DE102010016439A1

DE102010016439A1 - Asymmetrischer Vollbrücken-Leistungsumrichter mit Nullspannungsschaltung

Info

Publication number: DE102010016439A1
Application number: DE102010016439A
Authority: DE
Inventors: Fred Nederland Greenfeld
Original assignee: Intersil Americas LLC; Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp; Intersil Americas LLC
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2010-10-28
Also published as: US8335091B2; KR101452544B1; CN104300797A; US8035996B1; TW201041283A; CN101867294A; US20120008359A1; TWI450477B; KR20100114839A; CN104300797B

Abstract

Es werden Vollbrücken-Leistungsumrichter offenbart, die eine Gleichstrom-Ausgangsleistung mit erhöhten Umrichtungswirkungsgraden bereitstellen, sowie Verfahren zum Betreiben von Vollbrücken-Leistungsumrichtern, die eine Gleichstrom-Ausgangsleistung mit erhöhten Umrichtungswirkungsgraden bereitstellen, offenbart. Bei den offenbarten Ausführungsformen werden die Schalter der Vollbrücke betrieben, um Leitungsverluste zu reduzieren und eine Nullspannungsschaltung bereitzustellen.

Description

KREUZVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/170,076 mit dem Titel „Asymmetric Zero-Voltage Switching Full-Bridge Power Converters”, eingereicht am 16. April 2009, deren Inhalt hiermit vollständig zur Bezugnahme für alle Zwecke übernommen wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Viele Topologien von Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungsumrichtern, wie etwa Durchfluss, Rücklauf, SEPIC, Vollbrücke, usw., sind auf diesem Gebiet bekannt. Derartige Umrichter weisen Leistungsumrichtungs-Wirkungsgrade auf, die typischerweise im Bereich von 70% bis 95% liegen. Ein Grund für den geringen Wirkungsgrad der Leistungsumrichtung ist die Energie, die beim Schalten der Leistungstransistoren des Umrichters verloren geht. Um Leerlaufenergie zu reduzieren, versuchen viele Leistungsumrichtermodelle, ihre Leistungstransistoren auf Einschaltzustände zu schalten, wenn die Spannungen an den Schaltern nahezu Null Volt beträgt, was oft als „Nullspannungsschaltung” bezeichnet wird. Es war jedoch schwierig, Modelle mit wirklicher Nullspannungsschaltung für Topologien von Vollbrücken-Umrichtern zu erreichen. Ein einfacher Vollbrücken-Umrichter entlädt die Energie des Transformators einfach in die beiden Mittelpunkte der Schaltwellenform der Primärwicklung ohne selektive Lenkung. Daher ist der einfache Vollbrücken-Umrichter viel anfälliger für ein „hartes Schalten”, was bedeutet, dass ein gegebener Leistungstransistor mit einer erheblichen Spannung an seinen Leitungsanschlüsse (z. B. Drain- und Source-Anschlüsse) eingeschaltet wird, was zu großen Verlustleistungen führt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Im Rahmen der Erstellung seiner Erfindung hat der Erfinder effizientere Schaltsequenzen für die Brückenschalter entwickelt, um die Nullspannungsschaltung besser auszuführen. Die Schaltsequenzen können auch angepasst werden, um Leitungsverluste in den Körperdioden einiger Schalter, insbesondere bei niedrigen Betriebszykluswerten, zu reduzieren.
Eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Vollbrücken-Leistungsumrichter, der eine Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitstellt. Der beispielhafte Leistungsumrichter umfasst einen Eingangsport, um eine Quelle umzurichtender Leistung zu empfangen, einen Ausgangsport, um eine Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitzustellen, eine Brückenschaltung und einen Transformator. Die Brückenschaltung umfasst einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, die an einem ersten Knoten in Reihe gekoppelt sind, und einen dritten und einen vierten Schalter, die an einem zweiten Knoten in Reihe gekoppelt sind. Die serielle Kombination der ersten und zweiten Schalter wird mit dem Eingangsport parallel gekoppelt, und die serielle Kombination der dritten und vierten Schalter wird mit dem Eingangsport parallel gekoppelt. Der Transformator umfasst eine Primärwicklung, die mit den ersten und zweiten Knoten gekoppelt ist, und mindestens eine Sekundärwicklung. Der beispielhafte Leistungsumrichter umfasst ferner eine Stromgleichrichterschaltung, die mit der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, und eine Ausgangsspule, die zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Ausgangsport gekoppelt ist. Jeder der ersten bis vierten Schalter wird mehrmals zwischen abwechselnden leitenden und nichtleitenden Zuständen umgeschaltet, wobei die ersten und zweiten Schalter derart geschaltet werden, dass sie sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, wobei die dritten und vierten Schalter derart geschaltet werden, dass sie sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, wobei die zweiten und vierten Schalter derart geschaltet werden, dass sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, und wobei die ersten und dritten Schalter derart geschaltet werden, dass sie sich während einer Vielzahl von Zeitspannen gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden.
Eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Vollbrücken-Leistungsumrichter, der eine Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitstellt. Der beispielhafte Leistungsumrichter umfasst einen Eingangsport, um eine Quelle umzurichtender Leistung zu empfangen, einen Ausgangsport, um eine Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitzustellen, eine Brückenschaltung und einen Transformator. Die Brückenschaltung umfasst einen ersten Transistor, einen zweiten Transistor, einen dritten Transistor und einen vierten Transistor. Jeder Transistor weist einen ersten Leitungsanschluss, einen zweiten Leitungsanschluss und einen Modulationsanschluss auf. Die Modulationsanschluss empfangt ein Steuersignal, das einen ersten Zustand, der den Transistor in einen leitenden Zustand versetzt, in dem Strom von seinem ersten Leitungsanschluss zu seinem zweiten Leitungsanschluss geleitet werden kann, und einen zweiten Zustand, der den Transistor in einen nichtleitenden Zustand versetzt, in dem kein Strom von seinem ersten Leitungsanschluss zu seinem zweiten Leitungsanschluss geleitet werden kann, aufweist. Bei jedem der ersten und zweiten Transistoren ist einer seiner Leitungsanschlüsse mit einem ersten Knoten und der andere seiner Leitungsanschlüsse ist mit einem jeweiligen Anschluss des Eingangsports gekoppelt. Bei jedem der dritten und vierten Transistoren ist einer seiner Leitungsanschlüsse mit einem zweiten Knoten und der andere seiner Leitungsanschlüsse ist mit einem jeweiligen Anschluss des Eingangsports gekoppelt. Der Transformator umfasst eine Primärwicklung, die mit den ersten und zweiten Knoten gekoppelt ist, und mindestens eine Sekundärwicklung. Der beispielhafte Leistungsumrichter umfasst ferner eine Stromgleichrichterschaltung, die mit der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, und eine Ausgangsspule, die zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Ausgangsport gekoppelt ist. Jeder der ersten bis vierten Transistoren wird mehrmals zwischen abwechselnden leitenden und nichtleitenden Zuständen umgeschaltet, wobei die ersten und zweiten Transistoren derart geschaltet werden, dass sie sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, wobei die dritten und vierten Transistoren derart geschaltet werden, dass sie sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, wobei die zweiten und vierten Transistoren derart geschaltet werden, dass sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, und wobei die ersten und dritten Transistoren derart geschaltet werden, dass sie sich während einer Vielzahl von Zeitspannen gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden.
Eine dritte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vollbrücken-Leistungsumrichters, der eine Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitstellt. Der Leistungsumrichter umfasst einen Eingangsport, um eine Quelle umzurichtender Leistung zu empfangen, einen Ausgangsport, um eine Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitzustellen, eine Brückenschaltung und einen Transformator. Die Brückenschaltung umfasst einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, die an einem ersten Knoten in Reihe gekoppelt sind, und einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die an einem zweiten Knoten in Reihe gekoppelt sind. Die serielle Kombination der ersten und zweiten Schalter wird mit dem Eingangsport parallel gekoppelt, und die serielle Kombination der dritten und vierten Schalter wird mit dem Eingangsport parallel gekoppelt. Der Transformator umfasst eine Primärwicklung, die mit den ersten und zweiten Knoten gekoppelt ist, und mindestens eine Sekundärwicklung. Der beispielhafte Leistungsumrichter umfasst ferner eine Stromgleichrichterschaltung, die mit der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, und eine Ausgangsspule, die zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Ausgangsport gekoppelt ist. Das beispielhafte Verfahren umfasst folgende Schritte: Versetzen des ersten Schalters in einen leitenden Zustand, anschließend Versetzen des dritten Schalters in einen nichtleitenden Zustand, anschließend Versetzen des vierten Schalters in einen leitenden Zustand, anschließend Versetzen des vierten Schalters in einen nichtleitenden Zustand, anschließend Versetzen des dritten Schalters in einen leitenden Zustand, anschließend Versetzen des ersten Schalters in einen nichtleitenden Zustand, anschließend Versetzen des zweiten Schalters in einen leitenden Zustand und anschließend Versetzen des zweiten Schalters in einen nichtleitenden Zustand.
Weitere Einzelheiten bezüglich der Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in dem Abschnitt Ausführliche Beschreibung mit Bezug auf die Figuren bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Vollbrücken-Umrichters mit Gleichstromausgang gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ein beispielhaftes Zeitdiagramm für die Schaltsteuersignale und die Primärspannung und den Primärstrom für den Transformator des in 1 gezeigten Umrichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 eine beispielhafte Schaltung, die beispielhafte Schaltsteuersignale für den in 1 gezeigten Umrichter erzeugt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 und 5 jeweils beispielhafte Brückenschaltungen für den in 1 gezeigten Umrichter gemäß jeweiligen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 und 7 jeweils zusätzliche beispielhafte Umsetzungen des Transformators und der Gleichrichterschaltung für den in 1 gezeigten Umrichter gemäß jeweiligen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Techniken gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden, ausführlicher beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen ausgebildet werden und ist nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen eingeschränkt auszulegen. Diese Ausführungsformen werden vielmehr derart bereitgestellt, dass die vorliegende Offenbarung umfassend und komplett ist und dem Fachmann auf diesem Gebiet den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. Es werden die gleichen Bezugsziffern verwendet, um die gleichen Elemente in der ganzen Beschreibung zu bezeichnen. Die Elemente können unterschiedliche gegenseitige Beziehungen und verschiedene Positionen für verschiedene Ausführungsformen aufweisen.
Die hier verwendeten Begriffe dienen allein zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung und sind nicht als die Bedeutung oder den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend auszulegen. So wie sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, kann eine Einzahlform eine Mehrzahlform umfassen, es sei denn, sie gibt definitiv einen kontextabhängigen Sonderfall an. Ebenso definieren die Ausdrücke „umfassen” und/oder „umfassend”, die in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, weder die erwähnten Formen, Zahlen, Schritte, Aktionen, Arbeitsgänge, Organe, Elemente und/oder Gruppen derselben noch schließen sie das Vorhandensein oder das Hinzufügen einer oder mehrerer anderer verschiedener Formen, Zahlen, Schritte, Arbeitsgänge, Organe, Elemente und/oder Gruppen derselben oder das Hinzufügen derselben aus. Begriffe wie „erster, erste, erstes”, „zweiter, zweite, zweites” usw. werden verwendet, um diverse Bauelemente zu beschreiben. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Bauelemente durch diese Begriffe nicht definiert werden sollen. Die Begriffe werden nur verwendet, um ein Bauelement von einem anderen Bauelement zu unterscheiden. Somit kann ein erstes Bauelement, das beschrieben wird, sich auch auf ein zweites Bauelement beziehen, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Raumbezugsbegriffe, wie etwa „oben”, „unten”, „oberer, obere, oberes”, „links”, „rechts”, „oberhalb”, „unterhalb” und dergleichen, können hier der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet werden, um eine Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren abgebildet, zu beschreiben. Es versteht sich, dass die Raumbezugsbegriffe dazu gedacht sind, verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren abgebildeten Orientierung einzuschließen.
Es versteht sich ebenfalls, dass wenn ein Element, wie etwa ein elektrisches Bauelement, als an ein anderes Element „gekoppelt” oder „elektrisch gekoppelt” beschrieben wird, es mit dem anderen Element direkt gekoppelt sein kann oder ein oder mehrere Zwischenelemente in der Kopplung vorliegen können. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht „direkt gekoppelt” bezeichnet wird, liegen keine Zwischenelemente vor. Es versteht sich, dass die Ansprüche der Anmeldung geändert werden können, um beispielhafte Beziehungen anzugeben, die in der Beschreibung beschrieben oder in den Figuren gezeigt werden, wobei ihre Unterstützung durch die Originalanmeldung bereitgestellt wird. Der hier verwendete Begriff „und/oder” umfasst alle möglichen Kombinationen von einem oder mehreren der verknüpften aufgeführten Elemente.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Vollbrücken-Umrichters mit Gleichstromausgang 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Umrichter 100 umfasst einen Eingangsport 101, um eine Quelle umzurichtender Leistung (auf einer Spannung Vin) zu empfangen, einen Ausgangsport 102, um eine Gleichstrom-Ausgangsleistung auf einer Spannung Vout bereitzustellen, eine Brückenschaltung 110, welche die Eingangsleistung ab einen Transformator T1 anlegt, eine Gleichrichterschaltung 120, die mit der Sekundärseite des Transformators T1 gekoppelt ist, eine Ausgangsspule Lout, die zwischen der Gleichrichterschaltung 120 und dem Ausgangsport 102 gekoppelt ist, und einen Ausgangskondensator Cout, der mit dem Ausgangsport 102 parallel gekoppelt ist. Der Transformator T1 weist eine Primärwicklung, eine erste Sekundärwicklung (obere Sekundärwicklung), eine zweite Sekundärwicklung (untere Sekundärwicklung) und eine parasitäre Streuinduktivität L_LK, die sich naturgemäß aus der Wicklungskonstruktion des Transformators ergibt, auf. Die Gleichrichterschaltung 120 weist eine erste Diode D1, die zwischen der oberen Sekundärwicklung und der Ausgangsspule Lout gekoppelt ist, und zweite Diode D2, die zwischen der unteren Sekundärwicklung und der Ausgangsspule Lout gekoppelt ist, auf. An einem Anschluss jeder Transformatorwicklung wurde eine Darstellung durch einen großen Punkt verwendet, um die Orientierung der Wicklung im Verhältnis zu anderen Wicklungen zu zeigen. Jeder Wicklung kann eine Spannungsbezeichnung zugewiesen werden, wie etwa Vpr für die Primärwicklung. Ohne an Allgemeinheit zu verlieren wird die positive Seite der Spannungsbezeichnung der Wicklung dem Anschluss mit dem großen Punkt zugewiesen. Wenn eine Spannung an die Primärwicklung des Transformators angelegt wird, wird eine Spannung an jeder der Sekundärwicklungen in Verbindung mit dem Windungsverhältnis 1:N des Transformators erzeugt. In den hier gezeigten schematischen Diagrammen stellen Drähte, die sich kreuzen, keinen elektrischen Kontakt miteinander her, es sei denn, ein kleiner Punkt wird an ihrer Kreuzung gezeigt.
Die Brückenschaltung 110 umfasst einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2, die an einem ersten Knoten N1 in Reihe gekoppelt sind, und einen dritten Schalter S3 und einen vierten Schalter S4, die an einem zweiten Knoten N2 in Reihe gekoppelt sind. Jeder Schalter S1 bis S4 umfasst eine Halbleiter-Schaltvorrichtung (wie etwa einen MOSFET, BJT, IGBT, usw.), die eine parasitäre Kapazität aufweist, die zu den Leitungsanschlüsse (z. B. Source und Drain bei einem MOSFET, Emitter und Kollektor bei einem BJT und IGBT) des Schalters parallel angeordnet ist, und kann eine parasitäre Leitungsdiode aufweisen, die ähnlich angeordnet ist. Wenn die parasitäre Leitungsdiode in der Halbleitervorrichtung für den Schalter nicht vorliegt, kann eine Diode oder ein Gleichrichter mit den Leitungsanschlüssen der Halbleitervorrichtung parallel gekoppelt werden. Jede Halbleitervorrichtung weist auch einen Modulationsanschluss (z. B. ein Gate, eine Basis, usw.) auf, an den ein Steuersignal angelegt wird, um den Stromfluss zwischen den Leitungsanschlüssen der Vorrichtung zu steuern. Die Modulationsanschlüsse werden in 1 schematisch durch die Pfeilsymbole neben den Schaltern gezeigt. Die serielle Kombination der Schalter S1 und S2 ist mit dem Eingangsport 101 parallel gekoppelt, und die serielle Kombination der Schalter S3 und S4 ist mit dem Eingangsport 101 parallel gekoppelt. Jeder der Knoten N1 und N2 ist mit einem Anschluss der Primärwicklung des Transformators T1 elektrisch gekoppelt. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann einer der Knoten, wie etwa der Knoten N2, mit der Primärwicklung über eine Resonanzspule L_R gekoppelt sein, um den Bereich der Nullspannungsschaltung für den Umrichter 100 zu vergrößern. Wenn die Resonanzspule L_R verwendet wird, können Dioden D3 und D4 hinzugefügt werden, um die positiven und negativen Spannungsexkursionen am Anschluss der Spule, die mit dem Transformator T1 gekoppelt ist, einzuschränken (die Anode von D3 ist mit L_R gekoppelt, die Kathode von D3 ist mit der positiven Seite des Eingangsports 101 gekoppelt, die Anode von D4 ist mit der negativen Seite des Eingangsports 101 gekoppelt und die Kathode von D4 ist mit L_R gekoppelt). Wenn die Resonanzspule L_R nicht verwendet wird, kann ein direkter Anschluss 105 (gestrichelt gezeigt) verwendet werden.
Die Resonanzspule L_R kann mit einem der Knoten N1 oder N2 gekoppelt werden; 1 bildet die Spule ab, wie sie mit dem Knoten N2 gekoppelt ist. Ebenso kann die Position der Kombination der Schalter S1 und S2 mit der Position der Kombination der Schalter S3 und S4 ausgetauscht werden. Entsprechend versteht es sich, dass die Angaben des ersten Schalters, des zweiten Schalters, des dritten Schalters, des vierten Schalters, des ersten Transistors, des zweiten Transistors, des dritten Transistors und des vierten Transistors in den Ansprüchen und in dem Abschnitt Kurzdarstellung der Erfindung alle diese Konfigurationen einschließen. D. h. dass die Schaltvorgänge des ersten Schalters und des ersten Transistors (z. B. die Steuersignale für dieselben), die in den Ansprüchen und in der Kurzdarstellung angegeben werden, auf den Schalter S1 oder den Schalter S3 anwendbar sind, die Schaltvorgänge des zweiten Schalters und des zweiten Transistors (z. B. die Steuersignale für dieselben), die in den Ansprüchen und in der Kurzdarstellung angegeben werden, auf den Schalter S2 oder den Schalter S4 anwendbar sind, die Schaltvorgänge des dritten Schalters und des dritten Transistors (z. B. die Steuersignale für dieselben), die in den Ansprüchen und in der Kurzdarstellung angegeben werden, auf den Schalter S3 oder den Schalter S1 anwendbar sind, und die Schaltvorgänge des vierten Schalters und des vierten Transistors (z. B. die Steuersignale für dieselben), die in den Ansprüchen und in der Kurzdarstellung angegeben werden, auf den Schalter S4 oder den Schalter S2 anwendbar sind.
Wenn sie sich in einem leitenden Zustand befindet, kann die Halbleitervorrichtung eines Schalters S1 bis S4 einen Spannungsabfall von 0,15 V oder weniger an ihren Leitungsanschlüsse aufweisen. Diese Spannung wird auf die Leitungsanschlüsse des Schalters übertragen. Soweit vorhanden, weist die parasitäre Leitungsdiode eines Schalters S1 bis S4 einen Spannungsabfall von ungefähr 0,6 V bis 0,8 V auf, wenn sie leitend ist; und ein Gleichrichter, der zu einem Schalter S1 bis S4 hinzugefügt wird, kann einen Spannungsabfall von nur ungefähr 0,3 V aufweisen, wenn er leitend ist. Wenn die Halbleitervorrichtung eines Schalters leitend ist, ist die parasitäre Diode oder der hinzugefügte Gleichrichter nichtleitend oder nur eine unbedeutende Menge des durch den Schalter fließenden Stroms (z. B. weniger als 1%) leitend. Typischerweise ist die Halbleitervorrichtung eines Schalters dazu gedacht, den Stromfluss in eine bestimmte Richtung für den Schalter zu steuern (wie etwa in der Richtung, die dem Transformator T1 Leistung bereitstellt). Die parasitäre Diode, oder der hinzugefügte Gleichrichter, ist orientiert, um in der entgegengesetzten Richtung zu leiten, um Stromfluss zuzulassen, wenn sie bzw. er in Durchlassrichtung vorgespannt ist, und um die Spannung an der Halbleitervorrichtung einzuschränken, wenn die Halbleitervorrichtung nichtleitend ist, und somit als Sicherheitsmechanismus zu dienen. Wenn sie durch das Steuersignal an ihrem Modulationsanschluss in einen leitenden Zustand versetzt wird, kann der Stromfluss durch die Halbleitervorrichtung typischerweise in beide Richtungen fließen (bidirektionale Leitung). Im Gegensatz dazu ist sowohl die parasitäre Diode als auch der hinzugefügte Gleichrichter in nur einer Richtung leitend (unidirektionale Leitung). Um die vorliegende Beschreibung zu vereinfachen, wenn ein Schalter S1 bis S4 als geschlossen, leitend oder sich in einem leitenden Zustand befindend bezeichnet wird, bedeutet dies, dass die Halbleitervorrichtung des Schalters sich in einem leitenden Zustand befindet; und wenn ein Schalter S1 bis S4 als geöffnet, nichtleitend oder sich in einem nichtleitenden Zustand befindend bezeichnet wird, bedeutet dies, dass die Halbleitervorrichtung des Schalters sich in einem nichtleitenden Zustand befindet und die parasitäre Diode (soweit vorhanden) oder die hinzugefügte Diode/der hinzugefügte Gleichrichter (soweit vorhanden) Strom leiten kann, wenn die Spannung, die an den Leitungsanschlüssen des Schalters vorliegt, eine derartige Leitung ermöglicht.
Die Schalter S2 und S3 können gleichzeitig geschlossen (in leitende Zustände versetzt) sein, um das Anlegen von Leistung und einer positiven Spannung an die Primärwicklung des Transformators T1 zu verursachen, und um Strom in den gepunkteten Anschluss der Primärwicklung fließen zu lassen (ein positiver Wert von Ipr). Dies lässt Strom aus dem gepunkteten Anschluss der oberen Sekundärwicklung des Transformators und durch die Diode D1 zu der Ausgangsspule Lout fließen. Der Strom wird an den Ausgangskondensator Cout und die Last am Ausgangsport 102 gesendet und kehrt zu dem nicht gepunkteten Anschluss der oberen Sekundärwicklung zurück. Andererseits können die Schalter S1 und S4 gleichzeitig geschlossen (in leitende Zustände versetzt) sein, um eine negative Spannung an die Primärwicklung anzulegen und Strom aus dem gepunkteten Anschluss der Primärwicklung fließen zu lassen (ein negativer Wert von Ipr). Dies lässt Strom aus dem nicht gepunkteten Anschluss der unteren Sekundärwicklung des Transformators und durch die Diode D2 zu der Ausgangsspule Lout fließen. Der Strom wird an den Ausgangskondensator Cout und die Last am Ausgangsport 102 gesendet und kehrt zu dem gepunkteten Anschluss der unteren Sekundärwicklung zurück. Somit stellt das Anlegen entweder einer positiven Spannung oder einer negativen Spannung an die Primärwicklung des Transformators Leistung für den Ausgangsport 102 bereit.
Die Spannung am Ausgangsport 102 kann reguliert werden, indem die Leistungsmenge gesteuert wird, die von der Ausgangsspule Lout bereitgestellt wird, die wiederum durch das Steuern der Zeitspanne gesteuert werden kann, während der die Schalterpaare (S2/S3 und S1/S4) leitend sind. Wenn keine Leistung für die Spule Lout bereitgestellt wird, werden die beiden Schalter S1 und S3 in leitende Zustände versetzt, um eine Spannung von nahezu Null Volt an den Transformatorwicklungen bereitzustellen, so dass die Spule Lout über einen Freilauf-Strompfad durch eine oder zwei der Dioden D1 und D2 verfügen kann. Diese Bedingung der Nullspannungsnähe kann auch dadurch bereitgestellt werden, dass die beiden Schalter S2 und S4 in leitende Zustände versetzt werden. Der freilaufende Strom der Spule Lout wird in die Primärwicklung zurückreflektiert und lässt den Strom und die Energie, die in der Streuinduktivität L_LK des Transformators und soweit vorhanden auch in der Resonanzspule L_R gespeichert sind, weiter fließen. Jeder Schalter des Schalterpaars, das verwendet wird, um die Null Volt an der Primärwicklung zum Freilaufen bereitzustellen (d. h. entweder S1 und S3 oder S2 und S4), ermöglicht es dem Strom, in einer der beiden Richtungen durch seine Leitungsanschlüsse zu fließen, wenn der Schalter in einen leitenden Zustand versetzt wird. Dies ist von der mit dem Schalter verknüpften Körperdiode zu unterscheiden, die einen Stromfluss in nur einer Richtung durch ihre Leitungsanschlüsse ermöglicht. Somit sind die leitenden Zustände für diese Transistoren bidirektionale leitende Zustände.
Eine beispielhafte Schaltsequenz wird nachstehend mit Bezug auf das Zeitdiagramm bereitgestellt, das in 2 gezeigt wird, die ein Zeitdiagramm der Steuersignale an die Modulationsanschlüsse der Schalter S1 bis S4, der Spannung Vpr an der Primärwicklung des Transformators und des Stroms Ipr, der durch die Primärwicklung des Transformators fließt, zeigt. In dem Zeitdiagramm werden acht Zeitpunkte t0 bis t8 gezeigt. Ein kompletter Schaltzyklus erfolgt zwischen den Zeitpunkten t0 und t8. Genau vor dem Zeitpunkt t0 befindet sich das Steuersignal für den Schalter S1 in einem eingeschalteten Zustand (ON), während die Steuersignale für die Schalter S2 bis S4 sich in ausgeschalteten Zuständen (OFF) befinden. Zu dem Zeitpunkt t0 wird der Schalter S4 eingeschaltet und die beiden Schalter S1 und S4 verursachen das Anlegen von Leistung und einer Spannung mit negativer Polarität an die Primärwicklung über L_LK und L_R (soweit vorhanden), wodurch veranlasst wird, dass die Leistung an die Spule Lout über die Diode D2 übertragen wird. Unterdessen wird die Energie in der Induktivität L_LK und der Spule L_R (soweit vorhanden) gespeichert.
Der Schalter S4 kann dann zum Zeitpunkt t1 ausgeschaltet werden, und kurze Zeit später kann der Schalter S4 dann zum Zeitpunkt t2 eingeschaltet werden. Während dieser kurzen Zeitspanne fließt der Strom Iout durch die Spule Lout durch die untere Sekundärwicklung und wird auf die Primärwicklung als ein Strom reflektiert, der von dem Schalter S1 in die Kapazitäten fließt, die mit dem Knoten N2 gekoppelt sind, wodurch die Spannung des Knotens N2 von Null auf den Eingangsspannungspegel angehoben wird, da der Schalter S4 ausgeschaltet ist. Somit kann der Schalter S3 unter Nullspannungsbedingungen (d. h. Nullspannungsschaltung) oder nahezu Nullspannungsbedingungen eingeschaltet werden. Die Energie in der Induktivität L_LK und der Spule L_R (soweit vorhanden) trägt zu diesem Übergang bei. Dieser Spannungsübergang ist relativ schnell und energiegeladen aufgrund des Vorhandenseins des reflektierten Stroms Iout aus der Spule Lout.
Wenn die Schalter S1 und S3 sich zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 in leitenden Zuständen befinden, kann die Spule Lout freilaufen, um eine gewünschte Steuerung der Ausgangsspannung Vout zu erreichen. Der Strom für die Spule Lout fließt durch die beiden Sekundärwicklungen, jedoch hauptsächlich in die Diode D2, aufgrund der Transformatorwirkung. Die Energie in jeder der Induktivität L_LK, der Spule L_R (soweit vorhanden) und der Ausgangsspule Lout nimmt während dieser Zeitspanne ab. Vollbrücken-Umrichter nach dem Stand der Technik würden den Schalter S3 während dieses Zeitraums nicht in einem leitenden Zustand (ON-Zustand) lassen, und wären stattdessen darauf angewiesen, dass die parasitäre Diode des Schalters S3 den Stromfluss führt. Im Rahmen der Erstellung seiner Erfindung hat der Erfinder jedoch erkannt, dass eine derartige Konfiguration zu Leitungsverlusten in der Körperdiode führt, die für leichte Betriebszyklusbedingungen bedeutend sein können. Sie führt auch zu einem schnelleren Energieverlust in jeder der Induktivität L_LK, der Spule L_R (soweit vorhanden) und der Ausgangsspule Lout, was die Möglichkeit verringert, eine Nullspannungsschaltung in dem nächsten Zeitsegment zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 zu erreichen. Wenn man den Fall eines reflektierten freilaufenden Stroms von 5 A, eines Spannungsabfalls von 0,7 V in Durchlassrichtung für die Körperdiode von Schalter S4 und einen ON-Widerstand von 70 mΩ für jeden der Schalter S1 und S3 nimmt, beträgt die Verlustleistung in den Schaltern S1 und S3 während dieses Zeitsegments ungefähr 3,5 Watt, wohingegen ein Vollbrücken-Umrichter nach dem Stand der Technik ungefähr 5,25 Watt verlieren würde. Entsprechend reduziert die Erfindung diese Leitungsverluste um ungefähr 33% während dieses Zeitsegments.
Als nächstes kann der Schalter S1 dann zum Zeitpunkt t3 ausgeschaltet werden, und kurze Zeit später kann der Schalter S2 dann zum Zeitpunkt t4 eingeschaltet werden. Während dieser zweiten kurzen Zeitspanne fließt der Strom, der von der Energie unterstützt wird, die in der Streuinduktivität L_LK des Transformators, und optional in der Resonanzspule L_R, gespeichert wird, nun aus den Kapazitäten, die mit dem Knoten N1 gekoppelt sind, und in den Schalter S3 (der immer noch eingeschaltet ist), wodurch die Spannung des Knotens N1 von dem Eingangsspannungspegel auf nahezu Null Volt gesenkt wird (da der Schalter S1 ausgeschaltet ist). Somit kann der Schalter S2 unter Nullspannungsbedingungen (d. h. Nullspannungsschaltung) oder nahezu Nullspannungsbedingungen zum Zeitpunkt t4 eingeschaltet werden. Im Gegensatz zu dem vorherigen Spannungsübergang zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird relativ wenig oder gar kein Strom von der Spule Lout in die Primärwicklung während dieses Übergangs reflektiert, und dieser Spannungsübergang ist nicht so schnell oder energiegeladen wie der vorherige Spannungsübergang. Dieser Spannungsübergang basiert hauptsächlich auf der Resonanzübertragung von Energie von der Streuinduktivität L_LK und der Resonanzspule L_R (soweit vorhanden) auf die mit dem Knoten N1 gekoppelten Kapazitäten.
Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5, wenn die beiden Schalter S2 und S3 eingeschaltet sind, wird Spannung mit einer positiven Polarität und Leistung an die Primärwicklung über L_LK und L_R (soweit vorhanden) angelegt, und die Leistung wird über die Diode D1 auf die Spule Lout übertragen. Unterdessen wird die Energie in der Induktivität L_LK und der Spule L_R (soweit vorhanden) gespeichert.
Der Schalter S2 kann dann zum Zeitpunkt t5 ausgeschaltet werden, und kurze Zeit später kann der Schalter S1 zum Zeitpunkt t6 eingeschaltet werden. Während dieser kurzen Dauer fließt der Strom Iout durch die Spule Lout durch die obere Sekundärwicklung und wird auf die Primärwicklung als ein Strom reflektiert, der von dem Schalter S3 in die Kapazitäten fließt, die mit dem Knoten N1 gekoppelt sind, wodurch die Spannung von Knoten N1 von Null auf den Eingangsspannungspegel angehoben wird, da der Schalter S2 ausgeschaltet ist. Somit kann der Schalter S1 unter Nullspannungsbedingungen (d. h. Nullspannungsschaltung) oder nahezu Nullspannungsbedingungen eingeschaltet werden. Die Energie in der Induktivität L_LK und der Spule L_R (soweit vorhanden) trägt zu diesem Übergang bei. Dieser Spannungsübergang ist relativ schnell und energiegeladen aufgrund des Vorhandenseins des reflektierten Stroms aus der Spule Lout.
Wenn die Schalter S1 und S3 sich zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 in leitenden Zuständen befinden, kann die Spule Lout freilaufen, um eine gewünschte Steuerung der Ausgangsspannung Vout zu erreichen. Der Strom für die Spule Lout fließt durch die beiden Sekundärwicklungen, jedoch hauptsächlich durch die Diode D2, aufgrund der Transformatorwirkung. Die Energie in jeder der Induktivität L_LK, der Spule L_R (soweit vorhanden) und der Ausgangsspule Lout nimmt während dieser Zeitspanne ab. Vollbrücken- Umrichter nach dem Stand der Technik würden den Schalter S1 während dieses Zeitraums nicht in einem leitenden Zustand (ON-Zustand) lassen, und wären stattdessen darauf angewiesen, dass die parasitäre Diode des Schalters S1 den Stromfluss führt. Im Rahmen der Erstellung seiner Erfindung hat der Erfinder jedoch erkannt, dass eine derartige Konfiguration zu Leitungsverlusten in der Körperdiode führt, die für leichte Betriebszyklusbedingungen bedeutend sein können. Sie führt auch zu einem schnelleren Energieverlust in jeder der Induktivität L_LK, der Spule L_R (soweit vorhanden) und der Ausgangsspule Lout, was die Möglichkeit verringert, eine Nullspannungsschaltung in dem nächsten Zeitsegment zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 zu erreichen. Wenn man den Fall eines reflektierten freilaufenden Stroms von 5 A, eines Spannungsabfalls von 0,7 V in Durchlassrichtung für die Körperdiode von Schalter S1 und einen ON-Widerstand von 70 mΩ für jeden der Schalter S1 und S3 nimmt, beträgt der Leistungsverlust in den Schaltern S1 und S3 während dieses Zeitsegments ungefähr 3,5 Watt, wohingegen ein Vollbrücken-Umrichter nach dem Stand der Technik ungefähr 5,25 Watt verlieren würde. Entsprechend reduziert die Erfindung diese Leitungsverluste um ungefähr 33% während dieses Zeitsegments.
Als nächstes kann der Schalter S3 dann zum Zeitpunkt t7 ausgeschaltet werden, und kurze Zeit später kann der Schalter S4 dann zum Zeitpunkt t8 eingeschaltet werden. Während dieser zweiten kurzen Zeitspanne fließt der Strom, der von der Energie unterstützt wird, die in der Streuinduktivität L_LK des Transformators und optional in der Resonanzspule L_R, gespeichert wird, nun aus den Kapazitäten, die mit dem Knoten N2 gekoppelt sind, und in den Schalter S1 (der immer noch eingeschaltet ist), wodurch die Spannung des Knotens N2 von dem Eingangsspannungspegel auf nahezu Null Volt gesenkt wird (da der Schalter S3 ausgeschaltet ist). Somit kann der Schalter S4 unter Nullspannungsbedingungen (d. h. Nullspannungsschaltung) oder nahezu Nullspannungsbedingungen zum Zeitpunkt t8 eingeschaltet werden. Im Gegensatz zu dem vorherigen Spannungsübergang zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 wird während dieses Übergangs relativ wenig oder gar nichts von dem Strom von der Spule Lout auf die Primärwicklung reflektiert, und dieser Spannungsübergang ist nicht so schnell oder energiegeladen wie der vorherige Spannungsübergang. Dieser Spannungsübergang basiert hauptsächlich auf der Resonanzübertragung von Energie aus der Streuinduktivität L_LK und der Resonanzspule L_R (soweit vorhanden) auf die Kapazitäten, die mit dem Knoten N2 gekoppelt sind. Der Zeitpunkt t8 entspricht dem Zeitpunkt t0 und beendet den Schaltzyklus.
Bei dem obigen Beispiel versteht es sich, dass jede Seite der Brückenschaltung 110 als asymmetrische Halbbrückentopologie betrieben wird, wobei eine Seite die Schalter S1 und S2 und die andere Seite die Schalter S3 und S4 umfasst. In jeder Halbbrücke wird ein Schalter (S2 oder S4) in einem Betriebszyklus D betrieben, der zwischen 0 und 0,5 (50%) liegt, und der andere Schalter (S1 oder S3) befindet sich in einem Betriebszyklus von (1-D-Δ), wobei Δ die Pausenzeit von zwei Spannungsübergängen ist (z. B. t1–t2 und t7–t8). Der Wert von (1-D-Δ) ist immer größer als 0,5 (50%) und kann bis 1,00 (100%) reichen. Der Betrieb der Schalter in einer Halbbrücke ist im Verhältnis zum Betrieb der entsprechenden Schaltung der anderen Halbbrücke um 180 Grad phasenverschoben. Das heißt, dass die Wellenform des Steuersignals für den Schalter S2 im Verhältnis zu derjenigen des Steuersignals für den Schalter S4 um 180 Grad phasenverschoben oder um einen Zeitraum von 0,5·(t8 – t0) verzögert ist. Ähnlich ist die Wellenform des Steuersignals für den Schalter S1 im Verhältnis zu derjenigen des Steuersignals für den Schalter S3 um 180 Grad phasenverschoben oder um einen Zeitraum von 0,5·(t8 – t0) verzögert. Eine beispielhafte Schaltung zum Erzeugen der Steuersignale für die Schalter S1 bis S4 wird nachstehend bereitgestellt. Es versteht sich, dass eine Flanke eines Schaltsteuersignals von einem Taktsignal oder dergleichen gesetzt werden kann, während eine andere Flanke gegebenenfalls nach D oder (1-D-Δ) moduliert werden kann. Bei einer typischen Umsetzung können die Vorderflanken des Steuersignals von einem Taktsignal gesetzt werden und die fallenden Flanken können von einer Modulationsschaltung moduliert werden, um den Betriebszykluswert D je nach Bedarf zu ändern, um die Ausgangsspannung auf einen gewünschten Wert zu regulieren.
Es versteht sich ebenfalls, dass die obige Konfiguration die Energie aktiviert, die in der Streuinduktivität L_LK der Primärwicklung des Transformators und der Resonanzspule L_R (soweit vorhanden) der Primärwicklung gespeichert wird, um die „offene” Mittelpunktspannung der Primärwicklung auf eine positive Eingangsspannung hochzusetzen (+Vin in 2) oder auf den negativen Wert der Eingangsspannung (–Vin) herunterzusetzen und um eine Einschaltung der Brückenschalter bei Nullspannung zu ermöglichen.
Es versteht sich ebenfalls, dass die Schalter S1 und S3 (die oberen Brückenschalter) während eines Großteils des Schaltzyklus gleichzeitig eingeschaltet sind, und zwar für eine Dauer die bei ungefähr (1-2D-2Δ) liegt. Diese Zeit entspricht den Zeitspannen t2 bis t3 und t6 bis t7, die Zeitspannen sind, bei denen die Ausgangsspule Lout freiläuft. Im Vergleich dazu sind die oberen Brückenschalter eines Gleichstrom-Ausgangsumrichters mit Vollbrücke nach dem Stand der Technik konfiguriert, um sich in einem nicht überlappenden Leitungszustand zu befinden und sich bei einem Betriebszyklus von nahezu 0,5 (50%) zu befinden. Somit ist ein Gleichstrom-Ausgangsumrichter mit Vollbrücke nach dem Stand der Technik auf die Körperdioden der oberen Brückenschalter angewiesen, um den reflektierten Laststrom Iout und den Strom der Streuinduktivität des Transformators zu leiten. Im Rahmen der Erstellung seiner Erfindung hat der Erfinder erkannt, dass das Leiten dieser Ströme durch die Körperdioden einen bedeutenden Leistungsverlust erzeugt, insbesondere bei niedrigen Betriebszykluswerten, bei denen die Freilaufzeitspannen einen bedeutenden Anteil des Schaltzyklus einnehmen. Diese Verluste werden von der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erheblich reduziert, wobei die beiden Schalter S1 und S3 sich während eines bedeutenden Teils (z. B. typischerweise mehr als 90%) der Freilaufzeitspannen der Spule Lout in leitenden Zuständen befinden.
Obwohl diese beispielhafte Ausführungsform mit den unteren Schaltern S2 und S4, die einen Betriebszyklus D aufweisen, und den oberen Schaltern S1 und S3, die einen Betriebszyklus (1-D-Δ) aufweisen, abgebildet wurde, versteht es sich, dass die umgekehrte Anordnung verwendet werden kann (wobei z. B. die unteren Schalter S1 und S3 einen Betriebszyklus (1-D-Δ) und die oberen Schalter S2 und S4 einen Betriebszyklus D aufweisen. Entsprechend versteht es sich, dass die Angaben der Schaltvorgänge des ersten Schalters, des zweiten Schalters, des dritten Schalters, des vierten Schalters, des ersten Transistors, des zweiten Transistors, des dritten Transistors und des vierten Transistors in den Ansprüchen und in dem Abschnitt Kurzdarstellung der Erfindung alle diese Konfigurationen einschließen. D. h. dass die Schaltvorgänge des ersten Schalters und des ersten Transistors (z. B. die Steuersignale für dieselben), die in den Ansprüchen und in der Kurzdarstellung angegeben werden, auf den Schalter S1 oder den Schalter S2 anwendbar sind, die Schaltvorgänge des zweiten Schalters und des zweiten Transistors (z. B. die Steuersignale für dieselben), die in den Ansprüchen und in der Kurzdarstellung angegeben werden, auf den Schalter S2 oder den Schalter S1 anwendbar sind, die Schaltvorgänge des dritten Schalters und des dritten Transistors (z. B. die Steuersignale für dieselben), die in den Ansprüchen und in der Kurzdarstellung angegeben werden, auf den Schalter S3 oder den Schalter S4 anwendbar sind, und die Schaltvorgänge des vierten Schalters und des vierten Transistors (z. B. die Steuersignale für dieselben), die in den Ansprüchen und in der Kurzdarstellung angegeben werden, auf den Schalter S4 oder den Schalter S3 anwendbar sind. Im Allgemeinen können die Schaltvorgänge der Schalter S1 bis S4 (z. B. die Steuersignale für dieselben) der Brückenschaltung 100 von oben nach unten für die beiden oberen/unteren Schalterpaare (wobei ein Paar S1 und S2 ist und das andere Paar S3 und S4 ist) und von links nach rechts für die beiden rechten/linken Schalterpaare (wobei ein Paar S1 und S3 ist und das andere Paar S2 und S4 ist) ausgetauscht werden. Eine Kombination dieser Austauschmöglichkeiten ist ebenfalls möglich (wobei die Kombination einer Drehung um 180 Grad oder einem doppelten Diagonalaustausch, S1 mit S4 und S2 mit S3, entspricht). Ein einfacher Diagonalaustausch der Schaltvorgänge (z. B. der Steuersignale), wie etwa die für S1 mit denen für S4 oder die für S2 mit denen für S3, ist jedoch nicht erlaubt.
Angesichts der obigen Beschreibung versteht es sich, dass ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines Umrichters 100 folgende Schritte umfassen kann: Versetzen des Schalters S1 in einen leitenden Zustand, anschließend Versetzen des Schalters S3 in einen nichtleitenden Zustand, anschließend Versetzen des Schalters 54 in einen leitenden Zustand, anschließend Versetzen des Schalters S4 in einen nichtleitenden Zustand, anschließend Versetzen des Schalters S3 in einen leitenden Zustand, anschließend Versetzen des Schalters S1 in einen nichtleitenden Zustand, anschließend Versetzen des Schalters S2 in einen leitenden Zustand und anschließend Versetzen des Schalters S2 in einen nichtleitenden Zustand.
3 zeigt eine beispielhafte Schaltung 200, die verwendet werden kann, um beispielhafte Steuersignale für die Schalter S1 bis S4 des oben beschriebenen Umrichters 100 zu erzeugen. Die Schaltung 200 umfasst ein Teilernetzwerk, das die Ausgangsspannung abtastet, eine Referenz und einen Fehlerverstärker, der die abgetastete Ausgangsspannung und die Referenz vergleicht, und ein Rückkopplungsnetzwerk, das ein Fehlersignal erzeugt. Das Fehlersignal stellt eine Darstellung von dem bereit, was der Schaltbetriebszyklus D sein sollte, um die Ausgangsspannung Vout auf einen gewünschten Wert zu regulieren. Die Schaltung 200 umfasst ferner einen Oszillator, einen Pulsbreitenmodulator, ein Latch und ein logisches Gatter (z. B. ein OR-Gatter), die konfiguriert sind, um eine Ausgabe an dem logischen Gatter zu erzeugen (das Signal ganz rechts in 3A), die eine Reihe von Impulsen umfasst, wobei jeder Impuls eine Breite aufweist, die mit Bezug auf den gewünschten Wert (1-D) variiert. Der Pulsbreitenmodulator kann ein Auslösesignal von dem Oszillator empfangen oder die Ausgabe des logischen Gatters, wobei das Auslösesignal den vorherigen Modulationszyklus beendet und einen neuen Modulationszyklus beginnt. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel gibt der Pulsbreitenmodulator das Betriebszyklussignal in umgekehrter Form aus, mit einer Niederspannung für die Betriebszyklusdauer „D” während des Anfangsteils des Modulationszyklus und einem Hochspannungsimpuls für die Dauer von 1-D während des letzten Teils des Modulationszyklus. (Die folgenden Schaltungen, wie sie nachstehend beschrieben werden, kehren das Modulationssignal um, ehe sie es an einige der Schalter vermitteln.) Die Pulsbreitenmodulation stellt jedoch ihr Ausgangsmodulationssignal in nicht umgekehrter Form bereit. In beiden Fällen werden zwei Modulationszyklen (z. B. zwei Hochspannungsimpulse) für jeden Schaltzyklus des Umrichters 100 erzeugt. Es liegt im Bereich der Fähigkeiten des Fachmanns auf dem Gebiet der Schaltstromversorgung, die zuvor erwähnten Bauelemente anzuordnen, damit sie ein Impulsmodulationssignal bereitstellen, oder eine andere Anordnung von Bauelementen zu konstruieren, um das Impulssignal bereitzustellen. Mit Bezug auf 3B wird das Impulsmodulationssignal für eine logische Schaltung (z. B. einem T-Flipflop, 2 OR-Gattern oder 2 NOR-Gattern) bereitgestellt, die zwei Gruppen von anfänglichen Steuersignalen für die beiden Halbbrücken erzeugt. Jede Gruppe von anfänglichen Steuersignalen weist ein Signal mit einer Pulsbreite D und eine Signal mit einer Pulsbreite (1-D) auf. Die beiden Gruppen anfänglicher Steuersignale sind im Verhältnis zueinander um 180 Grad (z. B. um die Hälfte eines Schaltzyklus) phasenverschoben. Die anfänglichen Signale werden kann jeweiligen Verzögerungselementen bereitgestellt, welche die Vorderflanken der Signale um anpassbare Größen verzögern, welche die endgültigen Steuersignale erzeugen. Die anpassbare Verzögerung der Verzögerungselemente für die „D”-Signale können in der Figur mit δ1 bezeichnet werden, und die anpassbare Verzögerung der Verzögerungselemente für die „1-D”-Signale können in der Figur mit δ2 bezeichnet werden. Die Summe von δ1 und δ2 ist Δ (in 2 gezeigt). δ1 und δ2 haben gleiche oder verschiedene Werte. Die Verzögerungselemente stellen die zuvor beschriebenen kurzen Dauern t1–t2, t3–t4, t5–t6 und t7–t8 für die Nullspannungsschaltung bereit. Es liegt im Bereich der Fähigkeiten des Fachmanns auf dem Gebiet der Schaltstromversorgung, die zuvor erwähnten Bauelemente zu konstruieren und anzuordnen, damit sie die anfänglichen und endgültigen Steuersignale bereitstellen, oder eine andere Anordnung von Bauelementen zu konstruieren, um diese Signale bereitzustellen.
4 zeigt eine Ausführungsform 110' der Brückenschaltung 110, bei der die Schalter S1 bis S4 durch Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) umgesetzt werden. 5 zeigt eine Ausführungsform 110'' der Brückenschaltung 110, bei der die Schalter S1 bis S4 durch Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFET) umgesetzt werden. (Kapazität und Körperdioden, entweder parasitäre oder diskrete Vorrichtungen, sind der Übersichtlichkeit halber enthalten.) Noch einmal mit Bezug auf 1 versteht es sich, dass, obwohl der Transformator T1 mit zwei Sekundärwicklungen umgesetzt wurde, die mit der Gleichrichterschaltung 120 gekoppelt sind, der Transformator T1 mit einer Sekundärwicklung als geänderter Transformator T1 umgesetzt werden kann, der mit einer Gleichrichterschaltung 120' gekoppelt ist, die eine Ganzwellenbrücke aufweist, wie in 6 gezeigt. Als andere Umsetzung kann der geänderte Transformator T1' mit einer Gleichrichterschaltung 120'' gekoppelt werden, die zwei Dioden aufweist, und die Gleichrichterschaltung 120'' kann mit zwei Ausgangsspulen Lout1 und Lout2 gekoppelt sein, wie in 7 gezeigt. Obwohl jede der Gleichrichterschaltungen 120, 120' und 120'' erläutert wurde, wie sie Dioden als Gleichrichterbauelemente verwenden, versteht es sich, dass synchrone Gleichrichter (z. B. synchron geschaltete Transistoren) oder Kombinationen von synchronen Gleichrichtern und Dioden anstelle der in den Figuren gezeigten Dioden D1, D2 und DB verwendet werden können. Entsprechend versteht es sich, dass der Begriff „Stromgleichrichterschaltung” Umsetzungen einschließt, die Dioden, synchrone Gleichrichter, andere Stromgleichrichtervorrichtungen oder Kombinationen davon verwenden.
Jegliche Erwähnung von „einer, eine, eines” und „der, die, das” ist dazu gedacht, ein oder mehrere zu bedeuten, falls nicht spezifisch anders angegeben.
Die Begriffe und Ausdrücke, die hier verwendet wurden, werden als Begriffe zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung verwendet, und bei der Verwendung derartiger Begriffe und Ausdrücke ist es nicht beabsichtigt, Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale auszuschließen, wobei anerkannt wird, dass diverse Änderungen im Umfang der, beanspruchten Erfindung möglich sind.
Zudem können ein oder mehrere Merkmale einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindungen mit einem oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Obwohl die vorliegenden Erfindungen insbesondere mit Bezug auf die abgebildeten Ausführungsformen beschrieben wurden, versteht es sich, dass diverse Änderungen, Modifikationen, Anpassungen und gleichwertige Anordnungen basierend auf der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, und dazu gedacht sind, in den Umfang der Erfindung und der beiliegenden Ansprüche zu fallen.

Claims

Vollbrücken-Leistungsumrichter, der Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitstellt, wobei der Leistungsumrichter folgendes umfasst: einen Eingangsport, um eine Quelle umzurichtender Leistung zu empfangen; einen Ausgangsport, um eine Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitzustellen; eine Brückenschaltung, die einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, die an einem ersten Knoten in Reihe gekoppelt sind, und einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die an einem zweiten Knoten in Reihe gekoppelt sind, aufweist, wobei die serielle Kombination der ersten und zweiten Schalter mit dem Eingangsport parallel gekoppelt ist, wobei die serielle Kombination der dritten und vierten Schalter mit dem Eingangsport parallel gekoppelt ist; einen Transformator, der eine Primärwicklung, die mit den ersten und zweiten Knoten gekoppelt ist, und mindestens eine Sekundärwicklung aufweist; eine Stromgleichrichterschaltung, die mit der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist; und eine Ausgangsspule, die zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Ausgangsport gekoppelt ist; und wobei jeder der Schalter mehrmals zwischen abwechselnden leitenden und nichtleitenden Zuständen umgeschaltet wird, wobei die ersten und zweiten Schalter derart geschaltet werden, dass sie sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, wobei die dritten und vierten Schalter derart geschaltet werden, dass sie sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, wobei die zweiten und vierten Schalter derart geschaltet werden, dass sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, und wobei die ersten und dritten Schalter derart geschaltet werden, dass sie sich während einer Vielzahl von Zeitspannen gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und dritten Schalter länger in seinem leitenden Zustand verweilt als in seinem nichtleitenden Zustand.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, wobei jeder der zweiten und vierten Schalter länger in seinem nichtleitenden Zustand verweilt als in seinem leitenden Zustand.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, wobei die Brückenschaltung die folgende Schaltzeitsequenz für die Schaltungen umfasst: der erste Schalter befindet sich in einem leitenden Zustand; anschließend befindet sich der dritte Schalter in einem nichtleitenden Zustand; anschließend befindet sich der vierte Schalter in einem leitenden Zustand; anschließend befindet sich der vierte Schalter in einem nichtleitenden Zustand; anschließend befindet sich der dritte Schalter in einem leitenden Zustand; anschließend befindet sich der erste Schalter in einem nichtleitenden Zustand; anschließend befindet sich der zweite Schalter in einem leitenden Zustand; und anschließend befindet sich der zweite Schalter in einem nichtleitenden Zustand.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, wobei der Strom, der in der Ausgangsspule fließt, periodisch auf die Primärwicklung des Transformators reflektiert wird und von mindestens einem der ersten und dritten Schalter geleitet wird, wenn der mindestens eine Schalter sich in einem leitenden Zustand befindet.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, wobei die Primärwicklung eine Spannung aufweist, die zeitmäßig asymmetrisch geformt ist.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, wobei die Primärwicklung eine Spannung aufweist, die zwischen einem Mittelpunktwert und zwei Extremwerten auf beiden Seiten des Mittelpunktwertes umschaltet, und wobei die Schaltzeit von dem Mittelpunktwert auf einen Extremwert sich von der Schaltzeit von dem Extremwert auf den Mittelpunktwert unterscheidet.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Spule, die mit der Primärwicklung des Transformators an einem dritten Knoten in Reihe gekoppelt ist und sich zwischen der Primärwicklung und einem der ersten und zweiten Knoten befindet.
Leistungsumrichter nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Gleichrichter, der zwischen dem dritten Knoten und dem Eingangsport gekoppelt ist.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, wobei der Transformator eine erste Sekundärwicklung, die mit der Stromgleichrichterschaltung gekoppelt ist, und eine zweite Sekundärwicklung, die mit der Stromgleichrichterschaltung gekoppelt ist, umfasst.
Vollbrücken-Leistungsumrichter, der Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitstellt, wobei der Leistungsumrichter folgendes umfasst: einen Eingangsport, um eine Quelle umzurichtender Leistung zu empfangen; einen Ausgangsport, um eine Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitzustellen; eine Brückenschaltung, die einen ersten Transistor, einen zweiten Transistor, einen dritten Transistor und einen vierten Transistor umfasst, wobei jeder Transistor einen ersten Leitungsanschluss, einen zweiten Leitungsanschluss und einen Modulationsanschluss aufweist, um ein Steuersignal zu empfangen, das einen ersten Zustand, der den Transistor in einen leitenden Zustand versetzt, in dem Strom von seinem ersten Leitungsanschluss zu seinem zweiten Leitungsanschluss geleitet werden kann, und einen zweiten Zustand, der den Transistor in einen nichtleitenden Zustand versetzt, in dem kein Strom von seinem ersten Leitungsanschluss zu seinem zweiten Leitungsanschluss geleitet werden kann, aufweist, wobei bei jedem der ersten und zweiten Transistoren einer seiner Leitungsanschlüsse mit einem ersten Knoten gekoppelt ist und der andere seiner Leitungsanschlüsse mit einem jeweiligen Anschluss des Eingangsports gekoppelt ist, wobei bei jedem der dritten und vierten Transistoren einer seiner Leitungsanschlüsse mit einem zweiten Knoten gekoppelt ist und der andere seiner Leitungsanschlüsse mit einem jeweiligen Anschluss des Eingangsports gekoppelt ist; einen Transformator, der eine Primärwicklung, die mit den ersten und zweiten Knoten gekoppelt ist, und mindestens eine Sekundärwicklung aufweist; eine Stromgleichrichterschaltung, die mit der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist; und eine Ausgangsspule, die zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Ausgangsport gekoppelt ist; und wobei jeder der Transistoren mehrmals zwischen abwechselnden leitenden und nichtleitenden Zuständen umgeschaltet wird, wobei die ersten und zweiten Transistoren derart geschaltet werden, dass sie sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, wobei die dritten und vierten Transistoren derart geschaltet werden, dass sie sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, wobei die zweiten und vierten Transistoren derart geschaltet werden, dass sich nicht gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden, und wobei die ersten und dritten Transistoren derart geschaltet werden, dass sie sich während einer Vielzahl von Zeitspannen gleichzeitig in leitenden Zuständen befinden.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, wobei die ersten und dritten Transistoren Leitungsanschlüsse aufweisen, die mit dem gleichen Anschluss des Eingangsports gekoppelt sind, und wobei die dritten und vierten Transistoren Leitungsanschlüsse aufweisen, die mit dem gleichen Anschluss des Eingangsports gekoppelt sind.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, wobei jeder der ersten und zweiten Transistoren langer in seinem leitenden Zustand verweilt als in seinem nichtleitenden Zustand.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, wobei jeder der zweiten und vierten Transistoren länger in seinem nichtleitenden Zustand verweilt als in seinem leitenden Zustand.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, wobei die Brückenschaltung die folgende Schaltzeitsequenz für die Transistoren umfasst: der erste Transistor befindet sich in einem leitenden Zustand; anschließend befindet sich der dritte Transistor in einem nichtleitenden Zustand; anschließend befindet sich der vierte Transistor in einem leitenden Zustand; anschließend befindet sich der vierte Transistor in einem nichtleitenden Zustand; anschließend befindet sich der dritte Transistor in einem leitenden Zustand; anschließend befindet sich der erste Transistor in einem nichtleitenden Zustand; anschließend befindet sich der zweite Transistor in einem leitenden Zustand; und anschließend befindet sich der zweite Transistor in einem nichtleitenden Zustand.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, wobei der Strom, der in der Ausgangsspule fließt, periodisch auf die Primärwicklung des Transformators reflektiert wird und von mindestens einem der ersten und dritten Transistoren geleitet wird, wenn der mindestens eine Transistor sich in einem leitenden Zustand befindet.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, wobei die Primärwicklung eine Spannung aufweist, die zeitmäßig asymmetrisch geformt ist.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, wobei die Primärwicklung eine Spannung aufweist, die zwischen einem Mittelpunktwert und zwei Extremwerten auf beiden Seiten des Mittelpunktwertes umschaltet, und wobei die Schaltzeit von dem Mittelpunktwert auf einen Extremwert sich von der Schaltzeit von dem Extremwert auf den Mittelpunktwert unterscheidet.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Spule, die mit der Primärwicklung des Transformators an einem dritten Knoten in Reihe gekoppelt ist und sich zwischen der Primärwicklung und einem der ersten und zweiten Knoten befindet.
Leistungsumrichter nach Anspruch 19, ferner umfassend einen Gleichrichter, der zwischen dem dritten Knoten und dem Eingangsport gekoppelt ist.
Leistungsumrichter nach Anspruch 11, wobei der Transformator eine erste Sekundärwicklung, die mit der Stromgleichrichterschaltung gekoppelt ist, und eine zweite Sekundärwicklung, die mit der Stromgleichrichterschaltung gekoppelt ist, umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Vollbrücken-Leistungsumrichters, wobei der Leistungsumrichter einen Eingangsport, um eine Quelle von umzurichtender Leistung zu empfangen, einen Ausgangsport, um Gleichstrom-Ausgangsleistung bereitzustellen, eine Brückenschaltung, die einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter, die an einem ersten Knoten in Reihe gekoppelt sind, und einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die an einem zweiten Knoten in Reihe gekoppelt sind, aufweist, wobei die serielle Kombination der ersten und zweiten Schalter mit dem Eingangsport parallel gekoppelt ist, wobei die serielle Kombination der dritten und vierten Schalter mit dem Eingangsport parallel gekoppelt ist, einen Transformator, der eine Primärwicklung, die mit den ersten und zweiten Knoten gekoppelt ist, und mindestens eine Sekundärwicklung aufweist, eine Stromgleichrichterschaltung, die mit der mindestens einen Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, und eine Ausgangsspule, die zwischen der Gleichrichterschaltung und dem Ausgangsport gekoppelt ist, aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Versetzen des ersten Schalters in einen leitenden Zustand; anschließend Versetzen des dritten Schalters in einen nichtleitenden Zustand; anschließend Versetzen des vierten Schalters in einen leitenden Zustand; anschließend Versetzen des vierten Schalters in einen nichtleitenden Zustand; anschließend Versetzen des dritten Schalters in einen leitenden Zustand; anschließend Versetzen des ersten Schalters in einen nichtleitenden Zustand; anschließend Versetzen des zweiten Schalters in einen leitenden Zustand; und anschließend Versetzen des zweiten Schalters in einen nichtleitenden Zustand.