DE102011083884A1

DE102011083884A1 - Sperrwandler mit einer adaptiv geregelten Gleichrichteranordnung

Info

Publication number: DE102011083884A1
Application number: DE102011083884A
Authority: DE
Inventors: Werner Rössler; Michael Hausmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-04-05
Also published as: US20120081928A1; CN102447394A; US8611109B2; CN102447394B

Abstract

Beschrieben wird ein Sperrwandler, eine Sperrwandleranordnung und Verfahren zum Betreiben eines Sperrwandlers. Der Sperrwandler umfasst: Eingangsanschlüsse (101, 102) und Ausgangsanschlüsse (103, 104); einen Transformator (4) mit einer ersten Wicklung (41) und einer zweiten Wicklung (42), die induktiv gekoppelt sind; ein erstes Schaltelement (1), das derart in Reihe zu der ersten Wicklung (41) geschaltet ist, dass eine erste Reihenschaltung mit dem ersten Schaltelement (1) und der ersten Wicklung (41) zwischen die Eingangsanschlüsse (101, 102) gekoppelt ist; eine Gleichrichteranordnung (2), die derart in Reihe zu der zweiten Wicklung (42) geschaltet ist, dass eine Reihenschaltung mit der Gleichrichteranordnung (2) und der zweiten Wicklung (42) zwischen die Ausgangsanschlüsse (103, 104) gekoppelt ist, wobei die Gleichrichteranordnung (2) ein zweites Schaltelement (21) aufweist; eine Steuerschaltung (3), die dazu ausgebildet ist, während eines Ansteuerzyklus das erste Schaltelement (1) für eine erste Zeitdauer (T1) einzuschalten, nach d(21) für eine zweite Zeitdauer (T2) einzuschalten, eine dritte Zeitdauer (T3) zwischen einem Ende der zweiten Zeitdauer (T2) und einem Zeitpunkt, zu dem der Transformator (4) einen vorgegebenen Transformatorzustand annimmt, zu ermitteln, wobei die Steuerschaltung (3) außerdem dazu ausgebildet ist, die während eines nachfolgenden Ansteuerzyklus anzuwendende zweite Zeitdauer (T2) abhängig von der während des einen Ansteuerzyklus angewendeten zweiten Zeitdauer (T2) und abhängig von der während des einen Ansteuerzyklus ermittelten dritten Zeitdauer (T3) anzupassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sperrwandler und ein Verfahren zum Betreiben eines Sperrwandlers.
Sperrwandler sind im Bereich der Spannungswandlung weit verbreitet. Sperrwandler können auch in Ladungsausgleichssystemen (engl: charge balancing systems) verwendet werden, die elektrische Ladung zwischen Ladungsspeicherzellen, wie beispielsweise Akkumulatorzellen, in einem Ladungsspeichersystem, wie beispielsweise einem Akkumulator, ausgleichen. Ein Sperrwandler umfasst Eingangsanschlüsse zum Anlegen einer Eingangsspannung, Ausgangsanschlüsse zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung und Anschließen einer Last und einen Transformator mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung. Ein Schaltelement ist in Reihe zu der ersten Wicklung geschaltet und ein Gleichrichterelement ist in Reihe zu der zweiten Wicklung geschaltet, wobei eine erste Reihenschaltung mit dem Schaltelement und der ersten Wicklung zwischen die Eingangsanschlüsse geschaltet ist und eine zweite Reihenschaltung mit der zweiten Wicklung und dem Gleichrichterelement zwischen die Ausgangsanschlüsse geschaltet ist. Das Schaltelement kann ein- und ausgeschaltet werden. Wenn das Schaltelement eingeschaltet ist, wird Energie induktiv in dem Transformator gespeichert. Diese Energie wird über die zweite Wicklung und das Gleichrichterelement an die Ausgangsanschlüsse übertragen, wenn das Schaltelement anschließend ausgeschaltet wird.
Das Gleichrichterelement kann als Diode ausgebildet sein, oder kann als Synchrongleichrichter ausgebildet sein, der ein zweites Schaltelement aufweist. Das Schaltelement des Synchrongleichrichters wird während solcher Zeitdauern eingeschaltet, während der das Schaltelement, das in Reihe zu der ersten Wicklung geschaltet ist, ausgeschaltet ist und solange Energie in dem Transformator gespeichert ist. Üblicherweise weist ein als Synchrongleichrichter ausgebildetes Gleichrichterelement geringere Verluste auf, als ein als Diode ausgebildetes Gleichrichterelement. Allerdings erfordert ein Synchrongleichrichter eine exakte Steuerung der Einschaltdauern und der Ausschaltdauern des zweiten Schaltelements, um Leistungsverluste zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sperrwandler zur Verfügung zu stellen, der geringe Schaltverluste besitzt, und ein Verfahren zum Steuern eines Sperrwandlers zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Sperrwandler gemäß den Ansprüchen 1 und 10 und durch ein Verfahren zum Betreiben eines Sperrwandlers gemäß Anspruch 13 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Sperrwandler, der Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse und einen Transformator mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung, die induktiv gekoppelt sind, aufweist. Ein erstes Schaltelement ist derart in Reihe zu der ersten Wicklung geschaltet, dass eine erste Reihenschaltung mit dem ersten Schaltelement und der ersten Wicklung zwischen die Eingangsanschlüsse gekoppelt ist. Eine Gleichrichteranordnung ist derart in Reihe zu der zweiten Wicklung geschaltet, dass eine zweite Reihenschaltung mit der Gleichrichteranordnung und der zweiten Wicklung zwischen die Ausgangsanschlüsse gekoppelt ist, wobei die Gleichrichteranordnung ein zweites Schaltelement aufweist. Der Sperrwandler weist außerdem eine Steuerschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, während eines Ansteuerzyklusses das erste Schaltelement für eine erste Zeitdauer einzuschalten, nach der ersten Zeitdauer das zweite Schaltelement für eine zweite Zeitdauer einzuschalten, und eine dritte Zeitdauer zwischen einem Ende der zweiten Zeitdauer und einem Zeitpunkt, zu dem der Transformator einen vorgegebenen Transformatorzustand annimmt, zu ermitteln. Die Steuerschaltung ist außerdem dazu ausgebildet, die zweite Zeitdauer, die in einem nachfolgenden Ansteuerzyklus angewendet wird, abhängig von der in dem einen Ansteuerzyklus angewendeten zweiten Zeitdauer und abhängig von der in dem einen Ansteuerzyklus ermittelten dritten Zeitdauer anzupassen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft eine Sperrwandleranordnung mit einem Paar von Eingangsanschlüssen und n Paaren von Ausgangsanschlüssen, wobei n > 1, und einen Transformator mit einer ersten Wicklung und mit n zweiten Wicklungen, die induktiv mit der ersten Wicklung gekoppelt sind. Ein erstes Schaltelement ist derart in Reihe zu der ersten Wicklung geschaltet, dass eine erste Reihenschaltung mit dem ersten Schaltelement und der ersten Wicklung zwischen die Eingangsanschlüsse gekoppelt ist. Die Sperrwandleranordnung weist außerdem n Gleichrichteranordnungen auf, wobei jede Gleichrichteranordnung in Reihe zu einer zweiten Wicklung geschaltet ist, um mehrere zweite Reihenschaltungen zu bilden, wobei jede zweite Reihenschaltung, die eine der mehreren zweiten Wicklungen und eine der mehreren Gleichrichteranordnungen aufweist, zwischen eines der mehreren Paare von Ausgangsanschlüssen geschaltet ist, wobei jede Gleichrichteranordnung ein zweites Schaltelement aufweist. Die Sperrwandleranordnung weist außerdem eine Steuerschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, in einem Ansteuerzyklus das erste Schaltelement für eine erste Zeitdauer einzuschalten, nach der ersten Zeitdauer eines der mehreren zweiten Schaltelemente für eine zweite Zeitdauer einzuschalten, und eine dritte Zeitdauer zwischen einem Ende der zweiten Zeitdauer und einem Zeitpunkt, zu dem der Transformator einen vorgegebenen Transformatorzustand annimmt, zu ermitteln. Die Steuerschaltung ist außerdem dazu ausgebildet, die zweite Zeitdauer die einem der zweiten Schaltelemente zugeordnet ist, in einem nachfolgenden Ansteuerzyklus abhängig von der in dem einen Ansteuerzyklus angewendeten zweiten Zeitdauer und der in dem einen Ansteuerzyklus ermittelten dritten Zeitdauer anzupassen.
Ein drittes Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sperrwandlers, der Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse und einen Transformator mit einer ersten und einer zweiten Wicklung, die induktiv gekoppelt sind, aufweist. Der Sperrwandler umfasst außerdem ein erstes Schaltelement, das in Reihe zu der ersten Wicklung geschaltet ist, wobei eine erste Reihenschaltung mit dem ersten Schaltelement und der ersten Wicklung zwischen die Eingangsanschlüsse gekoppelt ist, und eine in Reihe zu der zweiten Wicklung geschaltete Gleichrichteranordnung auf, wobei eine zweite Reihenschaltung mit der Gleichrichteranordnung und der zweiten Wicklung zwischen die Ausgangsanschlüsse gekoppelt ist, wobei die Gleichrichteranordnung ein zweites Schaltelement aufweist. Das Verfahren umfasst das Einschalten des ersten Schaltelements für eine erste Zeitdauer in einem Ansteuerzyklus, das Einschalten des zweiten Schaltelements für eine zweite Zeitdauer nach der ersten Zeitdauer, das Ermitteln einer dritten Zeitdauer zwischen einem Ende der zweiten Zeitdauer und einem Zeitpunkt, zu dem der Transformator einen vorgegebenen Transformatorzustand annimmt, und das Anpassen der zweiten Zeitdauer, die in einem nachfolgenden Ansteuerzyklus anzuwenden ist, abhängig von der in dem einen Ansteuerzyklus angewendeten zweiten Zeitdauer und der in dem einen Ansteuerzyklus ermittelten dritten Zeitdauer.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur solche Merkmale dargestellt sind, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind. Die Figuren sind nicht maßstabsgerecht. In den Figuren bezeichnen, sofern nichts anderes angegeben ist, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers, der einen Transformator mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung und eine in Reihe zu der zweiten Wicklung geschaltete Gleichrichteranordnung aufweist.
2 veranschaulicht die Grundkonfiguration einer Gleichrichteranordnung.
3 zeigt Zeitverläufe, die das Funktionsprinzip des Sperrwandlers gemäß 1 veranschaulichen.
4 veranschaulicht ein Verfahren zum Anpassen der Einschaltdauer eines Schaltelements in der Gleichrichteranordnung.
5 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers.
6 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung eines Sperrwandlers.
7 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers, der einen Transformator mit einer ersten Wicklung und mehreren zweiten Wicklungen und in Reihe zu den zweiten Wicklungen geschaltete Gleichrichteranordnungen aufweist.
1 veranschaulicht schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers. Der Sperrwandler weist ein Paar von Eingangsanschlüssen 101, 102 zum Anlegen einer Eingangsspannung Vin auf. Die Eingangsspannung Vin ist insbesondere eine Gleichspannung, die durch eine beliebige geeignete Gleichspannungsquelle zur Verfügung gestellt werden kann. Eine Gleichspannungsquelle ist beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator (Akku). Der Sperrwandler umfasst außerdem ein Paar von Ausgangsanschlüssen 103, 104 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung Vout. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein kapazitives Ladungsspeicherelement 5, wie beispielsweise ein Kondensator, ein Akkumulator oder eine Akkumulatorzelle, zwischen die Ausgangsanschlüsse 103, 104 geschaltet.
Der Wandler umfasst außerdem einen Transformator 4 mit einer ersten Wicklung 41, die nachfolgend auch als Primärwicklung bezeichnet wird, und einer zweiten Wicklung 42, die nachfolgend auch als Sekundärwicklung bezeichnet wird. Ein erstes Schaltelement 1 ist in Reihe zu der Primärwicklung 41 geschaltet, wobei eine erste Reihenschaltung mit der Primärwicklung 41 und dem ersten Schaltelement 1 zwischen die Eingangsanschlüsse 101, 102 gekoppelt bzw. geschaltet ist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Schaltelement 1 als MOSFET, insbesondere als n-MOSFET ausgebildet. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Ein beliebiges anderes elektronisches Schaltelement, wie beispielsweise ein p-MOSFET, ein IGBT oder ein Bipolartransistor kann ebenso verwendet werden.
Die Gleichrichteranordnung 2 ist in Reihe zu der Sekundärwicklung 42 geschaltet, wobei eine zweite Reihenschaltung mit der Sekundärwicklung 42 und der Gleichrichteranordnung 2 zwischen die Ausgangsanschlüsse 103, 104 gekoppelt bzw. geschaltet ist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gleichrichteranordnung 2 als MOSFET, insbesondere als n-MOSFET ausgebildet bzw. weist einen MOSFET auf.
Bezugnehmend auf 2 weist die Gleichrichteranordnung 2 allgemein ein Schaltelement 21 und ein Gleichrichterelement 22, das parallel zu dem Schaltelement 21 geschaltet ist, auf. Das Gleichrichterelement 22 ist beispielsweise eine Diode. Ein Schaltelement 21 und eine parallele Diode 22 sind in dem n-MOSFET gemäß 1 inhärent vorhanden, wobei die Diode 22 in diesem Fall als Bodydiode des MOSFET ausgebildet ist und das Schaltelement 21 durch den MOSFET selbst gebildet ist. In anderen Worten: Der MOSFET der Gleichrichteranordnung 2 ist ein Schaltelement 21 mit einer integrierten Diode 22. Das Schaltelement 21 der Gleichrichteranordnung 2 wird nachfolgend auch als zweites Schaltelement bezeichnet.
Bei einem n-MOSFET, wie dem in 1 dargestellten MOSFET, ist die Polung der Bodydiode derart, dass ein Strom durch den MOSFET fließen kann, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist und wenn eine positive Spannung zwischen dessen Sourceanschluss S und dessen Drainanschluss D anliegt. Bei einem p-MOSFET kann ein Strom fließen, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist und wenn eine negative Spannung zwischen dem Sourceanschluss S und dem Drainanschluss D anliegt.
Bezugnehmend auf 1 weist der Sperrwandler außerdem eine Steuerschaltung 3 auf, die ein erstes Ansteuersignal S3 erzeugt, das dazu ausgebildet ist, das erste Schaltelement 1 ein- oder auszuschalten, und die ein zweites Ansteuersignal S2 erzeugt, das dazu ausgebildet ist, das zweite Schaltelement 21 ein- oder auszuschalten. Den Schaltelementen 1, 2, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 als MOSFETs ausgebildet sind, sind die Ansteuersignale S1, S2 an deren Ansteuer- oder Gateanschlüssen G zugeführt. Optional sind Treiberschaltungen 61, 62 zwischen die Steuerschaltung 3 und die Schaltelemente 1, 21 geschaltet. Diese Treiberschaltungen 61, 62 sind dazu ausgebildet, die Ansteuersignale S1, S2 auf solche Signalpegel zu verstärken bzw. umzusetzen, die geeignet sind, die ersten und zweiten Schaltelemente 1, 21 anzusteuern. Diese Treiberschaltungen 61, 62 können wie herkömmliche Treiberschaltungen implementiert sein, die dazu ausgebildet sind, Transistoren anzusteuern, wie beispielsweise die ersten und zweiten Transistoren 1, 21 gemäß 1. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind Mittel (nicht dargestellt) zur galvanischen Entkopplung der Steuerschaltung 3 und der Treiberschaltungen 61, 62 zwischen der Steuerschaltung 3 und den Treiberschaltungen 61, 62 angeordnet. Diese Mittel umfassen beispielsweise einen Transformator oder einen Optokoppler, der die Steuersignale S1, S2 von der Steuerschaltung 3 an die Treiberschaltungen 61, 62 überträgt und der ermöglicht, dass die Steuerschaltung 3 einerseits und die Treiberschaltungen 61, 62 andererseits unterschiedliche Referenzpotentiale aufweisen können.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip des Sperrwandlers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 erläutert, in der Zeitverläufe des ersten Ansteuersignals S1, eines ersten Stroms I1 durch das erste Schaltelement 1, einer ersten Spannung V1 über dem ersten Schaltelement 1, des zweiten Ansteuersignals S2 des zweiten Schaltelements 21, eines zweiten Stroms I2 durch das zweite Schaltelement 21 und einer Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 dargestellt sind. Die Zeitverläufe in 3 beginnen zu einem Zeitpunkt t1, zu dem das erste Schaltelement 1 eingeschaltet wird. Das erste Schaltelement 1 wird eingeschaltet, wenn das erste Ansteuersignal S1 einen Ein-Pegel annimmt. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass Ein-Pegel der ersten und zweiten Ansteuersignale S1, S2 hohe (high) Signalpegel sind, während Aus-Pegel, bei denen die Schaltelemente 1, 2 ausgeschaltet werden, niedrige (low) Signalpegel sind. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Der Ein-Pegel könnte abhängig von der Art des Schaltelements auch ein niedriger Signalpegel sein, während der Aus-Pegel auch ein hoher Signalpegel sein könnte.
Bezugnehmend auf 3 wird das erste Schaltelement 1 für eine erste Zeitdauer T1 eingeschaltet, die nachfolgend auch als erste Ein-Dauer bezeichnet wird. Während der ersten Ein-Dauer T1 steigt der erste Strom I1 durch die Primärwicklung 41 an. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass der Spannungsabfall V1 über dem ersten Schaltelement 1 vernachlässigbar ist im Vergleich zu der Eingangsspannung Vin, so dass die Spannung über der Primärwicklung 41 (in 3 nicht dargestellt) annähernd der Eingangsspannung Vin entspricht. Die Primärwicklung 41 und die Sekundärwicklung 42 weisen gegenläufige Wicklungssinne auf, so dass eine Spannung V41 über der Primärwicklung 41 und eine Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 unterschiedliche Vorzeichen bzw. Polaritäten besitzen. Während der ersten Ein-Dauer T1 ist die Spannung V41 über der Primärwicklung 41 eine positive Spannung, so dass die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 eine negative Spannung ist. Das zweite Schaltelement 21 ist während der ersten Ein-Dauer T1 ausgeschaltet. Eine Polung des Gleichrichterelements 22, das bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Bodydiode des MOSFET ist, ist so gewählt, dass während der ersten Ein-Dauer T1 kein Strom durch das Gleichrichterelement 22 fließen kann, d. h. wenn die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 negativ ist. Der zweite Strom I2 ist während der ersten Ein-Dauer T1 daher Null.
Die Gleichrichteranordnung 2, und insbesondere das zweite Schaltelement 21, wird eingeschaltet, nachdem das erste Schaltelement 1 ausgeschaltet wurde. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das zweite Schaltelement 21 zum selben Zeitpunkt t2 eingeschaltet, zu dem das erste Schaltelement 1 ausgeschaltet wird. Es könnte jedoch auch eine Zeitverzögerung (nicht dargestellt) zwischen dem Zeitpunkt t2 des Ausschaltens des ersten Schaltelements 1 und dem Zeitpunkt des Einschaltens des zweiten Schaltelements 21 vorhanden sein.
Wenn das erste Schaltelement 1 ausgeschaltet wird, ändert sich das Vorzeichen der Spannung V41 über der Primärwicklung 41 und die Spannung V1 über dem ersten Schaltelement 1 steigt auf einen Spannungspegel an, der oberhalb der Eingangsspannung Vin liegt. Die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 wechselt ebenfalls ihr Vorzeichen, wobei der Absolutwert der Spannung V42 annähernd der Ausgangsspannung Vout plus einem Spannungsabfall über dem zweiten Schaltelement 21 entspricht. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass der Spannungsabfall über dem eingeschalteten zweiten Schaltelement 21 vernachlässigbar ist im Vergleich zur Ausgangsspannung Vout, so dass die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 annähernd der Ausgangsspannung Vout entspricht. Das zweite Schaltelement wird für eine zweite Zeitdauer T2 eingeschaltet, die bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zu einem dritten Zeitpunkt t3 endet. Während der zweiten Zeitdauer T2 fließt ein zweiter Strom I2 von der Sekundärwicklung 42 zu den Ausgangsanschlüssen 103, 104 bzw. dem kapazitiven Speicherelement 5. Während dieser zweiten Zeitdauer T2 wird die Energie, die zuvor in dem Transformator während der ersten Zeitdauer T1 gespeichert wurde, wenigstens teilweise von dem Transformator 4 an die Ausgangsanschlüsse 103, 104 bzw. das kapazitive Speicherelement 5 übertragen. Die Verwendung des zweiten Schaltelements 21 in Reihe zu der Sekundärwicklung 42 anstelle einer herkömmlichen Diode hat den Vorteil, dass das zweite Schaltelement 21 im eingeschalteten Zustand niedrigere Leistungsverluste besitzt als eine Diode, da der Spannungsabfall über einem Schaltelement, wie beispielsweise einem modernen MOSFET, deutlich geringer ist als die Vorwärtsspannung einer herkömmlichen Diode.
Allerdings erfordert das zweite Schaltelement 21 anders als eine herkömmliche Diode eine aktive Steuerung, um zu verhindern, dass das zweite Schaltelement 21 während solcher Zeitdauern eingeschaltet wird, während der der Transformator die gespeicherte Energie bereits vollständig an das kapazitive Speicherelement 5 übertragen hat. Wenn das zweite Schaltelement 21 während solcher Zeitdauern eingeschaltet würde, würde ein Strom von dem kapazitiven Speicherelement 5 in den Transformator 4 fließen, was zu erhöhten Leistungsverlusten führen würde.
Bezugnehmend auf 3 wird das zweite Schaltelement 2 zu einem dritten Zeitpunkt t3 ausgeschaltet, bevor der zweite Strom I2 auf Null abgesunken ist, d. h. bevor der Transformator 4 die gespeicherte Energie vollständig an die Ausgangsanschlüsse 103, 104 übertragen hat. Wenn das zweite Schaltelement 21 ausgeschaltet wird, ermöglicht das Gleichrichterelement 22, das bei dem MOSFET gemäß 1 die Bodydiode ist, ein Fließen des zweiten Stroms I2. Da die Vorwärtsspannung der Bodydiode höher ist als der Spannungsabfall über dem Schaltelement 21 im eingeschalteten Zustand ist ein leichter Anstieg der Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 und auch der Spannung V41 über der Primärwicklung 41 vorhanden. Nachdem die in dem Transformator 4 gespeicherte Energie an das kapazitive Speicherelement 5 übertragen wurde, sinkt die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 auf Null ab und die Spannung V1 über dem Schaltelement 1 sinkt auf die Eingangsspannung Vin ab. Zu diesem Zeitpunkt verhindert die Bodydiode 22, dass ein Strom von dem Ladungsspeicherelement 5 in die Sekundärwicklung 42 des Transformators fließt. Eine Zeitdauer zwischen dem dritten Zeitpunkt t3, zu dem das zweite Schaltelement 21 ausgeschaltet wird, und einem vierten Zeitpunkt t4, zu dem der zweite Strom I2 auf Null absinkt, wird nachfolgend als dritte Zeitdauer T3 bezeichnet.
Bezugnehmend auf 3 beginnt ein neuer Ansteuerzyklus der ersten und zweiten Schaltelemente 1, 21 zu einem fünften Zeitpunkt t5. Die Dauer T eines Ansteuerzyklus ist bestimmt durch die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem fünften Zeitpunkt t5, wobei in einem Ansteuerzyklus das erste Schaltelement 1 für die erste Zeitdauer T1 eingeschaltet wird und das zweite Schaltelement 21 für die zweite Zeitdauer T2 eingeschaltet wird. In anderen Worten: Innerhalb eines Ansteuerzyklus weist das erste Ansteuersignal S1 einen Signalimpuls mit einer Dauer auf, die der ersten Zeitdauer T1 entspricht, und das zweite Ansteuersignal S2 weist einen Signalimpuls mit einer Dauer auf, die der zweiten Zeitdauer T2 entspricht.
Während jedes Ansteuerzyklus wird elektrische Energie von den Eingangsanschlüssen 101, 102 an die Ausgangsanschlüsse 103, 104 übertragen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind mehrere aufeinander folgende Ansteuerzyklen vorhanden, wobei die Dauern der einzelnen Ansteuerzyklen identisch sind und wobei die erste Ein-Dauer T1 in jedem der einzelnen Ansteuerzyklen identisch ist.
Um die Leistungsverluste zu reduzieren, die auf der Sekundärseite des Transformators 4 auftreten, ist es wünschenswert, die dritte Zeitdauer T3 zu minimieren, während der der zweite Stromfluss I2 durch das Gleichrichterelement 22 der Gleichrichteranordnung 2 fließt. Ein Verfahren zum Minimieren der dritten Zeitdauer T3 oder zum Maximieren der zweiten Zeitdauer T2 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 erläutert, in der einzelne Verfahrensschritte eines solchen Verfahrens dargestellt sind. Die in 4 dargestellten Verfahrensschritte dienen dazu, das Verfahren während eines Ansteuerzyklus zu veranschaulichen. Selbstverständlich kann dieses Verfahren für jeden neuen Ansteuerzyklus wiederholt werden.
In einem ersten Schritt 201 wird das erste Schaltelement 1 für die erste Zeitdauer T1 eingeschaltet. In einem zweiten Schritt 202 wird die Gleichrichteranordnung 2, d. h., genauer das zweite Schaltelement 21 der Gleichrichteranordnung 2, für die zweite Zeitdauer T2 eingeschaltet, und zwar am Ende oder nach dem Ende der ersten Zeitdauer T1. In einem nächsten Schritt 203 wird die dritte Zeitdauer T3 zwischen dem Zeitpunkt des Ausschaltens der Gleichrichteranordnung 2, der dem Ende der zweiten Zeitdauer T2 entspricht, und dem Zeitpunkt, zu dem der Transformator 4 einen vorgegebenen Zustand annimmt, ermittelt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Zeitpunkt des Ausschaltens der Gleichrichteranordnung 2 der dritte Zeitpunkt t3. Der vorgegebene Zustand des Transformators 4 ist beispielsweise ein Zustand, bei dem keine Energie in dem Transformator 4 gespeichert ist. In 3 ist der Zeitpunkt, zu dem der Transformator 4 diesen ”Nullenergie”-Zustand annimmt, der vierte Zeitpunkt t4.
Das Verfahren umfasst außerdem einen Verfahrensschritt 204, bei dem die Zeitdauer T2, für welche die Gleichrichteranordnung 2 in einem nachfolgenden Ansteuerzyklus eingeschaltet werden soll, abhängig von der ermittelten dritten Zeitdauer T3 angepasst wird. Dies wird nachfolgend erläutert.
Nachfolgend bezeichnen T2(i) und T3(i) die zweite und dritte Zeitdauer in einem ersten Ansteuerzyklus i. T2(i + 1) bezeichnet die zweite Zeitdauer in einem späteren zweiten Ansteuerzyklus i + 1. Allgemein ist die zweite Zeitdauer T2(i + 1) in dem zweiten Ansteuerzyklus i + 1 abhängig von der zweiten Zeitdauer T2(i) des ersten Ansteuerzyklus i, d. h.: T2(i + 1) = f(T2(i)) (1).
Mit anderen Worten: T2(i + 1) ist eine Funktion f(.) von T2(i). Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet, die zweite Zeitdauer T2 inkrementell solange zu vergrößern, wie die dritte Zeitdauer T3 größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert T3_th. In diesem Fall gilt: T2(i + 1) = T2(i) + ΔT2, wenn T3(i) > T3_th (2).
ΔT2 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein fest vorgegebener Wert. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ΔT2 eine Funktion der dritten Zeitdauer T3, d. h.: ΔT2 = f(T3(i)) (3).
In diesem Fall ist ΔT2 beispielsweise ein fest vorgegebener Prozentsatz, wie beispielsweise 50% der dritten Zeitdauer T3. Bei diesem Ausführungsbeispiel nimmt die zweite Zeitdauer T2 von Ansteuerzyklus zu Ansteuerzyklus schneller zu, wenn die dritte Zeitdauer T3 eine relativ lange Zeitdauer ist. Bei Beginn des Betriebs des Sperrwandlers wird die zweite Zeitdauer T2 auf einen Anfangswert T2₀ gesetzt. Dieser Anfangswert T2₀ ist beispielsweise ein kleiner Wert, wobei die zweite Zeitdauer T2 dann von Ansteuerzyklus zu Ansteuerzyklus vergrößert wird, um die dritte Zeitdauer T3 zu minimieren. ”Ein kleiner Wert” im Zusammenhang mit dem Anfangswert T2₀ bedeutet, dass T2₀ definitiv kleiner ist als die Zeitdauer, die benötigt wird, den Transformator 4 zu entmagnetisieren, nachdem der Transformator 4 für die (vorgegebene) erste Zeitdauer T1 magnetisiert wurde.
Die zweite Zeitdauer T2 kann in jedem Ansteuerzyklus abhängig von der dritten Zeitdauer T3 angepasst werden, die in dem vorangehenden Ansteuerzyklus ermittelt wurde. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die dritte Zeitdauer T3 nur alle m, mit m > 1, Ansteuerzyklen ausgewertet, so dass die zweite Zeitdauer T2 nur in jedem m-ten Ansteuerzyklus angepasst wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die dritte Zeitdauer T3 während einer Anzahl von aufeinander folgenden Ansteuerzyklen ausgewertet oder bestimmt und die zweite Zeitdauer T2 wird abhängig von diesen während dieser Ansteuerzyklen ermittelten dritten Zeitdauern angepasst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die zweite Zeitdauer T2 beispielsweise abhängig von dem Mittelwert der dritten Zeitdauern T3, die während der Anzahl von Ansteuerzyklen ermittelt wurden, angepasst.
Um den Zeitpunkt zu detektieren, zu dem der Transformator 4 den vorgegebenen Transformatorzustand erreicht, ist die Steuerschaltung 3 beispielsweise dazu ausgebildet, entweder die erste Spannung V1 über dem ersten Schaltelement 1 auszuwerten oder die Spannung V41 über der Primärwicklung 41 auszuwerten oder die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 auszuwerten. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet, die Spannung V1 über dem ersten Schaltelement 1 auszuwerten. Bezugnehmend auf 3 fällt die Spannung V1 auf den Wert der Eingangsspannung Vin ab, wenn der Transformator 4 die darin gespeicherte Energie an die Ausgangsanschlüsse 103, 104 übertragen hat. Die Steuerschaltung 3 ist dazu ausgebildet, die erste Spannung V1 mit einer Schwellenspannung V1th zu vergleichen, wobei das Vorliegen des ”Nullenergie”-Zustands des Transformators 4 detektiert wird, wenn die erste Spannung V1 unter die Schwellenspannung V1th absinkt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 5 dargestellt ist, ist der Steuerschaltung 3 die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 zugeführt und die Steuerschaltung 3 ist dazu ausgebildet, diese Spannung V42 auszuwerten, um den ”Nullenergie”-Zustand des Transformators 4 zu detektieren. Bezugnehmend auf 3 fällt die Spannung V42 auf Null ab, wenn der Transformator 4 den ”Nullenergie”-Zustand erreicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet, die Spannung V42 mit einem zweiten Schwellenwert V42th zu vergleichen, wobei der ”Nullenergie”-Zustand des Transformators 4 detektiert wird, wenn die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 unter den zweiten Schwellenwert V42th absinkt.
Alternativ kann die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet sein, die Spannung V41 über der Primärwicklung 41 auszuwerten. Die Spannung V41 (die in 3 nicht dargestellt ist) ist die Differenz zwischen der Spannung V1 über dem Schaltelement 1 und der Eingangsspannung Vin. Diese Spannung V41 sinkt auf Null ab, wenn der Transformator 4 seinen ”Nullenergie”-Zustand erreicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet, die Spannung V41 mit einem dritten Schwellenwert V41th zu vergleichen, wobei der ”Nullenergie”-Zustand detektiert wird, wenn die Spannung V41 unter den dritten Schwellenwert V41th absinkt.
Die Steuerschaltung 3 kann als analoge oder als digitale Schaltung implementiert sein. Ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Steuerschaltung 3 ist in 6 dargestellt.
Bezugnehmend auf 6 weist die Steuerschaltung 3 einen ersten Impulsgenerator 31 auf, der dazu ausgebildet ist, das erste Ansteuersignal S1 zu erzeugen. Bezugnehmend auf 3 umfasst das erste Ansteuersignal S1 eine Sequenz von Impulsen mit einer Zeitdauer, die der ersten Zeitdauer T1 entspricht. Die Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen ist T, was der Dauer eines Ansteuerzyklus entspricht.
Die Steuerschaltung 3 umfasst außerdem einen zweiten Impulsgenerator 33, der dazu ausgebildet ist, das zweite Ansteuersignal S2 zu erzeugen. Der zweite Impulsgenerator 33 umfasst einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines zweiten Ansteuersignals S2 und zwei Eingangsanschlüsse, nämlich einen ersten Eingangsanschluss zum Zuführen des ersten Ansteuersignals S1 und einen zweiten Eingangsanschluss zum Zuführen eines zweiten Zeitdauersteuersignals S_T2. Das erste Ansteuersignal S1, das dem ersten Eingangsanschluss zugeführt ist, bestimmt den Zeitpunkt, zu dem der zweite Impulsgenerator 33 einen zweiten Signalimpuls erzeugt, und das zweite Zeitdauersteuersignal S_T2 bestimmt die Zeitdauer des Signalimpulses. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Impulsgenerator 33 dazu ausgebildet, einen zweiten Impuls bei jeder fallenden Flanke eines durch den ersten Impulsgenerator 31 erzeugten Impulses zu erzeugen. In diesem Fall wird der zweite Signalimpuls sofort erzeugt, wenn der erste Signalimpuls endet. Das erste Schaltelement 1 ist während der Dauer des Signalimpulses des ersten Ansteuersignals S1 eingeschaltet, und das zweite Schaltelement 21 ist während der Zeitdauer des Signalsimpulses des zweiten Ansteuersignals S2 eingeschaltet, so dass das zweite Schaltelement 2 zum Zeitpunkt des Ausschaltens des ersten Schaltelements 1 eingeschaltet wird.
Optional ist dem ersten Eingang des zweiten Impulsgenerators 33 ein Verzögerungselement 32 vorgeschaltet. Dieses Verzögerungselement 32 verzögert den dem ersten Eingang des zweiten Impulsgenerators 33 zugeführten Signalimpuls, so dass eine Zeitverzögerung zwischen den Ende eines Signalimpulses des ersten Ansteuersignals S1 und der Beginn eines Signalimpulses des zweiten Ansteuersignals S2 vorhanden ist, bzw. dass eine Verzögerungszeit zwischen dem Ausschalten des ersten Schaltelements 1 und dem Einschalten des zweiten Schaltelements 21 vorhanden ist.
Die Steuerschaltung 3 weist außerdem eine Detektionseinheit zum Detektieren des vorgegebenen Zustands des Transformators 4 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 umfasst diese Detektionseinheit einen Komparator 34, dem die Spannung V1 über dem ersten Schaltelement 1 oder die Spannung V42 über der Sekundärwicklung 42 an einem ersten Anschluss zugeführt ist und dem der erste Schwellenwert V1th oder der zweite Schwellenwert V42th an einem zweiten Anschluss zugeführt ist. Der Komparator 34 kann als analoger oder als digitaler Komparator ausgebildet sein. Der erste oder zweite Schwellenwert V1th, V42th kann durch eine beliebige geeignete Schaltung zur Verfügung gesellt werden, die dazu ausgebildet ist, einen Referenzwert zu erzeugen, wie den ersten oder den zweiten Schwellenwert V1th, V42th.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Schwellenwerte V1th, V42th keine festen Werte bzw. keine festen Spannungen, sondern werden abhängig von der ersten Spannung V1 oder der zweiten Spannung V42 während der zweiten Zeitdauer T2 oder der dritten Zeitdauer T3 berechnet. Die erste Schwellenspannung V1th ist beispielsweise: V1th = Vin + (V1max – Vin)·k1 (4a), während die zweite Schwellenspannung V42th beispielsweise ist: V42th = V42max·k42 (4b), wobei V1max und V42max das Maximum der ersten Spannung V1 bzw. der zweiten Spannung V42 während der zweiten oder dritten Zeitdauern T2, T3 ist. k1 und k42 sind feste Gewichtungsfaktoren, die jeweils zwischen 0 und 1 liegen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel betragen diese Gewichtungsfaktoren zwischen 0 und 0,5. Die Eingangsspannung Vin ist entweder bekannt oder kann gemessen werden. Die maximalen Spannungen V1max oder V42max können während der zweiten oder dritten Zeitdauern T2, T3 (vgl. 3) gemessen werden.
Einer Zeitauswerteeinheit 35 sind das zweite Ansteuersignal S2 und ein Ausgangssignal des Komparators 34 zugeführt. Die Zeitauswerteeinheit 35 ist dazu ausgebildet, die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Ausschaltens des zweiten Schaltelements 21, der einem Ende eines Signalimpulses des zweiten Ansteuersignals S2 entspricht, und dem Zeitpunkt, zu dem die Detektionseinheit 34 das Vorliegen des vorgegebenen Zustands des Transformators 4 detektiert, auszuwerten. Das Ausgangssignal des Komparators 34 nimmt einen von zwei verschiedenen Signalpegeln an: einen ersten Signalpegel, wenn der Transformator 4 sich nicht in dem vorgegebenen Transformatorzustand befindet; und einen zweiten Signalpegel, wenn sich der Transformator 4 in dem vorgegebenen Transformatorzustand befindet. Die Zeitauswerteeinheit 35 ist dazu ausgebildet, eine Änderung des Signalpegels des Ausgangssignals des Komparators 34 auszuwerten, um den Zeitpunkt zu detektieren, zu dem der Transformator 4 den vorgegebenen Transformatorzustand erreicht, und um die dritte Zeitdauer T3 zu ermitteln. Die Zeitauswerteeinheit 35 ist beispielsweise als Zähler ausgebildet, der bei einer fallenden Flanke des zweiten Ansteuersignals S2 zu zählen beginnt und der zu zählen aufhört, wenn das Ausgangssignal des Komparators 34 anzeigt, dass der Transformator 4 den vorgegebenen Transformatorzustand erreicht hat. Ein Zählerwert eines solchen Zählers repräsentiert die Zeitdauer T3.
Die Zeitauswerteeinheit 35 erzeugt ein Ausgangssignal S_T3, das die dritte Zeitdauer T3 repräsentiert. Einem Regler 36 ist das dritte Zeitdauersignal S_T3 zugeführt, und der Regler 36 erzeugt das zweite Zeitdauersignal S_T2 abhängig von dem dritten Zeitdauersignal S_T3. Der Regler 36 besitzt eine der zuvor erläuterten Funktionalitäten zum Erzeugen der zweiten Zeitdauer T2 abhängig von der dritten Zeitdauer T3.
7 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers. Dieser Sperrwandler weist eine Vielzahl von n Sekundärwicklungen 421, 422, 423, 42n auf, die induktiv mit der Primärwicklung 41 gekoppelt sind. Der Sperrwandler gemäß 7 umfasst n = 4 zweite Wicklungen bzw. Sekundärwicklungen 421–42n. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel.
Eine Gleichrichteranordnung 21, 22, 23, 2n ist in Reihe zu jeder der Sekundärwicklungen 421–42n geschaltet, wobei jede der Reihenschaltungen mit einer der Sekundärwicklungen 421–42n und einer der Gleichrichteranordnungen 21–2n zwischen eines von n Paaren von Ausgangsanschlüssen geschaltet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist eine erste der Reihenschaltungen zwischen ein erstes Paar 1031, 1041 von Ausgangsanschlüssen geschaltet, eine zweite Reihenschaltung ist zwischen ein zweites Paar 1032, 1042 von Ausgangsanschlüssen geschaltet, eine dritte Reihenschaltung ist zwischen ein drittes Paar 1033, 1043 von Ausgangsanschlüssen geschaltet und eine vierte Reihenschaltung ist zwischen ein viertes Paar 103n, 104n von Ausgangsanschlüssen geschaltet. Bei der Sperrwandleranordnung gemäß 4 sind die zweiten Wicklungen 421–42n und die Gleichrichteranordnungen 21–2n kaskadiert, so dass zwei benachbarte Reihenschaltungen einen Ausgangsanschluss gemeinsam haben, so dass n Paare von Ausgangsanschlüssen durch n + 1 Ausgangsanschlüsse gebildet sind.
Die Sperrwandleranordnung weist eine Steuerschaltung 3 auf, die dazu ausgebildet ist, das erste Schaltelement 1, das in Reihe zu der ersten Wicklung 41 geschaltet ist, anzusteuern und die dazu ausgebildet ist, die Gleichrichteranordnungen 21–2n individuell bzw. jeweils einzeln anzusteuern. Die Steuerschaltung 3 ist dazu ausgebildet, das erste Schaltelement 1 und die Gleichrichteranordnungen 21–2n zyklisch anzusteuern, wobei während jedes Ansteuerzyklus das erste Schaltelement 1 für die erste Zeitdauer T1 eingeschaltet wird und eines der Gleichrichteranordnungen für eine zweite Zeitdauer T2 eingeschaltet wird. Die Steuerschaltung 3 ist dazu ausgebildet, die jeder der Gleichrichteranordnungen 21–2n zugeordnete zweite Zeitdauer individuell anzupassen. Die Steuerschaltung 3 weist beispielsweise einen ersten Impulsgenerator, wie beispielsweise einen ersten Impulsgenerator 31 gemäß 6, und eine Transformatorzustandsdetektionseinheit, wie beispielsweise einen Komparator 34 gemäß 6 auf, und weist für jede der Gleichrichteranordnungen 21–2n einen zweiten Impulsgenerator, einen Regler und eine Zeitauswerteeinheit, wie einen Impulsgenerator 33, einen Regler 36 und eine Zeitauswerteeinheit 35 gemäß 6 auf.
Der Sperrwandler gemäß 7 ist dazu ausgebildet, einen Ladungsausgleich in einer Akkumulatoranordnung zu unterstützen, die mehrere in Reihe geschaltete Akkumulatorzellen 51, 52, 53, 5n aufweist. Die Gesamtanordnung ist zwischen die Eingangsanschlüsse 101, 102 geschaltet und jede der Akkumulatorzellen 51, 52, 53, 5n ist zwischen eines der n Ausgangsanschlusspaare geschaltet. Wenn das erste Schaltelement 1 eingeschaltet wird, wird in einer ersten Phase jedes Ansteuerzyklus der Gesamtanordnung Energie entnommen und in dem Transformator 4 gespeichert. In einer zweiten Phase jedes Ansteuerzyklus, wenn das erste Schaltelement 1 ausgeschaltet ist und die Gleichrichteranordnung 21, 22, 23, 2n einer der Akkumulatorzellen 51, 52, 53, 5n eingeschaltet ist, wird die in dem Transformator 4 gespeicherte Energie in die eine der Akkumulatorzellen 51, 52, 53, 5n zurückgeführt, deren Gleichrichteranordnung 21, 22, 23, 2n eingeschaltet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet, die Spannungen der einzelnen Akkumulatorzellen 51, 52, 53, 5n zu messen und in der zweiten Phase jedes Ansteuerzyklus die Gleichrichteranordnung 21, 22, 23, 2n der Akkumulatorzelle 51, 52, 53, 5n einzuschalten, die im Vergleich zu den Spannungen anderer Akkumulatorzellen die geringste Spannung besitzt. In diesem Fall wird nur die Akkumulatorzelle mit der geringsten Spannung geladen. Dieses Verfahren ermöglicht es, eine einzelne Akkumulatorzelle auf Kosten der Gesamtakkumulatoranordnung selektiv zu laden, um dadurch die Ladungen der einzelnen Akkumulatorzellen auszugleichen bzw. aneinander anzugleichen.
Bei der Sperrwandleranordnung gemäß 7 wird während eines Ansteuerzyklus das erste Schaltelement 1 für die erste Zeitdauer(T1 in 3) eingeschaltet und eine der Gleichrichteranordnungen 21,–2n wird für eine zweite Zeitdauer (T2 in 3) eingeschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet, die zweite Zeitdauer T2 individuell für jede der Gleichrichteranordnungen 21–2n einzustellen. Hierzu können n unterschiedliche zweite Zeitdauern T2₁, T2₂, T2₃, T2_n in der Steuerschaltung gespeichert werden, wobei jede dieser zweiten Zeitdauern T2₁–T2_n einer der Gleichrichteranordnungen 21–2n zugeordnet ist und individuell eingestellt werden kann, d. h. unabhängig von den zweiten Zeitdauern der anderen Gleichrichteranordnungen eingestellt werden kann. Die Einstellung jeder dieser zweiten Zeitdauern T2₁–T2_n kann gemäß einem der zuvor erläuterten Verfahren erfolgen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine der Akkumulatorzellen 51, 52, 53, 5n selektiv zu Gunsten der Gesamt-Akkumulatoranordnung entladen. Hierzu wird die Gleichrichteranordnung 21, 22, 23, 2n, die der zu entladenden Akkumulatorzelle zugeordnet ist, für die erste Zeitdauer T1 eines Schaltzyklus bzw. Ansteuerzyklus eingeschaltet, und das erste Schaltelement 1 wird für die zweite Zeitdauer T2 des Schaltzyklus eingeschaltet. Wenn die Gleichrichteranordnung während der ersten Zeitdauer T1 eingeschaltet ist, wird in der ersten Phase jedes Ansteuerzyklus einer Akkumulatorzelle Energie entnommen. In einer zweiten Phase jedes Ansteuerzyklus, wenn das erste Schaltelement 1 eingeschaltet ist und die Gleichrichteranordnung ausgeschaltet ist, wird die entnommene und in dem Transformator 4 gespeicherte Energie in die Gesamtanordnung zurückgeführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 3 dazu ausgebildet, die Spannungen über den Akkumulatorzellen 51, 52, 53, 5n zu messen und ist dazu ausgebildet, die Akkumulatorzelle selektiv zu entladen, die die höchste Spannung besitzt, um die Ladungen der einzelnen Akkumulatorzellen auszugleichen bzw. aneinander anzugleichen.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, selbst wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde.

Claims

Sperrwandler, der aufweist: Eingangsanschlüsse (101, 102) und Ausgangsanschlüsse (103, 104); einen Transformator (4) mit einer ersten Wicklung (41) und einer zweiten Wicklung (42), die induktiv gekoppelt sind; ein erstes Schaltelement (1), das derart in Reihe zu der ersten Wicklung (41) geschaltet ist, dass eine erste Reihenschaltung mit dem ersten Schaltelement (1) und der ersten Wicklung (41) zwischen die Eingangsanschlüsse (101, 102) gekoppelt ist; eine Gleichrichteranordnung (2), die derart in Reihe zu der zweiten Wicklung (42) geschaltet ist, dass eine Reihenschaltung mit der Gleichrichteranordnung (2) und der zweiten Wicklung (42) zwischen die Ausgangsanschlüsse (103, 104) gekoppelt ist, wobei die Gleichrichteranordnung (2) ein zweites Schaltelement (21) aufweist; eine Steuerschaltung (3), die dazu ausgebildet ist, während eines Ansteuerzyklus das erste Schaltelement (1) für eine erste Zeitdauer (T1) einzuschalten, nach der ersten Zeitdauer (T1) das zweite Schaltelement (21) für eine zweite Zeitdauer (T2) einzuschalten und eine dritte Zeitdauer (T3) zwischen einem Ende der zweiten Zeitdauer (T2) und einem Zeitpunkt, zu dem der Transformator (4) einen vorgegebenen Transformatorzustand annimmt, zu ermitteln, wobei die Steuerschaltung (3) außerdem dazu ausgebildet ist, die während eines nachfolgenden Ansteuerzyklus anzuwendende zweite Zeitdauer (T2) abhängig von der während des einen Ansteuerzyklus angewendeten zweiten Zeitdauer (T2) und abhängig von der während des einen Ansteuerzyklus ermittelten dritten Zeitdauer (T3) anzupassen.
Sperrwandler nach Anspruch 1, bei dem die Gleichrichteranordnung (2) eine parallel zu dem zweiten Schaltelement (21) geschaltete Diode (22) aufweist.
Sperrwandler nach Anspruch 1, bei dem die Gleichrichteranordnung (2) einen MOSFET mit einer integrierten Bodydiode aufweist.
Sperrwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der vorgegebene Transformatorzustand ein Zustand ist, bei dem die in dem Transformator (4) gespeicherte Energie wenigstens annähernd Null ist.
Sperrwandler nach Anspruch 1, bei dem die Steuerschaltung (3) dazu ausgebildet ist, den vorgegebenen Transformatorzustand durch Auswerten einer der folgenden Spannungen zu detektieren: einer Spannung (V41) über der ersten Wicklung (41); einer Spannung (V1) über dem ersten Schaltelement (1); oder einer Spannung (V42) über der zweiten Wicklung (42).
Sperrwandler nach Anspruch 5, bei dem die Steuerschaltung (3) dazu ausgebildet ist, den vorgegebenen Transformatorzustand durch Vergleichen der Spannung (V41) über der ersten Wicklung (41) mit einer ersten Referenzspannung (V41th), durch Vergleichen der Spannung (V1) über dem ersten Schaltelement (1) mit einer zweiten Referenzspannung (V1th) oder durch Vergleichen der Spannung (V42) über der zweiten Wicklung (42) mit einer dritten Referenzspannung (V42th) zu detektieren.
Sperrwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, der außerdem ein kapazitives Ladungsspeicherelement (5) aufweist, das zwischen die Ausgangsanschlüsse (103, 104) gekoppelt ist.
Sperrwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Transformator weiterhin aufweist: n zweite Wicklungen (421, 422, 423, 42n), wobei n > 1, die induktiv mit der Primärwicklung (41) gekoppelt sind; n Ausgangsanschlusspaare; und n Gleichrichteranordnungen (21, 22, 23, 2n), wobei jede Gleichrichteranordnung (21–2n) in Reihe zu einer zweiten Wicklung (421–42n) geschaltet ist und wobei jede Reihenschaltung mit einer der n zweiten Wicklungen (421–42n) und einer der n Gleichrichteranordnungen (21–2n) zwischen eines der Ausgangsanschlusspaare geschaltet ist, wobei die Steuerschaltung (3) dazu ausgebildet ist, während eines Ansteuerzyklus das erste Schaltelement (1) für die erste Zeitdauer (T1) einzuschalten und eine der Gleichrichteranordnungen (21–2n) für die zweite Zeitdauer (T2) einzuschalten, wobei die Steuerschaltung (3) weiterhin dazu ausgebildet ist, die zweite Zeitdauer individuell für jede der Gleichrichteranordnungen anzupassen.
Sperrwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Zeitdauer (T1) konstant ist.
Sperrwandleranordnung, die aufweist: ein Paar von Eingangsanschlüssen (101, 102); n Paare von Ausgangsanschlüssen, wobei n > 1; einen Transformator (4) mit einer ersten Wicklung (41) und mit n zweiten Wicklungen (421–42n), die induktiv mit der ersten Wicklung (41) gekoppelt sind; ein erstes Schaltelement (1), das derart in Reihe zu der ersten Wicklung (41) geschaltet ist, dass eine Reihenschaltung mit dem ersten Schaltelement (1) und der ersten Wicklung (41) zwischen die Eingangsanschlüsse (101, 102) gekoppelt ist; n Gleichrichteranordnung (21–2n), wobei jede Gleichrichteranordnung (21–2n) in Reihe zu einer zweiten Wicklung (421–42n) geschaltet ist, um n zweite Reihenschaltungen zu bilden, wobei jede zweite Reihenschaltung zwischen eines der n Ausgangsanschlusspaare geschaltet ist, wobei jede Gleichrichteranordnung (21–2n) ein zweites Schaltelement aufweist; und eine Steuerschaltung (3), die dazu ausgebildet ist, während eines Ansteuerzyklus das erste Schaltelement (1) für eine erste Zeitdauer (T1) einzuschalten, nach der ersten Zeitdauer (T1) eines der n zweiten Schaltelemente für eine zweite Zeitdauer (T2) einzuschalten und eine dritte Zeitdauer zwischen einem Ende der zweiten Zeitdauer und einem Zeitpunkt, zu dem der Transformator (4) einen vorgegebenen Transformatorzustand erreicht, zu ermitteln, wobei die Steuerschaltung (3) weiterhin dazu ausgebildet ist, die zweite Zeitdauer, die einem der zweiten Schaltelemente zugeordnet ist, in einem nachfolgenden Ansteuerzyklus abhängig von der zweiten Zeitdauer, die während des einen Ansteuerzyklus angewendet wird und der dritten Zeitdauer, die in dem einen Ansteuerzyklus ermittelt wird, anzupassen.
Sperrwandleranordnung nach Anspruch 10, bei der die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, die jedem der zweiten Schaltelemente zugeordnete zweite Zeitdauer individuell anzupassen.
Sperrwandler nach Anspruch 10 oder 11 der weiterhin aufweist: eine Ladungsspeicheranordnung mit mehreren Ladungsspeicherzellen (51–5n), die in Reihe geschaltet sind, wobei die erste Reihenschaltung parallel zu der Ladungsspeicheranordnung geschaltet ist und wobei jede der zweiten Reihenschaltungen parallel zu wenigstens einer der Ladungsspeicherzellen (51–5n) geschaltet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Schaltwandlers, der aufweist: Eingangsanschlüsse (101, 102) und Ausgangsanschlüsse (103, 104); einen Transformator (4) mit einer ersten Wicklung (41) und einer zweiten Wicklung (42), die induktiv gekoppelt sind; ein erstes Schaltelement (1), das in Reihe zu der ersten Wicklung (41) geschaltet ist, wobei eine erste Reihenschaltung dem ersten Schaltelement (1) und der ersten Wicklung (41) zwischen die Eingangsanschlüsse (101, 102) geschaltet ist; und eine Gleichrichteranordnung, die in Reihe zu der zweiten Wicklung (42) geschaltet ist, wobei eine zweite Reihenschaltung mit der Gleichrichteranordnung und der zweiten Wicklung (42) zwischen die Ausgangsanschlüsse (103, 104) geschaltet ist, wobei die Gleichrichteranordnung (2) ein zweites Schaltelement (21) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Einschalten des ersten Schaltelements (1) für eine erste Zeitdauer (T1) während eines Ansteuerzyklus; Einschalten des zweiten Schaltelements (21) für eine zweite Zeitdauer nach der ersten Zeitdauer; Ermitteln einer dritten Zeitdauer (T3) zwischen einem Ende der zweiten Zeitdauer (T2) und einem Zeitpunkt, zu dem der Transformator (4) einen vorgegebenen Transformatorzustand annimmt; und Anpassen der zweiten Zeitdauer, die in einem nachfolgenden Ansteuerzyklus anzuwenden ist, abhängig von der in dem einen Ansteuerzyklus angewendeten zweiten Zeitdauer und der in dem einen Ansteuerzyklus ermittelten dritten Zeitdauer.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Gleichrichteranordnung eine parallel zu dem zweiten Schaltelement (21) geschaltete Diode aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Gleichrichteranordnung einen MOSFET mit einer integrierten Bodydiode aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der vorgegebene Transformatorzustand ein Zustand ist, bei dem die in dem Transformator (4) gespeicherte Energie wenigstens annähernd Null ist.