einer elektrischen Last im Brückenzweig, die zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil hat, aufweisend – einen ersten Schalter (S1) zum Zuführen einer Versorgungsspannung (VDD) zu einem ersten Anschluss (A1) des Brückenzweiges, – einen zweiten Schalter (S2) zum Zuführen der Versorgungsspannung (VDD) zu einem zweiten Anschluss (A2) des Brückenzweiges, – einen dritten Schalter (S3) zum Verbinden des ersten Anschlusses (A1) des Brückenzweiges mit einem Bezugspotentialanschluss (10), – einen vierten Schalter (S4) zum Verbinden des zweiten Anschlusses (A2) des Brückenzweiges mit dem Bezugspotentialanschluss (10) und – eine Steuereinheit (Ctl), die zur Ansteuerung der Schalter (S1, S2, S3, S4) in einer Schaltreihenfolge mit mindestens einem Schaltzustand, bei dem höchstens ein Schalter aus einer Menge umfassend den ersten, zweiten, dritten und den vierten Schalter (S1, S2, S3, S4) geschlossen ist, ausgelegt ist.
Brückenschaltung nach Anspruch 11, weiter aufweisend – einen zwischen den ersten Anschluss (A1) und den zweiten Anschluss (A2) des Brückenzweiges geschalteten Messaufnehmer (M1), der zum Erfassen des Istwerts der Spannung (V) im Brückenzweig ausgelegt ist.
Brückenschaltung nach Anspruch 11, weiter aufweisend – einen ersten Sensor (M2), der mit dem ersten Schalter (S1) oder mit dem dritten Schalter (S3) verbunden ist und der zum Erfassen eines Istwerts eines ersten Stromes (I1) durch den ersten oder den dritten Schalter (S1, S3) ausgelegt ist, und – einen zweiten Sensor (M3), der mit dem zweiten Schalter (S2) oder mit dem vierten Schalter (S4) verbunden ist und der zum Erfassen eines Istwerts eines zweiten Stromes (I2) durch den zweiten oder den vierten Schalter (S2, S4) ausgelegt ist.
Brückenschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in einer Vorwärtsschaltphase (F) der erste und der vierte Schalter (S1, S4) geschlossen und der zweite und der dritte Schalter (S2, S3) geöffnet sind.
Brückenschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei in einer Umkehrschaltphase (R) der erste und der vierte Schalter (S1, S4) geöffnet und der zweite und der dritte Schalter (S2, S3) geschlossen sind.
Brückenschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei in einer ersten, einer zweiten und einer dritten offenen Schaltphase (O1, O2, O3) jeweils höchstens ein Schalter aus der Menge umfassend den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter (S1, S2, S3, S4) geschlossen ist.
Brückenschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei in einer Zwischenschaltphase (B) ein Potential des ersten Anschlusses des Brückenzweigs (A1) und ein Potential des zweiten Anschlusses des Brückenzweigs (A2) aneinander angepasst sind.
Brückenschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei ein Endwert der ersten Spannung (V1) und ein Endwert der zweiten Spannung (V2) in ihrem jeweiligen Betrag an die Versorgungsspannung (VDD) angepasst sind.
Brückenschaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, die dazu eingerichtet ist, einen Piezoaktuator mit der Spannung (V) im Brückenzweig zu betreiben, wobei die elektrische Last den Piezoaktuator umfasst.