DE102011078245A1

DE102011078245A1 - Spannungswandler und Spannungswandlungsverfahren

Info

Publication number: DE102011078245A1
Application number: DE102011078245A
Authority: DE
Inventors: Dr. Deboy Gerald
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2011-12-29
Also published as: US8400123B2; US20130214750A1; US9488995B2; US20110316514A1

Abstract

Beschrieben werden ein Spannungswandler und ein Spannungswandlungsverfahren. Der Spannungswandler weist auf: Eingangsklemmen (11, 12), die zum Anlegen einer Eingangsspannung (Vin) ausgebildet sind; Ausgangsklemmen (13, 14), die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangsspannung (Vout) und einen Ausgangsstrom (Iout) bereitzustellen; wenigstens eine erste Wandlerstufe (20), die zwischen die Eingangsklemmen (11, 12) und die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt, die wenigstens einen unipolaren Transistor (25) aufweist und die dazu ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrom (I20) bereitzustellen; wenigstens eine zweite Wandlerstufe (30), die zwischen die Eingangsklemmen (11, 12) und die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt, die wenigstens einen Bipolartransistor aufweist und die dazu ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrom (I30) bereitzustellen; und eine Steuerschaltung (40), die dazu ausgebildet ist, den ersten Ausgangsstrom (I20) und den zweiten Ausgangsstrom (I30) so zu steuern, dass ein erster Ausgangsstrombereich vorliegt, in dem der erste Ausgangsstrom (I20) größer ist als der zweite Ausgangsstrom (I30).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler, insbesondere einen getakteten Spannungswandler bzw. Schaltwandler, und ein Spannungswandlungsverfahren.
Getaktete Spannungswandler oder Leistungswandler werden üblicherweise auf dem Gebiet der elektrischen Energieversorgung eingesetzt. Spannungswandler können als gesteuerte Spannungsquellen implementiert werden, die aus einer Eingangsspannung eine gesteuerte Ausgangsspannung bereitstellen, oder sie können als gesteuerte Stromquellen implementiert werden, die einen gesteuerten (mittleren) Ausgangsstrom bereitstellen. Die Eingangsspannung kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein. Spannungswandler, denen eine Wechselspannung zugeführt wird, sind beispielsweise Leistungsfaktorsteuergeräte (Power Factor Controller, PFCs). Ein PFC wird beispielsweise zum Bereitstellen einer Zwischenkreis-Gleichspannung aus einer Netzwechselspannung verwendet.
Um hohe Ausgangsströme bereitzustellen, kann ein Spannungswandler so implementiert werden, dass er zwei oder mehr parallel geschaltete Wandlerstufen aufweist. Jede Wandlerstufe weist wenigstens ein induktives Speicherelement und einen Schalter auf, der den Stromfluss durch das induktive Speicherelement steuert. Der Schalter wird durch ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Steuersignal angesteuert, wobei die Ausgangsspannung jeder Wandlerstufe über den Duty-Cycle (das Taktverhältnis) des jeweiligen PWM-Steuersignals gesteuert wird.
Die Schalter in den Wandlerstufen sind üblicherweise als Transistoren ausgeführt, wie beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs. MOSFETs sind unipolare Transistoren, die mit einem geringen Einschaltwiderstand verfügbar sind. MOSFETs mit einem geringen Einschaltwiderstand haben jedoch üblicherweise eine hohe Ausgangskapazität. Bei jedem Ausschalten des MOSFET wird elektrische Ladung in dieser Ausgangskapazität gespeichert.
Spannungswandler können in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Ein möglicher Betriebsmodus ist ein Continuous Conduction Mode (CCM), der beispielsweise zum Bereitstellen hoher Ausgangsströme verwendet wird. Wenn ein Spannungswandler oder eine Wandlerstufe im CCM betrieben wird, sinkt ein Strom durch das induktive Speicherelement nicht auf Null ab. Die Ausgangskapazität eines MOSFET, der in einem im CCM arbeitenden Wandler implementiert ist, führt aufgrund der in der Ausgangskapazität gespeicherten Energie zu hohen Schaltverlusten während des Einschaltens.
IGBTs sind Bipolartransistoren, die bei hohen Strömen höhere Verluste zur Folge haben als MOSFETs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Spannungswandler bereitzustellen, der geringe Verluste bei geringen Ausgangsströmen oder bei geringen Ausgangsleistungen sowie bei hohen Ausgangsströmen oder bei hohen Ausgangsleistungen aufweist, und ein entsprechendes Spannungswandlungsverfahren bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Spannungswandler gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erster Aspekt betrifft einen Spannungswandler, der Eingangsklemmen aufweist, die zum Anlegen einer Eingangsspannung ausgebildet sind, und der Ausgangsklemmen aufweist, die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom bereitzustellen. Wenigstens eine erste Wandlerstufe ist zwischen die Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen gekoppelt, weist wenigstens einen unipolaren Transistor auf und ist dazu ausgebildet, wenigstens einen ersten Ausgangsstrom bereitzustellen. Wenigstens eine zweite Wandlerstufe ist zwischen die Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen gekoppelt, weist wenigstens einen Bipolartransistor auf und ist dazu ausgebildet, wenigstens einen zweiten Ausgangsstrom bereitzustellen.
Ein zweiter Aspekt betrifft ein Spannungswandlungsverfahren. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Spannungswandlers mit Eingangsklemmen, die zum Anlegen einer Eingangsspannung ausgebildet sind, mit Ausgangsklemmen, die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom bereitzustellen, mit wenigstens einer ersten Wandlerstufe und mit wenigstens einer zweiten Wandlerstufe. Die wenigstens eine erste Wandlerstufe ist zwischen die Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen gekoppelt, weist wenigstens einen unipolaren Transistor auf und ist dazu ausgebildet, einen ersten Ausgangsstrom bereitzustellen, und die wenigstens eine zweite Wandlerstufe ist zwischen die Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen gekoppelt, weist wenigstens einen Bipolartransistor auf und ist dazu ausgebildet, einen zweiten Ausgangsstrom bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Steuern des ersten und des zweiten Ausgangsstroms, so dass ein erster Ausgangsstrombereich vorliegt, in dem der erste Ausgangsstrom kleiner ist als der zweite Ausgangsstrom.
Ausführungsbeispiele werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind dazu vorgesehen, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass lediglich zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendige Aspekte dargestellt sind. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu. In den Figuren bezeichnen, sofern nichts anderes angegeben ist, gleiche Bezugszeichen gleiche Eigenschaften.
1 veranschaulicht schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers mit einer ersten Wandlerstufe mit einem unipolaren Transistor, mit einer zweiten Wandlerstufe mit einem Bipolartransistor und mit einer Steuerschaltung;
2 (die 2A und 2B aufweist) veranschaulicht das Funktionsprinzip zweier verschiedener Ausführungsbeispiele des Spannungswandlers, indem eine Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom der ersten Wandlerstufe und dem Ausgangsstrom der zweiten Wandlerstufe in Abhängigkeit von dem gesamten Ausgangsstrom dargestellt ist;
3 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers mit mehreren ersten Wandlerstufen, mehreren zweiten Wandlerstufen und einer Steuerschaltung;
4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Funktionsprinzip eines Spannungswandlers mit mehreren ersten Wandlerstufen;
5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung;
6 veranschaulicht einen Spannungswandler mit ersten und zweiten Wandlerstufen, die eine Hochsetzsteller-Topologie aufweisen;
7 veranschaulicht eine Eingangsstufe des Spannungswandlers, der eine Eingangswechselspannung zugeführt ist;
8 veranschaulicht eine Wandlerstufe mit einer Tiefsetzsteller-Topologie;
9 veranschaulicht eine Wandlerstufe mit einer Sperrwandlertopologie;
10 veranschaulicht eine Wandlerstufe mit einer Flusswandlertopologie, insbesondere einer Flusswandlertopologie mit zwei Transistoren (two transistor forward, TTF);
11 veranschaulicht das Funktionsprinzip einer Wandlerstufe, die im diskontinuierlichen Strombetrieb (Discontinuous Conduction Mode, DCM) arbeitet;
12 veranschaulicht das Funktionsprinzip einer Wandlerstufe, die im kontinuierlichem Strombetrieb (Continuous Conduction Mode, CCM); und
13 veranschaulicht das Funktionsprinzip einer Wandlerstufe in einem kritischen Leitungs- oder Strombetrieb (Critical Conduction Mode).
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers. Der Spannungswandler weist Eingangsklemmen 11, 12 zum Anlegen einer Eingangsspannung Vin sowie Ausgangsklemmen 13, 14 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Vout und eines Ausgangsstroms Iout auf. Eine erste Wandlerstufe 20 ist zwischen die Eingangsklemmen 11, 12 und die Ausgangsklemmen 13, 14 gekoppelt. Hierzu sind die Eingangsklemmen 21, 22 der ersten Wandlerstufe 20 jeweils mit einer der Eingangsklemmen 11, 12 des Spannungswandlers gekoppelt und die Ausgangsklemmen 23, 24 der ersten Wandlerstufe 20 sind jeweils mit einer der Ausgangsklemmen 13, 14 des Spannungswandlers gekoppelt. Die Ausgangsspannung Vout steht über einem Ausgangskondensator 15 zur Verfügung, der zwischen die Ausgangsklemmen 13, 14 gekoppelt ist. Die erste Wandlerstufe 20 ist als getakteter Spannungswandler oder als Leistungswandler, bzw. als Schaltwandler, ausgebildet, weist wenigstens einen als Schalter funktionierenden unipolaren Transistor und wenigstens ein induktives Speicherelement auf. Im Zusammenhang mit der nachfolgenden Erörterung sei angenommen, dass der unipolare Transistor als MOSFET implementiert ist. Es können jedoch ebenso auch andere Arten unipolarer Transistoren, wie beispielsweise JFETs, verwendet werden.
Der Spannungswandler weist weiterhin wenigstens eine zweite Wandlerstufe 30 auf, die parallel zu der wenigstens einen ersten Wandlerstufe 20 geschaltet ist und die zwischen die Eingangsklemmen 11, 12 und die Ausgangsklemmen 13, 14 des Spannungswandlers geschaltet ist. Hierzu sind die Eingangsklemmen 31, 32 der zweiten Wandlerstufe 30 jeweils mit einer der Eingangsklemmen 11, 12 des Spannungswandlers und die Ausgangsklemmen 33, 34 der zweiten Wandlerstufe 30 jeweils mit einer der Ausgangsklemmen 13, 14 des Spannungswandlers gekoppelt. Die wenigstens eine zweite Wandlerstufe 30 ist als getakteter Spannungswandler oder Leistungswandler, bzw. als Schaltwandler, ausgebildet und weist wenigstens einen Bipolartransistor, der als Schalter funktioniert, und wenigstens ein induktives Speicherelement auf. Im Zusammenhang mit der nachfolgenden Erörterung sei angenommen, dass der Transistor als IGBT implementiert ist. Es sind jedoch ebenso auch andere Arten von Bipolartransistoren, wie beispielsweise bipolare Sperrschicht-Transistoren (BJTs), anwendbar.
Wenn der Spannungswandler im Betrieb ist, stellt die erste Wandlerstufe 20 einen ersten Ausgangsstrom I20 und die zweite Wandlerstufe 30 einen zweiten Ausgangsstrom I30 zur Verfügung. Der Gesamtausgangsstrom Iout des Spannungswandlers ist die Summe des ersten und des zweiten Ausgangsstroms I20, I30. Eine erste Ausgangsleistung P20 der ersten Wandlerstufe 20 ist gegeben durch das Produkt des ersten Ausgangsstroms I20 und der Ausgangsspannung Vout und eine zweite Ausgangsleistung P30 der zweiten Wandlerstufe 30 ist gegeben durch das Produkt des zweiten Ausgangsstroms I30 und der Ausgangsspannung Vout. Eine Gesamtausgangsleistung des Spannungswandlers ist gegeben durch die Summe der ersten und der zweiten Ausgangsleistungen P20, P30, d. h.: Pout = Vout·Iout = P20 + P30 = (I20 + I30)·Vout (1)
Der Spannungswandler ist in der Lage, die Ausgangsleistung Pout an den Leistungsverbrauch einer Last Z (dargestellt in gestrichelten Linien) anzupassen, die an die Ausgangsklemmen 13, 14 geschaltet werden kann. Der Spannungswandler ist insbesondere in der Lage, seine Ausgangsleistung an jeden speziellen Leistungswert innerhalb eines festgelegten Leistungsbereichs anzupassen, der zwischen Null (0) und einer maximalen Ausgangsleistung Pout_max liegt, wobei Pout_max = Vout·Iout_max und wobei Iout_max der maximale Ausgangsstrom des Spannungswandlers ist.
Jede der wenigstens einen ersten Wandlerstufen 20 und der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe 30 trägt einen Teil zu der von der Last Z verbrauchten Ausgangsleistung Pout bei. Der Spannungswandler weist weiterhin eine Steuerschaltung 40 auf, die definiert, welcher Anteil der Ausgangsleistung Pout von der wenigstens einen ersten Wandlerstufe 20 und welcher Anteil von der wenigstens einen zweiten Wandlerstufe 30 geliefert werden soll. Die Steuerschaltung 40 stellt ein erstes Steuersignal DC20 bereit, welches einem Steuereingang der ersten Wandlerstufe 20 zugeführt ist, und sie stellt ein zweites Steuersignal CD30 bereit, welches einem Steuereingang der zweiten Wandlerstufe 30 zugeführt ist.
Wie allgemein bekannt ist, werden Schalter in einem getakteten Spannungswandler, wie beispielsweise die ersten und die zweiten Wandlerstufen 20, 30, unter Verwendung eines pulsweitenmodulierten (PWM) Steuersignals mit einem Duty-Cycle (DC) bzw. Taktverhältnis ein- und ausgeschaltet. Die ersten und die zweiten Steuersignale DC20, DC30, die von der Steuerschaltung 40 bereitgestellt werden und die die Ausgangsleistungen P20, P30 der ersten und zweiten Wandlerstufen 20, 30 festlegen, sind beispielsweise dazu ausgebildet, die Duty-Cycles (Taktverhältnisse) dieser PWM-Steuersignale in den ersten und zweiten Wandlerstufen 20, 30 einzustellen, um die Ausgangsleistungen P20, P30 dieser Wandlerstufen festzulegen bzw. einzustellen.
Um die Ausgangsleistung Pout des Spannungswandlers an den Leistungsverbrauch der Last Z anzupassen, überwacht die Steuerschaltung 40 die Ausgangsspannung Vout. Dies ist schematisch in 1 veranschaulicht, in der die Steuerschaltung 40 einen Steuereingang 41 aufweist, der an eine der Ausgangsklemmen 13, 14 gekoppelt ist. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass es nicht notwendig ist, die Steuerschaltung direkt mit einer der Ausgangsklemmen 13, 14 zu koppeln; der Steuerschaltung kann jedes beliebige die Ausgangsspannung Vout repräsentierende Signal zugeführt werden, um die Gesamtausgangsleistung Pout zu steuern. Wenn die Ausgangsspannung Vout aufgrund eines abnehmenden Leistungsverbrauchs der Last Z ansteigt, dann reduziert die Steuerschaltung 40 die Ausgangsleistung der ersten Wandlerstufe 20 und/oder der zweiten Wandlerstufe 30 mittels der ersten und zweiten Steuersignale DC20, DC30. Wenn die Ausgangsspannung Vout aufgrund eines zunehmenden Leistungsverbrauchs der Last Z abnimmt, dann wirkt die Steuerschaltung 40 einer weiteren Abnahme der Ausgangsspannung Vout durch Erhöhung der Ausgangsleistung P20, P30 der ersten Wandlerstufe 20 und/oder der zweiten Wandlerstufe 30 entgegen.
Die Steuerschaltung 40 ist dazu ausgebildet, die Ausgangsleistungen P20, P30 der ersten und zweiten Wandlerstufen 20, 30 Abhängigkeit der gesamten Ausgangsleistung Pout einzustellen. Die Steuerschaltung 40 ist insbesondere dazu ausgebildet, die ersten und zweiten Wandlerstufen 20, 30 so zu steuern, dass der Ausgangsstrom Iout sich über den ganzen Ausgangsstrombereich nicht gleichmäßig auf die ersten und zweiten Wandlerstufen 20, 30 aufteilt, sondern dass wenigstens ein Ausgangsstrombereich vorhanden ist, in dem eine der Wandlerstufen 20, 30 einen Großteil des Ausgangsstroms Iout bereitstellt. Es gibt insbesondere einen ersten Ausgangsstrombereich, in dem der erste Ausgangsstrom I20, der von der ersten Wandlerstufe 20 mit dem wenigstens einen MOSFET bereitgestellt wird, größer ist als der zweite Ausgangsstrom I30, der von der zweiten Wandlerstufe 30 mit dem wenigstens einen IGBT bereitgestellt wird.
Zum Aufteilen des Ausgangsstroms zwischen den wenigstens zwei Wandlerstufen 20, 30 können verschiedene Verfahren zum Aufteilen der Ströme angewendet werden. Zu Zwecken der Erläuterung zeigen die 2A und 2B zwei Ausführungsbeispiele solcher Verfahren zum Aufteilen der Ströme. Diese Figuren veranschaulichen die ersten und die zweiten Ausgangsströme I20, I30 in Abhängigkeit von dem gesamten Ausgangsstrom Iout.
Bei dem in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erster Ausgangsstrombereich vorhanden, der von einem minimalen Ausgangsstrom Iout_min bis zu einer ersten Stromschwelle Iout₁ reicht, in dem der zweite Ausgangsstrom I30 Null ist und in dem nur der erste Ausgangsstrom I20 mit ansteigendem gesamten Ausgangsstrom Iout ansteigt. Der erste Schwellenwert Iout₁ liegt beispielsweise zwischen 10% und 50% des maximalen Ausgangsstroms Iout_max. Der minimale Ausgangsstrom Iout_min ist der minimale Ausgangsstrom, den der Spannungswandler bereitstellen kann. Dieser minimale Strom Iout_min kann Null sein. Der maximale Ausgangsstrom Iout_max ist abhängig vom jeweiligen Typ der Wandlerstufen und der Anzahl der parallel geschalteten Wandlerstufen. Der maximale Ausgangsstrom Iout_max kann 100A oder mehr betragen.
Ein zweiter Ausgangsstrom I20 von Null für einen Gesamtausgangsstrom Iout, der innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs [Iout_min, Iout₁] liegt, ist gleichbedeutend damit, dass die zweite Wandlerstufe 30 abgeschaltet ist. Das Betreiben lediglich der ersten Wandlerstufe mit dem MOSFET für kleine Ausgangsströme Iout, beispielsweise für Ausgangsströme, die innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs [Iout_min, Iout₁] liegen, ist bezüglich unvermeidlicher Schaltverluste oder Verlustleistungen vorteilhaft, die beim Betrieb von getakteten Spannungswandlern auftreten, wie beispielsweise beim Betrieb der in den ersten und zweiten Wandlerstufen 20, 30 implementierten Spannungswandler. Mit MOSFETs realisierte getaktete Spannungswandler weisen bei geringen Ausgangsströmen geringere Verlustleistungen auf als getaktete Leistungswandler mit IGBTs.
Mit IGBTs realisierte getaktete Spannungswandler sind jedoch bei höheren Ausgangsströmen in Bezug auf Schaltverluste besser. Gemäß einem Ausführungsbeispiel gibt es deshalb einen zweiten Ausgangsstrombereich [Iout₂, Iout_max], in dem der von der zweiten Wandlerstufe 30 bereitgestellte zweite Ausgangsstrom I30 größer ist als der von der ersten Wandlerstufe 30 bereitgestellte erste Ausgangsstrom I20. Der zweite Ausgangsstrombereich liegt zwischen einer zweiten Schwelle Iout₂ und dem maximalen Ausgangsstrom Iout_max. Die zweite Schwelle Iout₂ liegt beispielsweise im Bereich zwischen 50% bis 80% des maximalen Ausgangsstroms Iout_max. In dem zweiten Ausgangsstrombereich [Iout₂, Iout_max] ist der erste Ausgangsstrom I20 beispielsweise Null, hat einen konstanten Wert größer als Null oder nimmt ab, wobei letzteres in 2 dargestellt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Schwelle Iout1 gleich der zweiten Schwelle Iout₂, die beispielsweise 50% des maximalen Ausgangsstroms Iout_max beträgt.
Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel gibt es einen dritten Ausgangsstrombereich, der zwischen der ersten Schwelle Iout₁ und der zweiten Schwelle Iout₂ liegt. Innerhalb dieses dritten Strombereichs [Iout₁, Iout₂] nimmt der zweite Ausgangsstrom I30 mit zunehmendem Gesamtausgangsstrom Iout zu, während der erste Ausgangsstrom I20 (wie gezeigt) konstant bleibt oder sogar abnimmt (nicht gezeigt).
Bei dem in 2B dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Ausgangsstrom I30 innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs [Iout_min, Iout₂] Null und der erste Ausgangsstrom I20 ist innerhalb des zweiten Ausgangsstrombereichs [Iout₂, Iout_max] Null. Deshalb entspricht der Ausgangsstrom Iout innerhalb des ersten Bereich dem ersten Strom I20 und innerhalb des zweiten Bereichs zu dem zweiten Strom I30. Innerhalb des dritten Ausgangsstrombereichs [Iout₁, Iout₂], der zwischen den ersten und zweiten Ausgangsstrombereichen liegt, wird der Ausgangsstrom zu jeweils gleichen Anteilen von den ersten und zweiten Ausgangsströmen bereitgestellt. Das bedeutet, dass der erste Ausgangsstrom I20, gleich dem zweiten Ausgangsstrom I30 ist; d. h. I20 = I30.
In den Stromverläufen gemäß 2B treten bei den ersten bzw. zweiten Schwellen abrupte Änderungen der ersten und zweiten Ströme I20, I30 auf. Wenn der ansteigende Ausgangsstrom Iout die erste Schwelle Iout₁ erreicht, dann fällt der erste Ausgangsstrom I20 auf die Hälfte seines Wertes ab und der zweite Ausgangsstrom I30 springt auf den Wert des ersten Stroms, und wenn der ansteigende Ausgangsstrom Iout die zweite Schwelle Iout₂ erreicht, dann fällt der erste Strom I20 auf Null ab und der zweite Strom I30 verdoppelt seinen Wert. Entsprechend fällt der zweite Strom I30 auf die Hälfte seines Wertes ab, wenn der abnehmende Ausgangsstrom Iout die zweite Schwelle Iout₂ erreicht, und wenn der fallende Ausgangsstrom Iout die erste Schwelle Iout₁ erreicht, dann fällt der zweite Strom I30 auf Null ab und der erste Strom I20 verdoppelt seinen Wert.
Um Instabilitäten des Spannungswandlers zu vermeiden, wenn sich der Ausgangsstrom im Bereich der ersten und der zweiten Schwellenwerte Iout₁, Iout₂ befindet, besitzen die Stromverläufe optional ein Hysterese-Verhalten auf, was in 2B in punktierten Linien veranschaulicht ist. Aufgrund des Hysterese-Verhaltens sind die Schwellenwerte, die eine abrupte Änderung der Werte der ersten und zweiten Ausgangsströme I20, I30 bewirken, für einen ansteigenden und einen abfallenden Ausgangsstrom unterschiedlich. Bei dem in 2B gezeigten Ausführungsbeispiel treten bei steigendem Ausgangsstrom Iout an den ersten und zweiten Schwellenwerten Iout₁, Iout₂ abrupte Änderungen der ersten und zweiten Ausgangsströme I20, I30 auf, während bei fallendem Ausgangsstrom Iout die entsprechenden abrupten Änderungen an Schwellenwerten auftreten, die etwas kleiner sind als die ersten und zweiten Schwellenwerte Iout₁, Iout₂. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Schwellenwerte für den abfallenden Strom Iout zwischen 0,5% und 2% kleiner als die Schwellenwerte für den ansteigenden Strom oder zwischen 0,5% und 2% des Maximalstroms Iout_max kleiner als die Schwellenwerte Iout₁, Iout₂ für den ansteigenden Strom.
Zu Zwecken der Erläuterung basierten die im Zusammenhang mit den 2A und 2B gemachten Ausführungen auf der Annahme, dass ein erster Wandler 20 den ersten Ausgangsstrom I20 bereitstellt, und dass ein zweiter Wandler 30 den zweiten Ausgangsstrom I30 bereitstellt. Bezugnehmend auf 3 ist es auch möglich, mehrere erste und zweite Wandlerstufen bereitzustellen.
3 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers. Dieser Spannungswandler umfasst mehrere m erste Wandlerstufen 201, 20m, mit m > 1, und mehrere n zweite Wandlerstufen 301, 30n, mit n > 1. Die vorangehenden Ausführungen bezüglich der in den 1 und 2 gezeigten ersten und zweiten Wandlerstufen 20, 30 gelten gleichermaßen für die in 3 dargestellten ersten und zweiten Wandlerstufen 201, 20m, 301, 30n. In dem Spannungswandler gemäß 3 sind die einzelnen Wandlerstufen jeweils zwischen die Eingangsklemmen 11, 12 und die Ausgangsklemmen 13, 14 geschaltet und sind jeweils parallel zueinander geschaltet. Die Anzahl m der ersten Wandlerstufen kann gleich der Anzahl n der zweiten Wandlerstufen sein. Die Anzahlen m, n der Wandlerstufen können jedoch auch unterschiedlich sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel gibt es weniger erste Wandlerstufen, die bei einem geringen Leistungsverbrauch der Last Z hauptsächlich den Ausgangsstrom Iout bereitstellen, als zweite Wandlerstufen, die bei hohem Leistungsverbrauch der Last Z hauptsächlich den Ausgangsstrom Iout bereitstellen.
Bezugnehmend auf 3 kann die Steuerschaltung 40 dazu ausgebildet sein, ein Steuersignal DC20₁, DC20_m, DC30₁, DC30_n für jede einzelne Wandlerstufe 201–30n bereitzustellen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die ersten Wandlerstufen 201, 20m und die zweiten Wandlerstufen 301, 30n mit jeweils identischen Wandlertopologien implementiert. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 40 dazu ausgebildet sein, den ersten Wandlerstufen 201, 20m sowie den zweiten Wandlerstufen 301, 30n jeweils ein gemeinsames Steuersignal bereitzustellen.
Die ersten Wandlerstufen 201, 20m stellen gemeinsam den ersten Ausgangsstrom I20 bereit, d. h.:
und die zweiten Wandlerstufen 301, 30n stellen gemeinsam den zweiten Ausgangsstrom I30 bereit, d. h.:
Die vorangehenden Erläuterungen bezüglich der Beziehung zwischen dem ersten Ausgangsstrom I20 und dem zweiten Ausgangsstrom I30 in Abhängigkeit von dem gesamten Ausgangsstrom Iout gilt entsprechend für den ersten Ausgangsstrom I20, der von den mehreren ersten Wandlerstufen 201, 20m bereitgestellt wird, und für den zweiten Ausgangsstrom I30 der von den mehreren zweiten Wandlerstufen 301, 30n bereitgestellt wird.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 4 dazu ausgebildet, die einzelnen ersten Wandlerstufen 201, 20m so anzusteuern, dass sie jeweils gleiche Anteile des ersten Ausgangsstroms I20 bereitstellen, so dass: I20_i = I20 / m (4), wobei I20_i einen der Ausgangsströme I20₁, I20_m der ersten Wandlerstufen 201, 20m repräsentiert. Entsprechend steuert die Steuerschaltung 4 die einzelnen Wandlerstufen 301, 30n so, dass sie gleiche Anteile des zweiten Ausgangsstroms I30 bereitstellen, so dass: I30j = I30 / n (5) wobei I30_j einen der Ausgangsströme I30₁, I30_n des zweiten Wandlers repräsentiert.
Außerdem, wenn ein Prinzip zum Aufteilen des Stroms gemäß 2B angewendet wird, ist es beispielsweise möglich, die Ströme zwischen den ersten und den zweiten Wandlerstufen gemäß den Gleichungen (4) und (5) aufzuteilen, wenn der Ausgangsstrom innerhalb der ersten und zweiten Ausgangsstrombereiche [Iout_min, Iout₁], [Iout₂, Iout_max] liegt, und es ist weiterhin möglich, den Strom gleichmäßig zwischen den ersten und den zweiten Wandlerstufen aufzuteilen, wenn der Ausgangsstrom Iout innerhalb des dritten Ausgangsstrombereichs [Iout₁, Iout₂] liegt, so dass: I20_i = I30_j = Iout / m+n (6).
4 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Spannungswandlers mit mehreren ersten Wandlerstufen, bei dem der erste Ausgangsstrom I20 für einen Ausgangsstrom Iout innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs nicht gleichmäßig auf die einzelnen Wandlerstufen aufgeteilt wird. 4 zeigt eine Stromverteilung zwischen zwei ersten Wandlerstufen – wobei jede Wandlerstufe einen Ausgangsstrom I20₁, I20_m bereitstellt – innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs [Iout_min, Iout₁]. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 schaltet die Steuerschaltung 4 eine der ersten Wandlerstufen aus, nämlich jene erste Wandlerstufe, die den Ausgangsstrom I20_m bereitstellt, wenn der gesamte Ausgangsstrom Iout eine Sub-Schwelle Iout₁₁ erreicht. Bei dieser Sub-Schwelle Iout₁₁ nimmt der Strom I20_m bis auf Null ab, während der Strom I20₁ ansteigt, um den gesamten Ausgangsstrom Iout zu übernehmen.
Für Ausgangsströme, die größer sind als die Sub-Schwelle Iout₁₁, wird der Ausgangsstrom Iout gleichmäßig auf die beiden ersten Wandlerstufen aufgeteilt; d. h. die Ausgangsströme I20₁, I20_m sind größer als Null. Es sei angemerkt, dass die Darstellung in 4 auf der Annahme basiert, dass der zweite Ausgangsstrom I30 innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs Null ist. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Der zweite Ausgangsstrom I30 kann innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs auch andere Werte als Null annehmen. Die Aufteilung des ersten Ausgangsstroms zwischen den einzelnen ersten Wandlerstufen 201, 20m ändert sich jedoch nicht generell.
Das grundlegende in 4 gezeigte Prinzip des Aufteilens eines Stroms auf zwei ersten Wandlerstufen kann auch bei Spannungswandlern mit mehr als zwei ersten Wandlerstufen angewendet werden. Gemäß diesem Grundprinzip wird für einen Ausgangsstrom Iout innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs eine zunehmende Anzahl erster Wandlerstufen mit abnehmendem Ausgangsstrom Iout abgeschaltet.
Ein Steuerverfahren zum Ein- und Ausschalten von Wandlerstufen kann auch für die zweiten Wandlerstufen angewendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist für Ausgangsströme innerhalb des zweiten Ausgangsstrombereichs [Iout₂, Iout_max] die Anzahl der eingeschalteten Wandlerstufen abhängig von dem Ausgangsstrom Iout, so dass bei steigendem Ausgangsstrom Iout eine steigende Anzahl zweiter Wandlerstufen eingeschaltet wird.
5 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung 4. Die Steuerschaltung 4 weist eine Steuereinheit (Controller) 44 auf, dem eine Referenzspannung Vref und die Ausgangsspannung Vout oder eine von der Ausgangsspannung Vout abhängige Spannung Vout' zugeführt sind. Diese Spannung Vout' ist insbesondere proportional zu der Ausgangsspannung Vout. Die Spannung Vout' wird beispielsweise von einem optionalen ohmschen Spannungsteiler 42 mit ersten und zweiten Teilerwiderständen 421, 422 aus der Ausgangsspannung Vout erzeugt. Die Steuereinheit 44 berechnet eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vout oder der Spannung Vout' und der Referenzspannung Vref und erzeugt ein Steuersignal S44, das repräsentativ ist für die (gewünschte) Ausgangsleistung Pout des Spannungswandlers. Die Steuereinheit 44 umfasst ein Filter zum Filtern der Differenz zwischen den Spannungen Vout oder Vout' und Vref, die dessen Eingangsklemmen zugeführt sind, und zum Erzeugen des Steuersignals S44 aus dieser Differenz. Das in der Steuereinheit 44 implementierte Filter kann ein proportionale (P) Charakeristik, eine integrierende (I) Charakteristik oder eine proportional-integrierende (PI) Charakteristik aufweisen.
Einer Verteilereinheit (engl.: sharing unit) 45, der das Steuersignal S44 für die Ausgangsleistung zugeführt ist, erzeugt die einzelnen Steuersignale für die einzelnen Wandlerstufen des Spannungswandlers. In 5 sind lediglich zwei (DC20, DC30) dieser Steuersignale dargestellt. Die Anzahl von durch die Verteilereinheit 45 bereitgestellten Steuersignalen für die Wandlerstufen kann selbstverständlich mit der Anzahl von parallel geschalteten Wandlerstufen variieren.
Das Steuersignal S44 für die Ausgangsleistung repräsentiert die Ausgangsleistung Pout des Spannungswandlers und ist deshalb repräsentativ für den Ausgangsstrom Iout. Daher kann die Verteilereinheit 45 das Ausgangsleistungs-Steuersignal S44 nutzen, um die Steuersignale DC20, DC30 für die Wandlerstufen so zu erzeugen, dass die Ausgangsleistungen (siehe P20, P30 in 1) den vorangehend erläuterten Beziehungen genügen. Optional wird der Verteilereinheit 45 zusätzlich ein Signal S_Pout zugeführt, das die Ausgangsleistung Pout des Wandlers anzeigt.
Die Wandler mit einer ersten und einer zweiten Wandlerstufe 20, 30 gemäß 1 und der Wandler mit den mehreren ersten Wandlerstufen 201–20m und den mehreren zweiten Wandlerstufen 301–30n sind Mehrphasenwandler.
Konventionelle Mehrphasenwandler weisen mehrere identischer Wandlerstufen auf, die jeweils gleiche Anteile eines Ausgangsstroms bereitstellen. Insbesondere wenn ein Verfahren zum Aufteilen des Stroms gemäß 2B angewendet wird, können die Wandler gemäß den 1 und 4 wie konventionelle Mehrphasenwandler betrieben werden, mit dem Unterschied, dass in den Wandlern gemäß der 1 und 4 die zweite Wandlerstufe 30 oder die zweiten Wandlerstufen 301–30n für einen Ausgangsstrom unterhalb der ersten Schwelle Iout₁ (oder unterhalb der ersten Schwelle Iout₁ abzüglich eines Hysteresewerts) ausgeschaltet werden, und dass die erste Wandlerstufe 20 oder die ersten Wandlerstufen 201–20m für einen Ausgangsstrom oberhalb der zweiten Schwelle Iout₂ ausgeschaltet werden. Wenn mehrere erste und zweite Wandlerstufen vorhanden sind, können die ersten Wandlerstufen 201–20m zu jeweils gleichen Anteilen zu dem Ausgangsstrom Iout beitragen, wenn der Ausgangsstrom in dem ersten Bereich [Iout_min, Iout₁] liegt, und die zweiten Wandlerstufen 301–30n können entsprechend zu jeweils gleichen Anteilen zu dem Ausgangsstrom Iout beitragen, wenn der Ausgangsstrom in dem zweiten Bereich [Iout₂, Iout_max] liegt, und die ersten und zweiten Wandlerstufen können zu jeweils gleichen Anteilen zu dem Ausgangsstrom Iout beitragen, wenn der Ausgangsstrom in dem dritten Bereich [Iout₁, Iout₂] liegt. Es ist selbstverständlich auch möglich, einige der ersten und/oder zweiten Wandlerstufen abhängig von dem Ausgangsstrom Iout auszuschalten.
Die einzelnen Wandlerstufen des Spannungswandlers können mit jeder beliebigen Topologie für Schaltwandler implementiert werden, wie beispielsweise mit einer Tiefsetzsteller-Topologie, einer Hochsetzsteller-Topologie, einer Tiefsetz-Hochsetzsteller-Topologie, einer Sperrwandlertopologie oder einer Flusswandlertopologie. Üblicherweise werden diese Topologien in Abhängigkeit von der gewünschten Beziehung zwischen der Eingangsspannung Vin und der Ausgangsspannung Vout gewählt. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung Vin kleiner ist als eine gewünschte Ausgangsspannung Vout, kann eine Hochsetzsteller-Topologie verwendet werden, während eine Tiefsetzsteller-Topologie Verwendung finden würde, wenn die Eingangsspannung größer ist als die Ausgangsspannung Vout.
6 veranschaulicht schematisch einen Spannungswandler mit einer ersten Wandlerstufe 20 und einer zweiten Wandlerstufe 30, die jeweils mit einer Hochsetzsteller-Topologie implementiert sind. Jede dieser Wandlerstufen 20, 30 umfasst eine Reihenschaltung mit einem induktiven Speicherelement 26, 36 und einem Schaltelement 25, 35, wobei in der ersten Wandlerstufe 20 das Schaltelement 25 als MOSFET implementiert ist, während in der zweiten Wandlerstufe 30 das Schaltelement 35 als IGBT implementiert ist. Diese Reihenschaltung mit dem induktiven Speicherelement 26, 36 und dem Schaltelement 25, 35 ist zwischen die Eingangsklemmen 21, 22 oder 31, 32 der Wandlerstufen 20, 30 geschaltet. Weiterhin ist das induktive Schaltelement 26, 36 in jeder Wandlerstufe 20, 30 in Reihe zu einem Gleichrichterelement 27, 37, wie beispielsweise einer Diode, zwischen eine der Eingangsklemmen und eine der Ausgangsklemmen geschaltet. Wenn das Schaltelement 25, 35 geschlossen ist, fällt die Eingangsspannung Vin über dem induktiven Speicherelement 26, 36 ab, was einen ansteigenden Strom I26, I36 durch das induktive Speicherelement 26, 36 bewirkt. Wenn das Schaltelement 25, 35 daraufhin geöffnet (ausgeschaltet) wird, bewirkt die zuvor in dem induktiven Speicherelement gespeicherte magnetische Energie und die Eingangsspannung Vin einen Strom über das Gleichrichterelement 27, 37. In Hochsetzsteller-Stufen, wie beispielsweise den in 6 dargestellten Hochsetzsteller-Stufen 20, 30, besitzt der Strom I26, I36 durch das induktive Speicherelement 26, 36 einen dreieckförmigen Verlauf. Der Strom steigt an, wenn das Schaltelement 25, 35 eingeschaltet wird und er fällt ab, wenn das Schaltelement 25, 35 ausgeschaltet wird. Der Ausgangsstrom einer Hochsetzsteller-Stufe entspricht dem Strom durch das induktive Speicherelement 26, 36 wenn das Schaltelement 25, 35 ausgeschaltet ist.
Der Spannungswandler weist eine Ausgangsstufe auf, die den einzelnen Wandlerstufen gemeinsam ist. Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weist diese Ausgangsstufe einen Kondensator 15 auf, der die durch die Schaltvorgänge bewirkte Welligkeit in den Ausgangsströmen I20, I30 glättet. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass in den 2 und 4 und in anderen Passagen, die die Beziehung zwischen den ersten und zweiten Strömen I20, I30 betreffen, der Mittelwert bzw. der gleitende Durchschnittswert der Ausgangsströme während wenigstens eines Ansteuerzyklus des jeweiligen Schaltelements 25, 35 gemeint ist. Ein Ansteuerzyklus eines Schaltelements umfasst eine Ein-Periode, während der das Schaltelement 25, 35 eingeschaltet ist, und eine darauffolgende Aus-Periode, während der das Schaltelement 25, 35 ausgeschaltet ist.
Bezugnehmend auf 6 weisen die Wandlerstufen 20, 30 Treiberschaltungen 28, 38 auf, die Treibersignale S25, S35 erzeugen, die die Schaltelemente 25, 35 ein- und ausschalten. Die Treiberschaltungen 28, 38 erzeugen diese Treibersignale S25, S35 in Abhängigkeit der Steuersignale DC20, DC30, die von der Steuerschaltung 4 bereitgestellt werden. Insbesondere stellen die Treiberschaltungen 28, 38 die Tastverhältnisse dieser Treibersignale S25, S35 in Abhängigkeit von den durch die Steuerschaltung 4 bereitgestellten Steuersignalen DC20, DC30 ein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Spannungswandler mit Wandlerstufen, die eine Hochsetzsteller-Topologie aufweisen, wie beispielsweise die in 6 gezeigten Wandlerstufen 20, 30, als ein Leistungsfaktorsteuergerät (Power Factor Controller, PFC) implementiert. Einem derartigen PFC ist eine Eingangswechselspannung Vin zugeführt, die einen dem Betrag einer Sinuskurve entsprechenden Signalverlauf aufweist. Bezugnehmend auf 7 wird eine solche Eingangsspannung Vin aus einer Netzwechselspannung Vn unter Verwendung eines Brückengleichrichters 18 erzeugt.
Es sei angemerkt, dass die einzelnen Wandlerstufen des Spannungswandlers wie übliche getaktete Wandler betrieben werden können, mit dem Unterschied, dass deren Ausgangsspannung von der Steuerschaltung 4, anstatt lediglich von einem von der Ausgangsspannung abhängigen Rückkopplungssignal eingestellt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Treiberschaltungen, wie beispielsweise die Treiberschaltungen 28, 38 der parallel geschalteten Wandlerstufen gemäß 6, dazu ausgebildet, die Treibersignale, wie beispielsweise die Treibersignale S25, S35 gemäß 6, so zu erzeugen, dass diese Treibersignale relativ zueinander phasenverschoben oder interleaved (verschachtelt) sind. Die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Steuersignalen beträgt beispielsweise 360°/(m + n), wobei m + n die Gesamtzahl aller parallel geschalteter Wandlerstufen ist. Die ”Phasenverschiebung” ist die Differenz zwischen dem Schaltzeitpunkt des Schaltelements in einer Wandlerstufe und dem Schaltzeitpunkt des Schaltelements in einer anderen Wandlerstufe. Wenn die Dauer eines Ansteuerzyklus in den einzelnen Wandlerstufen T ist, dann repräsentiert eine Phasenverschiebung von 360°/(m + n) eine Zeitverzögerung von T/(m + n).
Der Spannungswandler ist selbstverständlich nicht darauf beschränkt unter Verwendung von Wandlerstufen mit Hochsetzsteller-Topologie implementiert zu werden. Bezugnehmend auf die 8 bis 10 werden Beispiele von anderen verwendbaren Wandlerstufen beschrieben. Die in den 8 bis 10 erläuterten Topologien können zur Implementierung der ersten und der zweiten Wandlerstufen verwendet werden, mit dem Unterschied, dass das wenigstens eine Schaltelement in der ersten Wandlerstufe als MOSFET und in der zweiten Wandlerstufe als IGBT ausgeführt ist. In den 8 bis 10 ist dieses Schaltelement schematisch als Schalter mit dem Bezugszeichen 5 veranschaulicht. In den 8 bis 10 repräsentieren die Klemmen 1, 2 die Eingangsklemmen und die Klemmen 3, 4 die Ausgangsklemmen der Wandlerstufen, die Treiberschaltung 8 repräsentiert die Treiberschaltung, die das wenigstens eine Schaltelement in den Wandlerstufen ansteuert, S5 repräsentiert das Treibersignal, das von der Treiberschaltung bereitgestellt wird, und DC repräsentiert das Steuersignal, welches der einzelnen Wandlerstufe von der (in 8 nicht gezeigten) Steuerschaltung 4 zugeführt wird.
8 veranschaulicht eine Wandlerstufe 20/30 mit einer Tiefsetzsteller-Topologie. In dieser Wandlerstufe ist eine Reihenschaltung mit dem Schaltelement 5, einem induktiven Speicherelement 6 und einem Gleichrichterelement 7, wie beispielsweise eine Diode, zwischen eine der Eingangsklemmen 1 und eine der Ausgangsklemmen 3 geschaltet. Ein weiteres Gleichrichterelement 9, wie beispielsweise eine Diode, ist in Reihe zu dem induktiven Speicherelement 6 und dem ersten Gleichrichterelement 7 zwischen die Ausgangsklemmen 3, 4 geschaltet. Das zweite Gleichrichterelement 9 arbeitet als Freilaufelement, welches es dem Strom I6 erlaubt, weiter durch das induktive Speicherelement 6 zu fließen, wenn das Schaltelement 5 ausgeschaltet wird.
9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wandlerstufe 20/30, die einer Sperrwandlertopologie aufwest. Diese Wandlerstufe umfasst einen Transformator 6 mit einer Primärwicklung 61 und einer Sekundärwicklung 62, der als induktives Speicherelement verwendet wird. Die Primärwicklung 61 ist in Reihe zu dem Schaltelement 5 geschaltet, wobei die Reihenschaltung mit der Primärwicklung 61 und dem Schaltelement 5 zwischen die Eingangsklemmen 1, 2 geschaltet ist. Die Sekundärwicklung 62 ist induktiv mit der Primärwicklung 61 gekoppelt. Ein Gleichrichterelement 7, wie beispielsweise eine Diode, ist in Reihe zu der Sekundärwicklung 62 geschaltet, wobei die Reihenschaltung mit der Sekundärwicklung 62 und dem Gleichrichterelement zwischen die Ausgangsklemmen 3, 4 geschaltet ist. Das Gleichrichterelement 7 bildet zusammen mit einem Ausgangskondensator 15 eine Gleichrichterschaltung. Der Ausgangskondensator 15 kann den einzelnen parallel geschalteten Wandlerstufen, von denen nur eine in 9 dargestellt ist, gemeinsam sein. In der Sperrwandlerstufe gemäß 9 wird magnetische Energie in der Primärwicklung 61 beim Einschalten des Schaltelements 5 gespeichert. Beim späteren Ausschalten des Schaltelements 5 wird die Energie von der Primärwicklung 61 an die Sekundärwicklung 62 übertragen und bewirkt einen Strom über das Gleichrichterelement 7.
10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wandlerstufe, die als Flusswandler, insbesondere als Flusswandler mit zwei Transistoren (TTF), ausgebildet ist. Dieser Wandler weist einen Transformator 6 mit einer Primärwicklung 61 und einer Sekundärwicklung 62 auf. Während in der Sperrwandlerstufe gemäß 9 die Primärwicklung 61 und die Sekundärwicklung 62 gegensinnig gewickelt sind, sind die Primärwicklung 61 und die Sekundärwicklung 62 des Flusswandlers aus 10 gleichsinnig gewickelt. Die Primärwicklung 61 ist in Reihe zu einem ersten Schaltelement 51 und einem zweiten Schaltelement 52 geschaltet, wobei diese Reihenschaltung mit der Primärwicklung 61 und den ersten und zweiten Schaltelementen 51, 52 zwischen die Eingangsklemmen 1, 2 geschaltet ist. Ein erstes Schaltelement 51 ist zwischen eine erste Eingangsklemme 1 und die Primärwicklung 61 geschaltet, und ein zweites Schaltelement 52 ist zwischen eine zweite Eingangsklemme 2 und eine zweite Klemme der Primärwicklung 61 geschaltet. In einer ersten Wandlerstufe sind die Schaltelemente 51, 52 als MOSFETs implementiert, während diese Schaltelemente 51, 52 in einer zweiten Wandlerstufe als IGBTs implementiert sind. Die Schaltelemente 51, 52 werden von einem Treibersignal S5 ein- und ausgeschaltet, das von der Treiberschaltung 8 in Abhängigkeit von dem Steuersignal DC erzeugt wird. Wenn die Schaltelemente 51, 52 geschlossen sind, liegt die Eingangsspannung Vin an der Primärwicklung 61 an, was einen ansteigenden Strom I61 durch die Primärwicklung 61 bewirkt. Wenn die Schaltelemente 51, 52 ausgeschaltet werden, ermöglichen die Gleichrichterelemente 91, 92 weiterhin einen Stromfluss durch die Primärwicklung 61. Ein erstes Gleichrichterelement 91 ist zwischen die erste Klemme der Primärwicklung 61 und die zweite Eingangsklemme 2 geschaltet, und ein zweites Gleichrichterelement 92, ist zwischen die zweite Klemme der Primärwicklung 61 und die erste Eingangsklemme 1 geschaltet. Diese Gleichrichterelemente sind beispielsweise als Dioden implementiert, die so verschaltet sind, dass sie bei eingeschalteten Schaltelementen 51, 52 in Sperrrichtung gepolt sind.
Die Sekundärwicklung 62 des Flusswandlers ist in Reihe zu einem Gleichrichterelement 7 geschaltet, wobei die Reihenschaltung mit der Sekundärwicklung 62 und dem Gleichrichterelement 7 zwischen die Ausgangsklemmen 3, 4 geschaltet ist. Ein weiteres Gleichrichterelement 93, wie beispielsweise eine Diode, ist parallel zu der Sekundärwicklung 62 geschaltet.
In 10 ist neben dem Flusswandler auch eine mögliche Ausgangsstufe eines Spannungswandlers mit Flusswandlern dargestellt. Neben dem Ausgangskondensator 15 weist diese Ausgangsstufe ein weiteres induktives Speicherelement 16 auf, das zwischen eine der Ausgangsklemmen 3 der Wandlerstufen und eine der Ausgangsklemmen 13 des Spannungswandlers geschaltet ist. Ein Gleichrichterelement 17, wie etwa eine Diode, ist in Reihe zu dem induktiven Speicherelement 16 geschaltet. Optional ist ein weiteres Gleichrichterelement 17, wie beispielsweise eine Diode, zwischen den Ausgangskondensator 15 und die Ausgangsklemme 13 geschaltet sein. Diese Diode ermöglicht eine Hot-Plug-In-Funktion des Wandlers.
Die einzelnen Wandlerstufen, die jeweils als getaktete Wandlerstufen implementiert sind, können wie herkömmliche getaktete Wandler betrieben werden, d. h., sie können in einem von verschiedenen für getaktete Wandler verfügbaren Betriebsmodi, betrieben werden. Drei verschiedene Betriebsmodi und Mittel zum Einstellen der Ausgangsleistung der Wandlerstufen in diesen drei verschiedenen Betriebsmodi werden nunmehr unter Bezugnahme auf die 11 bis 13 erläutert. I_L repräsentiert in den 11 bis 13 den Strom durch die induktiven Speicherelemente 26, 36 gemäß 6, den Strom durch das induktive Speicherelement 6 gemäß 8, die Summe der Ströme durch die Primärwicklung 61 und die Sekundärwicklung 62 gemäß 9 und den Strom durch die Primärwicklung 61 gemäß 10. In den 11 bis 13 repräsentiert ein High-Pegel des Treibersignals S5 einen Ein-Pegel, der vorliegt wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, und ein Low-Pegel des Treibersignals repräsentiert einen Aus-Pegel, der vorliegt, wenn das Schaltelement ausgeschaltet ist. T ist die Dauer eines Ansteuerzyklus, Ton ist die Dauer einer Einschaltperiode und Toff ist die Dauer einer Ausschaltperiode. Das Taktverhältnis des Treibersignals S5 ist gegeben durch das Verhältnis zwischen der Einschaltperiode Ton und der Dauer T eines Taktzyklus.
11 veranschaulicht den Betrieb eines Spannungswandlers in einem diskontinuierlichen Strombetrieb (DCM). Hierbei wird das Schaltelement periodisch mit einer Frequenz f = 1/T eingeschaltet, d. h., das Treibersignal S5 nimmt periodisch einen Ein-Pegel an. Im DCM wird während der Ausschaltperiode ein Absinken des Stroms durch das induktive Speicherelement bis auf Null zugelassen, bevor das Schaltelement wieder eingeschaltet wird. Die Ausgangsleistung einer im DCM betriebenen Wandlerstufe kann gesteuert werden durch Vergleichen des Stroms durch ein induktives Speicherelement mit einem Schwellenwert und durch Ausschalten des Schaltelements, jedes Mal wenn der ansteigende Strom durch das induktive Speicherelement diesen Schwellenwert erreicht. Der zum Steuern der Ausgangsleistung verwendete Schwellenwert ist beispielsweise das der Spannungswandlerstufe zugeführte Steuersignal DC. In 11 sind zwei verschiedene Werte des Steuersignals dargestellt. Wie 11 zu entnehmen ist, steigt der Spitzenstrom durch das induktive Speicherelement und damit auch der Mittelwert des Ausgangsstroms mit einem ansteigenden Steuersignal DC an, wenn die Wandlerstufen im DCM betrieben werden.
12 veranschaulicht den Betrieb einer Wandlerstufe in einem kontinuierliche Strombetrieb (CCM). Hierbei wird das Schaltelement 5 mit einer Frequenz f = 1/T periodisch eingeschaltet. Im CCM sinkt der Strom durch das induktive Speicherelement nicht auf Null ab, sondern das induktive Schaltelement wird eingeschaltet, bevor der Strom durch das induktive Speicherelement während der Ausschaltperiode auf Null absinken kann. Die Ausgangsleistung und damit auch der Ausgangsstrom können gesteuert werden durch Vergleichen des Stroms durch das induktive Speicherelement mit einem Schwellenwert und beispielsweise durch Ausschalten des Schaltelements, jedes Mal wenn der Strom durch das induktive Speicherelement einen Schwellenwert erreicht. Der Schwellenwert ist beispielsweise das der Wandlerstufe zugeführte Steuersignal DC.
13 veranschaulicht den Betrieb einer Wandlerstufe in einem kritischen Strombetrieb. In diesen Betriebsmodus wird das Schaltelement jedes Mal dann eingeschaltet, wenn der Strom durch das induktive Speicherelement auf Null abfällt. Die Ausgangsleistung kann durch Einstellen der Einschaltperiode gesteuert werden, wobei die Ausgangsleistung für eine gegebene Eingangsspannung Vin mit zunehmender Einschaltdauer ansteigt. Der kritische Strombetrieb wird beispielsweise in Wandlerstufen eingesetzt, die als PFC-Hochsetzstellerstufen ausgebildet sind.
Die Verwendung einer der vorangehend erläuterten Wandlertopologien zur Implementierung der Wandlerstufen und der Betrieb der Wandlerstufen in einem der vorangehend erläuterten Betriebsmodi sind lediglich als Ausführungsbeispiele aufzufassen. Einer der relevanten Aspekte, nämlich das Bereitstellen eines Großteils des Ausgangsstroms durch die wenigstens eine erste Wandlerstufe bei niedrigen Strömen, d. h. bei Strömen innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs, kann unter Verwendung jeder beliebigen Wandlerstufe und unter Anwendung jedes beliebigen Betriebsmodus implementiert werden. Dies gilt auch für einen zweiten relevanten Aspekt, der darin besteht, einen Großteil des Ausgangsstroms durch die wenigstens eine zweite Wandlerstufe bei hohen Strömen, d. h. bei Strömen innerhalb des zweiten Ausgangsstrombereichs, zur Verfügung zu stellen. Das Bereitstellen eines ”Großteils eines Stroms” durch die wenigstens eine erste Wandlerstufe bedeutet, dass der Ausgangsstrom, der von der ersten Wandlerstufe oder von mehreren ersten Wandlerstufen bereitgestellt wird, größer ist als der Ausgangsstrom, der von der zweiten Wandlerstufe oder von mehreren zweiten Wandlerstufen bereitgestellt wird. Entsprechend bedeutet das Bereitstellen eines ”Großteils eines Stroms” durch die wenigstens eine zweite Wandlerstufe, dass der Ausgangsstrom, der von der zweiten Wandlerstufe oder von mehreren zweiten Wandlerstufen bereitgestellt wird, größer ist als der Ausgangsstrom, der von der ersten Wandlerstufe oder von mehreren ersten Wandlerstufen bereitgestellt wird.
Die Wandlerstufen eines Wandlers, wie etwa die Wandlerstufen der in den 1 bis 4 dargestellten Wandler, können in verschiedenen Betriebsmodi, wie etwa den in den 11 und 12 dargestellten Betriebsmodi, betrieben werden. In welchem dieser Modi die Wandlerstufen betrieben werden, kann abhängig von der Eingangsspannung und von dem Leistungsverbrauch der Last sein. Der Wandler ist beispielsweise in einem Leistungsfaktor-Steuergerät (PFC) angeordnet, wobei in diesem Anwendungsfall die einzelnen Wandlerstufen als Wandler mit einer Hochsetzstellertopologie implementiert sind. Ein PFC stellt eine konstante Ausgangsspannung, wie etwa 400 V, aus einer gleichgerichteten Netzspannung (Vn aus 6) bereit. In diesem Anwendungsfall variiert die Eingangsspannung Vin mit einer Frequenz, die zweimal so groß ist wie die Frequenz der Netzspannung zwischen Null und einer Spitzenspannung, wie etwa 325 V oder 162 V.
Abhängig von dem Leistungsverbrauch der Last können die Wandlerstufen während einer Periode der Eingangsspannung Vin in im DCM oder im CCM betrieben werden, oder die Wandlerstufen können während einer Periode zwischen dem DCM und dem CCM Modus hin- und herschalten, wobei bei niedrigen Werten für die Eingangsspannung die Wandlerstufen im CCM und bei höheren Werten für die Eingangsspannung die Wandlerstufen im DCM betrieben werden. Ob die Wandlerstufen im DCM oder im CCM betrieben werden, wird von der Steuerschaltung 4, 40 gesteuert, um die Ausgangsspannung Vout nämlich weitgehend unabhängig von der Eingangsspannung Vin konstant zu halten.
In Wandlern, wie etwa Wandlern in einem PFC, denen eine periodische Eingangsspannung Vin zugeführt wird, ist es möglich, den Betriebsmodus des Wandlers auszuwerten, um Informationen über den Ausgangsstrom zu erhalten und um zu entscheiden, welche der Wandlerstufen zu dem Ausgangsstrom beitragen soll. Das Auswerten der Betriebsmodi bedeutet, das Auswerten der Zeit, während der die Wandlerstufen im DCM betrieben werden, und der Zeit, während der die Wandlerstufen im CCM betrieben werden. Diese Zeiten werden beispielsweise relativ zu einer Auswerteperiode ermittelt, wobei diese Auswerteperiode wenigstens eine Periode oder ein Vielfaches der Periode der Eingangsspannung umfasst.
Die Zeit, während der die Wandler im DCM betrieben werden, wird im Folgenden als DCM-Zeit bezeichnet, und die Zeit, während der die Wandler im CCM betrieben werden, wird im Folgenden als CCM-Zeit bezeichnet. Die DCM-Zeit und die CCM-Zeit kann in Periodenanteilen der Eingangsspannung Vin ausgedrückt werden, d. h., eine DCM-Zeit von 70% bedeutet beispielsweise, dass die Wandlerstufen 70% der Periodendauer der Eingangsspannung Vin im DCM betrieben werden, wohingegen die Wandlerstufen während 30% der Periodendauer der Eingangsspannung Vin im CCM betrieben werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das auf dem in 2B veranschaulichten Ausführungsbeispiel basiert, ist nur die erste Wandlerstufe 20 oder sind nur die ersten Wandlerstufen 201–20m aktiviert, wenn die DCM-Zeit größer als 60% bis 80% ist (d. h., wenn die CCM-Zeit kleiner als 40% bis 20% ist) und wenn die DCM-Zeit insbesondere größer als 70% ist. Das entspricht der ersten Schwelle Iout₁ in 2B. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist lediglich die zweite Wandlerstufe 30 oder sind lediglich die zweiten Wandlerstufen 301–30n aktiviert, wenn die DCM-Zeit kleiner ist als 30% bis 0% (d. h., wenn die CCM-Zeit größer ist als 70% bis 100%) und wenn die DCM-Zeit insbesondere kleiner ist als 10%. Dies entspricht der Schwelle Iout₂ in 2B. Für CCM-Zeiten zwischen diesen Schwellen sind sowohl die ersten als auch die zweiten Wandlerstufen aktiviert.
Bezugnehmend auf 6, in der Hochsetzstellerstufen veranschaulicht sind, und auf 12, in der der Betrieb von Wandlerstufen im CCM veranschaulicht ist, fällt der Strom durch die Dioden 27, 37 nicht auf Null ab, wenn die Transistoren 25, 35 eingeschaltet sind, während im DCM der Strom durch die Dioden 27, 37 Null ist, wenn die Transistoren 25, 35 eingeschaltet werden. Bei jedem Einschalten der Transistoren 25, 35 sind die Dioden 27, 37 in Sperrrichtung gepolt. Wenn die Dioden in Durchlassrichtung gepolt sind, liegt ein Ladungsträgerplasma mit Elektronen und Löchern in den Dioden vor, wobei dieses Ladungsträgerplasma, welches einer in den Dioden gespeicherten elektrischen Ladung entspricht, aus der jeweiligen Diode entfernt werden muss, bevor diese sperrt. Insbesondere eine Diode auf Siliziumbasis (Si) weist eine relativ lange Verzögerungszeit (Latenzzeit) zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Diode in Sperrrichtung gepolt wird, und dem Sperrzeitpunkt auf. Diese Verzögerungszeit führt zu Verlusten. Eine in Siliziumkarbid-Technologie (SiC) implementierte Diode hat eine erheblich geringere Verzögerungszeit und verursacht deshalb weniger Verluste. Eine SiC-Diode ist jedoch teurer. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Diode 27 in der ersten (MOSFET-)Wandlerstufe 20 als Si-Diode implementiert, da diese Stufe hauptsächlich im DCM betrieben wird, wohingegen die Diode 37 in der zweiten (IGBT-)Wandlerstufe 30 als SiC-Diode implementiert ist, da diese Stufe hauptsächlich im CCM betrieben wird.
Schließlich sei angemerkt, dass die vorangehend im Kontext eines Ausführungsbeispiels erläuterten Merkmale mit Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels kombiniert werden können, auch wenn dies nicht explizit erläutert wurde.

Claims

Spannungswandler, der aufweist: Eingangsklemmen (11, 12), die zum Anlegen einer Eingangsspannung (Vin) ausgebildet sind; Ausgangsklemmen (13, 14), die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangsspannung (Vout) und einen Ausgangsstrom (Iout) bereitzustellen; wenigstens eine erste Wandlerstufe (20), die zwischen die Eingangsklemmen (11, 12) und die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt, die wenigstens einen unipolaren Transistor (25) aufweist und die dazu ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrom (I20) bereitzustellen; wenigstens eine zweite Wandlerstufe (30), die zwischen die Eingangsklemmen (11, 12) und die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt, die wenigstens einen Bipolartransistor aufweist und die dazu ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrom (I30) bereitzustellen; und eine Steuerschaltung (40), die dazu ausgebildet ist, den ersten Ausgangsstrom (I20) und den zweiten Ausgangsstrom (I30) so zu steuern, dass ein erster Ausgangsstrombereich vorliegt, in dem der erste Ausgangsstrom (I20) größer ist als der zweite Ausgangsstrom (I30).
Spannungswandler nach Anspruch 1, bei dem der zweite Ausgangsstrom (I30) in dem ersten Ausgangsstrombereich Null ist.
Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, der dazu ausgebildet ist, einen maximalen Ausgangsstrom (Iout_max) bereitzustellen, wobei der erste Ausgangsstrombereich von einem Minimalstrom (Iout_min) bis hin zu zwischen 10% und 50% des Maximalstroms (Iout_max) reicht.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein zweiter Ausgangsstrombereich vorhanden ist, der Ausgangsströme aufweist, die größer sind als Ströme des ersten Ausgangsstrombereichs liegen, wobei die Steuerschaltung (40) dazu ausgebildet ist, den ersten Ausgangsstrom (I20) und den zweiten Ausgangsstrom (I30) so zu steuern, dass innerhalb des zweiten Ausgangsstrombereichs der zweite Ausgangsstrom (I30) größer ist als der erste Ausgangsstrom (I20).
Spannungswandler nach Anspruch 4, bei dem der erste Ausgangsstrom (I20) in dem zweiten Ausgangsstrombereich Null ist.
Spannungswandler nach Anspruch 4 oder, bei dem der zweite Ausgangsstrombereich von zwischen 10% und 80% des Maximalstromes (Iout_max) bis zu dem Maximalstrom (Iout_max) reicht.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem ein dritter Ausgangsstrombereich vorhanden ist, der Ausgangsströme aufweist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsstrombereich liegen, wobei innerhalb dieses dritten Ausgangsstrombereichs der erste Ausgangsstrom (I20) entweder konstant ist oder abnimmt und der zweite Ausgangsstrom mit zunehmendem Ausgangsstrom des Spannungswandlers ansteigt.
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem ein dritter Ausgangstrombereich vorhanden ist, der Ausgangsströme aufweist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsstrombereich liegen, wobei innerhalb dieses dritten Ausgangsstrombereichs die ersten und zweiten Ausgangsströme gleich sind.
Spannungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens eine erste Wandlerstufe (20) und die wenigstens zweite Wandlerstufe (30) identische Wandlertopologien aufweisen.
Spannungswandler gemäß Anspruch 9, bei dem die Wandlerstufen eine Tiefsetzstellertopologie, eine Hochsetzstellertopologie, eine Tiefsetzsteller-Hochsetzstellertopologie oder eine Flusswandlertopologie aufweisen.
Spannungswandler nach einem der vorangehenden Anspruch, die weiterhin aufweist: eine erste Wandlerstufe (20) und eine zweite Wandlerstufe (30).
Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, der weiterhin aufweist: eine Vielzahl von m ersten Wandlerstufen (201, 20m), wobei m > 1, die zusammen den ersten Ausgangsstrom (I20) bereitstellen, und eine Vielzahl von n zweiten Wandlerstufen (301, 30n), wobei n > 1, die zusammen den zweiten Ausgangsstrom (I30) bereitstellen.
Spannungswandler nach Anspruch 12, bei dem die ersten Wandlerstufen (201, 20m) wenigstens annähernd gleiche Ausgangsströme bereitstellen und bei dem die zweiten Wandlerstufen (301, 30n) wenigstens annähernd gleiche Ausgangsströme bereitstellen.
Spannungswandler nach Anspruch 12, bei dem die Steuerschaltung (40) weiterhin dazu ausgebildet ist, jede der ersten Wandlerstufen (201, 20m) einzeln auszuschalten und bei dem die Steuerschaltung (40) dazu ausgebildet ist eine zunehmende Anzahl von ersten Wandlerstufen (201, 20m) mit abnehmendem Ausgangsstrom innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs auszuschalten.
Spannungswandlungsverfahren, das aufweist: Bereitstellen eines Spannungswandlers mit Eingangsklemmen (11, 12), die zum Anlegen einer Eingangsspannung (Vin) ausgebildet sind, Ausgangsklemmen (13, 14), die dazu ausgebildet sind, eine Ausgangsspannung (Vout) und einen Ausgangsstrom (Iout) bereitzustellen, wenigstens einer ersten Wandlerstufe (20), die zwischen die Eingangsklemmen (11, 12) und die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt, die wenigstens einen unipolaren Transistor (25) aufweist und die dazu ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrom (I20) bereitzustellen, wenigstens einer zweiten Wandlerstufe (30), die zwischen die Eingangsklemmen (11, 12) und die Ausgangsklemmen (13, 14) gekoppelt, die wenigstens einen Bipolartransistor aufweist und die dazu ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrom (I30) bereitzustellen, wobei das Verfahren weiterhin aufweist: Steuern des ersten und des zweiten Ausgangsstroms (I20, I30) derart, dass ein erster Ausgangsstrombereich vorhanden ist, in dem der erste Ausgangsstrom (I20) größer ist als der zweite Ausgangsstrom (I30).
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der zweite Ausgangsstrom (I20) innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs Null ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, das dazu ausgebildet ist, einen maximalen Ausgangsstrom (Iout_max) bereitzustellen, wobei der erste Ausgangsstrombereich von einem Minimalstrom (Iout_min) bis hin zu zwischen 10% und 50% des Maximalstroms (Iout_max) reicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem ein zweiter Ausgangsstrombereich vorhanden ist, der Ausgangsströme aufweist, die größer sind als Ströme des ersten Ausgangsstrombereichs liegen, wobei die Steuerschaltung (40) dazu ausgebildet ist, den ersten Ausgangsstrom (I20) und den zweiten Ausgangsstrom (I30) so zu steuern, dass innerhalb des zweiten Ausgangsstrombereichs der zweite Ausgangsstrom (I30) größer ist als der erste Ausgangsstrom (I20).
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der zweite Ausgangsstrom (I30) innerhalb des zweiten Ausgangsstrombereichs Null ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der zweite Ausgangsstrombereich von zwischen 10% und 80% des Maximalstromes (Iout_max) bis zu dem Maximalstrom (Iout_max) reicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei dem ein dritter Ausgangsstrombereich vorhanden ist, der Ausgangsströme aufweist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsstrombereich liegen, wobei innerhalb dieses dritten Ausgangsstrombereichs der erste Ausgangsstrom (I20) entweder konstant ist oder abnimmt und der zweite Ausgangsstrom mit zunehmendem Ausgangsstrom des Spannungswandlers ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem der Spannungswandler weiterhin aufweist: eine erste Wandlerstufe und eine zweite Wandlerstufe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem der Spannungswandler weiterhin aufweist: eine Vielzahl von m ersten Wandlerstufen (201, 20m), wobei m > 1, die zusammen den ersten Ausgangsstrom (I20) bereitstellen, und eine Vielzahl von n zweiten Wandlerstufen (301, 30n), wobei n > 1, die zusammen den zweiten Ausgangsstrom (I30) bereitstellen.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die ersten Wandlerstufen (201, 20m) wenigstens annähernd gleiche Ausgangsströme bereitstellen und bei dem die zweiten Wandlerstufen (301, 30n) wenigstens annähernd gleiche Ausgangsströme bereitstellen.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem die Steuerschaltung (40) weiterhin dazu ausgebildet ist, jede der ersten Wandlerstufen (201, 20m) einzeln auszuschalten und bei dem die Steuerschaltung (40) dazu ausgebildet ist eine zunehmende Anzahl von ersten Wandlerstufen (201, 20m) mit abnehmendem Ausgangsstrom innerhalb des ersten Ausgangsstrombereichs auszuschalten.