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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Gleichspannungswandler. Insbesondere bezieht sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung auf Gleichspannungswandler mit hohen Spannungswandlungsverhältnissen.
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Stand der Technik
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Es sind Gleichspannungswandler bekannt, welche aus einer Eingangsgleichspannung eine Ausgangsgleichspannung höherer, niedrigerer oder inverser Spannung erzeugen.
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Üblicherweise liegt das Spannungswandlungsverhältnis eines Gleichspannungswandlers zwischen 1/3 und 1/10. Dabei erfolgt die Spannungswandlung mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schaltelements und eines oder mehrerer Energiespeicher. Als Energiespeicher können dabei Kapazitäten oder Induktivitäten eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft Gleichspannungswandler, welche Induktivitäten als Energiespeicher nutzen.
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Das periodische Schalten der Energiezufuhr zu dem Energiespeicher führt dazu, dass in einem Gleichspannungswandler elektrische Verluste entstehen. Insbesondere können bei Gleichspannungswandlern mit induktiven Energiespeichern hohe Verluste entstehen. Diese Verluste werden durch von den induktiven Energiespeichern erzeugte induzierte Spannungen hervorgerufen. Diese induzierten Spannungen können zu einem Stromfluss innerhalb des Gleichspannungswandlers führen, welcher an parasitären Widerständen, z. B. von Leiterbahnen oder Bonddrähten, Verlustleistungen hervorruft.
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Es sind unterschiedliche Möglichkeiten bekannt, die Verlustleistung, welche in einem Gleichspannungswandler umgesetzt wird zu reduzieren.
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Eine Möglichkeit diese Verlustleistungen zu reduzieren besteht darin, einen Gleichspannungswandler mit einem Energiespeicherelement mit Abgriff vorzusehen. In solchen Gleichspannungswandlern wird das induktive Energiespeicherelement mit einem Abgriff versehen, welcher zwischen den beiden Leistungsanschlüssen des induktive Energiespeicherelements angeordnet ist, und das Schaltelement des Gleichspannungswandlers wird mit diesem Abgriff verbunden. Dadurch wird die Leistung, welche über das Schaltelement fließt im Vergleich zu Gleichspannungswandlern mit einem Energiespeicherelement ohne Abgriff verringert und es entsteht bei gleichbleibenden oder höheren Spannungswandlungsverhältnissen eine geringere Verlustleistung.
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Üblicherweise wird für Gleichspannungswandler ein nicht-lückender Betrieb eingesetzt, bei welchem der Strom durch das Energiespeicherelement des Gleichspannungswandlers nie zu null wird. Dies hat unter anderem die Vorteile, dass das Energiespeicherelement in seinem linearen Bereich betrieben wird und dass die Welligkeit des Eingangsstroms (bei Aufwärtswandlern) oder die Welligkeit des Ausgangsstroms (bei Abwärtswandlern) gering ist.
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Um die Verluste in dem Gleichspannungswandler noch weiter zu reduzieren, wird auch ein sogenannter lückender Betrieb eingesetzt, bei welchem der Strom durch das Energiespeicherelement in jeder Schaltperiode bis auf null zurück geht. Dies hat den Vorteil, das Schaltverluste nur beim Abschalten des Energieflusses entstehen und eine einfache Regelung des Gleichspannungswandlers möglich ist.
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Bei einem lückenden Betrieb entstehen aber in dem Gleichspannungswandler Schwingungen, welche Störemissionen verursachen und möglicherweise sogar die Schaltung schädigen oder zerstören können. Daher ist eine sehr sorgfältige Dimensionierung von Gleichspannungswandlern mit lückendem Betrieb notwendig. Ferner ist bekannt Dämpfungseinheiten oder sogenannte Snubber-Schaltungen einzusetzen, um diese Schwingungen zu dämpfen. Solche Dämpfungseinheiten werden erfolgreich in Gleichspannungswandlern mit Spannungswandlungsverhältnis von bis zu 1/10 eingesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Gleichspannungswandler mit einem ersten Schaltelement zum periodischen Einschalten und/oder Ausschalten des Energieflusses durch einen Leistungszweig des Gleichspannungswandlers, wobei der Leistungszweig mit einem Energiespeicherelement koppelbar ist, mit einer Dämpfungseinheit zum Dämpfen von durch das Einschalten und/oder Ausschalten des Energieflusses in dem Gleichspannungswandler hervorgerufenen ersten Spannungsspitzen und mit einer Ableiteinheit zum Ableiten von durch das Einschalten und/oder Ausschalten des Energieflusses in dem Gleichspannungswandler hervorgerufenen zweiten Spannungsspitzen.
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass auch in Gleichspannungswandlern mit einer Dämpfungseinheit noch Spannungsspitzen entstehen, welche mit steigendem Spannungswandlungsverhältnis schwerer zu beherrschen sind.
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Diese Spannungsspitzen werden insbesondere dadurch hervorgerufen, dass auf Grund der hohen Schaltfrequenzen und der geringen Tastverhältnisse in Gleichspannungswandlern mit Spannungswandlungsverhältnissen von mehr als 1/10 Resonanzeffekte auf Grund der parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der elektrischen Leitungen und der Bauelemente der Dämpfungseinheit entstehen. Diese Spannungsspitzen können starke negative Spannungen von bis zu –200 Volt, insbesondere aber von bis zu –100 Volt aufweisen und nicht alleine von der Dämpfungseinheit abgeleitet werden.
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Ableiteinheit vorzusehen, welche die Spannungsspitzen ableitet, welche die Dämpfungseinheit nicht dämpfen kann.
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Wird eine solche Ableiteinheit vorgesehen, wird es möglich den Gleichspannungswandler bei höheren Frequenzen und niedrigeren Tastverhältnissen zu betreiben und gleichzeitig die elektrischen Verluste in dem Gleichspannungswandler gering zu halten.
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Dadurch können Gleichspannungswandler mit sehr hohen Spannungswandlungsverhältnissen von weit mehr als 1/10 bereitgestellt werden. Die Spannungswandlungsverhältnissen solcher Gleichspannungswandler können mehr als 1/100 betragen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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In einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler und/oder als Abwärtswandler und/oder als Inverswandler ausgebildet. Dadurch wird es möglich unterschiedliche Ausgangsspannungen aus unterschiedlichen Eingangsspannungen zu erzeugen und den Gleichspannungswandler an die jeweilige Anwendung oder das jeweilige Einsatzgebiet anzupassen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler dazu ausgebildet, ein Energiespeicherelement mit Abgriff zum Wandeln einer Gleichspannung zu nutzen. Dadurch wird die Verlustleistung in dem Gleichspannungswandler reduziert und höhere Ausgangsleistungen für den Gleichspannungswandler werden ermöglicht.
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In einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler dazu ausgebildet, ein induktives Energiespeicherelement mit Abgriff zur Spannungswandlung zu nutzen. Das induktive Energiespeicherelement mit Abgriff kann dabei als eine Spule mit einem Abgriff oder als zwei magnetisch gekoppelte Spulen ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler dazu ausgebildet, in einem Lückbetrieb zu arbeiten. Arbeit der Gleichspannungswandler in einem Lückbetrieb, werden besonders hohe Spannungswandlungsverhältnisse möglich und der Gleichspannungswandler kann in Anwendungen integriert werden, für die Gleichspannungswandler mit niedrigen Spannungswandlungsverhältnissen nicht geeignet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Frequenz und Tastverhältnis des periodischen Einschaltens und/oder Ausschaltens des Energieflusses in dem Gleichspannungswandler derart ausgebildet, dass der Gleichspannungswandler ein Spannungswandlungsverhältnis von bis zu 1/200, insbesondere von bis zu 1/100 und insbesondere auch von bis zu 1/50, aufweist. Werden Frequenz und Tastverhältnis der Steuerung des Schaltelements derart angepasst, dass sich für den Gleichspannungswandler sehr hohe Spannungswandlungsverhältnisse ergeben, kann dieser in einer Vielzahl von Anwendungen integriert werden, welche solch hohe Spannungswandlungsverhältnisse benötigen.
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In einer Ausführungsform weist die Ableiteinheit eine erste Diode und zumindest eine zweite Diode auf, wobei die Anode der ersten Diode mit der Anode der zweiten Diode gekoppelt ist und/oder wobei die zweite Diode eine Z-Diode ist. Eine derartige Anordnung von Dioden ist in Sperrrichtung der ersten Diode immer undurchlässig für elektrische Spannungen. In Durchlassrichtung der ersten Diode ist eine solche Anordnung erst für Spannungen durchlässig, welche die Durchbruchspannung der Z-Diode überschreiten. Werden eine Diode und eine Z-Diode derart verbunden, dass jeweils die Anoden der Dioden verbunden sind, kann daher eine effiziente Ableitung von Spannungsspitzen, welche die Durchbruchspannung der Z-Diode überschreiten, erfolgen. Die Durchbruchspannung der Z-Diode kann in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung angepasst werden. In einer Ausführungsform beträgt die Durchbruchspannung der Z-Diode zwischen 1 V und 10 V, insbesondere zwischen 2 V und 5 V, insbesondere auch 3 Volt. In weiteren Ausführungsformen kann die Durchbruchspannung bis zu 30 V betragen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Ableiteinheit ein zweites Schaltelement auf, wobei zumindest ein Leistungseingang des zweiten Schaltelements mit der Anode der ersten Diode und der Anode der zweiten Diode gekoppelt ist. Wird ein Schaltelement vorgesehen, welches mit den Anoden der ersten und der zweiten Diode verbunden ist, können die Spannungsspitzen schneller abgebaut werden, da das Schaltelement eine schnellere Energieableitung ermöglicht, als die in Serie geschalteten Dioden. Dadurch werden noch höhere Frequenzen und Tastverhältnisse für die Steuerung des ersten Schaltelements und damit noch höhere Spannungswandlungsverhältnisse möglich.
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In einer Ausführungsform sind das erste Schaltelement und/oder das zweite Schaltelement als Bipolar-Transistoren und/oder als FETs und/oder als MOSFETs und/oder als Thyristoren ausgebildet. Werden unterschiedliche Ausführungsformen für das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement vorgesehen, kann der Gleichspannungswandler an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden.
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In einer Ausführungsform beträgt die Spannungsklasse des ersten und/oder des zweiten Schaltelements bis zu 100 V, insbesondere auch bis zu 50 V oder bis zu 25 V. In weiteren Ausführungsformen kann die Spannungsklasse der Schaltelemente auch bis zu 300 V oder mehr betragen.
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In einer Ausführungsform ist die Kathode der ersten Diode mit einem solchen ersten Knotenpunkt des Gleichspannungswandlers, an welchem Spannungsspitzen erzeugt werden, welche die Dämpfungseinheit nicht ableitet, elektrisch gekoppelt, und/oder ist die Kathode der zweiten Diode mit dem Bezugspotential gekoppelt. Dies ermöglicht es negative Spannungsspitzen, welche die Durchbruchspannung der Z-Diode überschreiten, direkt an demjenigen Knotenpunkt abzuleiten, an welchem die Spannungsspitzen entstehen. Dadurch wird eine effektive Ableitung der Spannungsspitzen ermöglicht.
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In weiteren Ausführungsformen kann die Kathode der ersten Diode mit solchen Knotenpunkten des Gleichspannungswandlers gekoppelt sein, an welchen eine Spannungsspitze nicht direkt entsteht und an welche die Spannungsspitze mittels weiterer Schaltungselemente übertragen wurde. Dadurch wird ein flexibler Aufbau des Gleichspannungswandlers ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Gleichspannungswandler zumindest einen elektrischen Anschluss zum Anschließen zumindest einer Induktivität und/oder eines elektrischen Bezugspotentials und/oder eines elektrischen Verbrauchers auf. Dies ermöglicht es, den Gleichspannungswandler in elektrische Schaltungen zu integrieren und eine angepasste externe Beschaltung mit geeigneten Induktivitäten vorzusehen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein erster Bondpunkt vorgesehen, welcher über zumindest einen ersten Bonddraht mit der Induktivität gekoppelt ist und/oder ist zumindest ein zweiter Bondpunkt vorgesehen, welcher über zumindest einen zweiten Bonddraht mit dem elektrischen Bezugspotential gekoppelt ist und/oder ist zumindest ein dritter Bondpunkt vorgesehen, welcher über zumindest einen dritten Bonddraht mit dem elektrischen Verbraucher gekoppelt ist. Dies ermöglicht einen effizienten Aufbau des Gleichspannungswandlers als integrierte Schaltung. Dadurch wird ein kompakter und günstiger Gleichspannungswandler ermöglicht.
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In weiteren Ausführungsformen kann der Gleichspannungswandler als diskrete Schaltung vorgesehen sein. Dies ermöglicht es, einen Gleichspannungswandler bereitzustellen, welcher höhere Ausgangsleistungen bereitstellt, da die diskreten Bauelemente höhere Leistungsklassen bieten, als integrierte Bauelemente.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers;
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2 einen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 1 mit einem ersten Schaltelement 4, welches dazu ausgebildet ist, den Energiefluss in einem Leistungszweig 5 zu öffnen und zu schließen. Ferner weist der Gleichspannungswandler 1 in 1 eine Dämpfungseinheit 2 sowie eine Ableiteinheit 3 auf. Dabei ist die Dämpfungseinheit 2 aus 1 dazu ausgebildet, durch das Öffnen und Schließen des Energieflusses in dem Gleichspannungswandler 1 hervorgerufenen Spannungsspitzen zu Dämpfen.
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Üblicherweise gelingt es mittels einer Dämpfungseinheit 2 nicht, alle Spannungsspitzen, welche in einem Gleichspannungswandler 1 entstehen zu dämpfen. Aus diesem Grund ist in 1 eine Ableiteinheit 3 vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, Spannungsspitzen, welche die Dämpfungseinheit 2 nicht dämpfen kann, abzuleiten.
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Der in 1 dargestellte Gleichspannungswandler 1 ist als ASIC innerhalb eines einzelnen Gehäuses vorgesehen. Dabei sind das erste Schaltelement 4, die Dämpfungseinheit 2 sowie die Ableiteinheit 3 in dem ASIC integriert.
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In einigen Ausführungsformen können elektronische Bauelemente des Gleichspannungswandlers 1 außerhalb des ASICs als externe Bauelemente vorgesehen sein. Beispielsweise kann das erste Schaltelement 4 als externer Leistungstransistor vorgesehen sein. In weiteren Ausführungsformen können auch Bauteile der Dämpfungseinheit 2 sowie der Ableiteinheit 3 als externe Bauteile vorgesehen sein.
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2 zeigt einen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 1, welcher über fünf elektrische Anschlüsse 10, 11, 12, 13 und 14 verfügt.
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Der Gleichspannungswandler 1 ist über den elektrischen Anschluss 10 mit einem ersten Teil L1 einer Induktivität mit Abgriff und mit einem Kondensator 24 verbunden, welcher mit einem zweiten Teil L2 der Induktivität mit Abgriff verbunden ist. Der erste Teil L1 der Induktivität mit Abgriff ist ferner mit einer Gleichspannungsquelle G verbunden und der zweite Teil L2 der Induktivität mit Abgriff ist ferner mit dem dritten elektrischen Anschluss 12 des Gleichspannungswandlers 1 verbunden.
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Der zweite elektrische Anschluss 11 ist direkt und der fünfte elektrische Anschluss 14 des Gleichspannungswandlers 1 ist indirekt über einen Kondensator 25 mit einem elektrischen Bezugspotential M verbunden.
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Schließlich ist der vierte elektrische Anschluss 13 des Gleichspannungswandlers 1 mit einem elektrischen Verbraucher R verbunden, welcher aus einem Widerstand und einem zu diesem parallel vorgesehenen Kondensator besteht. Der elektrische Verbraucher R wiederum ist mit dem elektrischen Bezugspotential M verbunden.
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Der Gleichspannungswandler 1 aus 2 weist ebenso wie der Gleichspannungswandler 1 aus 1 ein erstes Schaltelement 4 auf. Das erste Schaltelement 4 ist dazu ausgebildet, einen Leistungszweig, welcher aus Bonddrähten 105 und 115 besteht zu öffnen und zu schließen. Dazu ist der Bonddraht 105 mit einem ersten Leistungseingang des ersten Schaltelements 4, welcher als Bondpunkt 101 ausgeführt ist, und mit dem ersten elektrischen Anschluss 10 des Gleichspannungswandlers 1 verbunden. Der zweite Bonddraht 115 ist mit einem zweiten Leistungseingang des ersten Schaltelements 4, welcher als Bondpunkt 111 ausgeführt ist, und mit dem zweiten elektrischen Anschluss 11 verbunden.
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Ferner weist der Gleichspannungswandler 1 aus 2 eine Dämpfungseinheit 2 auf, welche aus dem Kondensator 24, dem Kondensator 25 sowie zwei Dioden 26 und 27 besteht. Dabei ist die Diode 26 in Durchlassrichtung zwischen einen Bondpunkt 102 und einen Bondpunkt 141 geschaltet. Der Bondpunkt 102 ist ferner mittels eines Bonddrahts 106 mit dem ersten elektrischen Anschluss 10 verbunden und der Bondpunkt 141 ist ferner mittels eines Bonddrahts 145 mit dem fünften elektrischen Anschluss 14 verbunden. Schließlich ist die Diode 27 in Durchlassrichtung zwischen den Bondpunkt 141 und einen Bondpunkt 121 geschaltet, wobei der Bondpunkt 121 ferner mittels eines Bonddrahts 125 mit dem dritten elektrischen Anschluss 12 verbunden ist.
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Der Gleichspannungswandler 1 weist ferner eine Diode 28 auf, welche zwischen den Bondpunkt 121 und den Bondpunkt 131 in Durchlassrichtung geschaltet ist, wobei der Bondpunkt 131 ferner mittels Bonddraht 135 mit dem vierten elektrischen Anschluss 13 verbunden ist.
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Schließlich weist der Gleichspannungswandler aus 2 eine Ableiteinheit 3 auf, welche mit den Bondpunkten 102 und 141 verbunden ist und ferner über einen Bonddraht 116 und Knotenpunkt 112 mit dem zweiten elektrischen Anschluss 11 des Gleichspannungswandlers 1 gekoppelt ist.
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Dabei ist eine Diode 20 mit der Kathode an Bondpunkt 102 angeschlossen. Mit der Anode ist die Diode 20 an die Anode einer Z-Diode 22 angeschlossen, welche wiederum mit der Kathode mit dem Bondpunkt 112 verbunden ist. Schließlich weist die Ableiteinheit 3 ein zweites Schaltelement 21 in Form eines n-Kanal MOSFETs auf, welcher mit seinem Drain-Anschluss mit den Anoden der Diode 20 und der Z-Diode 22 verbunden ist. Mit seinem Source-Anschluss ist der MOSFET 21 an den Bondpunkt 141 angeschlossen und mit seinem Gate-Anschluss ist der MOSFET 21 an den Bondpunkt 112 angeschlossen.
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Wird der in 2 dargestellte Gleichspannungswandler in einem Lückbetrieb betrieben, so entstehen auf Grund der parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der Bonddrähte und der Dioden der Dämpfungseinheit 2 Resonanzeffekte, welche zu einer gegenüber dem Bezugspotential negativen Spannungsspitze an dem Bondpunkt 102 führen.
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Die negative Spannungsspitze kann in einem Gleichspannungswandler 1 ohne eine Ableiteinheit 3 negative Spannungswerte von mehr als –150 V, insbesondere Spannungswerte von bis zu –80 Volt, aufweisen.
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Die Durchbruchspannung der Z-Diode 22 beträgt in der Ausführungsform aus 2 3 V. Sinkt also die Spannung an dem Bondpunkt 102 unter –3 V (zuzüglich der Spannung, welche an der ersten Diode 20 abfällt), wird die Z-Diode 22 leitend. Dadurch entsteht eine leitende Verbindung zwischen dem Bezugspotential M und dem Bondpunkt 102, welche dazu geeignet ist, die Spannungsspitze auszugleichen. Ferner dient der MOSFET 21 der Ableiteinheit 3 dazu, den Abbau der Spannungsspitze zu beschleunigen. Der Transistor 21 bildet einen niederohmigen Pfad zwischen dem Knoten 141 und den Anoden der Dioden 20 und 22. Weist der Knoten 10 bzw. 101 eine negative Spannung auf, wird die Diode 20 in Flussrichtung betrieben und Strom fließt aus der Kapazität 25 über den Transistor 21.
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Dadurch werden an den Knoten 10 bzw. 101 große negative Spannungsspitzen vermieden. Dies gilt analog für den Knoten 112 und die Zener Diode 22.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
