DE102012104103A1

DE102012104103A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung mindestens eines Schaltorgans eines Spannungswandlers

Info

Publication number: DE102012104103A1
Application number: DE102012104103A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Müller; Lukas Kaspar
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14
Also published as: WO2013167540A1; US20150062982A1; DE102012104103A8; EP2847857A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines Schaltorgans (13, 13’) eines Spannungswandlers mit einem galvanisch trennenden Signalübertrager (30), der eine Primärwicklung (31) und mindestens eine Sekundärwicklung (12, 12’) aufweist, wobei die Primärwicklung (31) mit einem Ansteuersignal für das Schaltorgan (13, 13’) beaufschlagbar ist und die Sekundärwicklung (12, 12’) mit einem Schalteingang (16, 16’) des mindestens einen Schaltorgans (13, 13’) verbunden ist. Die Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil der mindestens einen Sekundärwicklung (12, 12’) mit einer Schaltstrecke des Schaltorgans (13, 13’) derart serienverschaltet ist, dass dieser Teil von einem durch eine Schaltstrecke des Schaltorgans (12, 12’) fließenden Schalterstroms (I10, I10’) durchflossen wird und dass eine Strommesseinrichtung (33) in einer Reihenverschaltung zu der Primärwicklung (31) zur Bestimmung des Schalterstroms (I10, I10’) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schaltorgans eines Spannungswandlers, eine Treiberschaltung zur Bereitstellung des Ansteuersignals, die im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung eingesetzt werden kann, und die Verwendung der Schaltungsanordnung und/oder des Verfahrens zur Bereitstellung einer Betriebsversorgungsspannung eines Wechselrichters.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines Schaltorgans eines Spannungswandlers. Die Schaltungsanordnung weist einen galvanisch trennenden Signalübertrager auf, mit einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung mit einem Ansteuersignal für das Schaltorgan beaufschlagbar ist und die Sekundärwicklung mit einem Schalteingang des mindestens einen Schaltorgans verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schaltorgans eines Spannungswandlers sowie eine Treiberschaltung zur Bereitstellung des Ansteuersignals, die im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung eingesetzt werden kann.
Derartige, üblicherweise getaktet betriebene Spannungswandler können als Gleichspannungswandler, auch DC(direct current)/DC-Wandler genannt, oder als Spannungswandler mit Wechselstromeingang, die auch als AC alternating current)/DC-Wandler bezeichnet werden, ausgeführt sein. DC/DC-Wandler werden beispielsweise vielfach zu Stromversorgungszwecken eingesetzt, z.B. als Teil von Netzgeräten oder als Eingangsstufe eines Wechselrichters oder zur Bereitstellung einer Bordnetzversorgung eines Wechselrichters. Es sind sowohl DC/DC-Wandler mit festem Potentialbezug üblich, wie z.B. Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller etc. als auch galvanisch trennende DC/DC-Wandler. Letztere sind dabei beispielsweise als Sperr- oder Durchflusswandler ausgestaltet und weisen mindestens ein Schaltorgan auf, dessen Schaltstrecke in einem Leistungsstromkreis des DC/DC-Wandlers angeordnet ist. Als Schaltorgane werden dabei beispielsweise MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), JFETs (Junction FETs) oder IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) oder sonstige Transistoren eingesetzt.
Das Schaltorgan wird bei einem DC/DC-Wandler typischerweise mit einem pulswellenmodulierten (PWM) Ansteuersignal angesteuert, wobei für diesen Zweck verschiedene, meist integrierte Treiberschaltungen erhältlich sind. Um die Treiberschaltungen galvanisch getrennt vom Leistungsstromkreis des DC/DC-Wandlers betreiben zu können, kann das Ansteuersignal in bekannter Weise über einen galvanisch trennenden Übertrager von der Treiberschaltung zu einem Schalteingang des Schaltorgans übertragen werden. Eine derartige Ansteuerung über einen Signalübertrager ist im Zusammenhang mit einem Schaltnetzteil beispielsweise in der Druckschrift US 6,169,681 B1 beschrieben.
Häufig werden DC/DC-Wandler im sog. „Current Mode“ betrieben, bei dem ein im Leistungsstromkreis durch das Schaltorgan des DC/DC-Wandlers fließender Schalterstrom als Stellgröße für die Erzeugung des Ansteuersignals verwendet wird. Wie z.B. aus der Druckschrift US 2012/0020121 A1 bekannt, kann zu diesem Zweck im Leistungsstromkreis ein weiterer Übertrager vorgesehen sein, um den Schalterstrom galvanisch getrennt messen und den gemessenen Wert der Treiberschaltung bereitstellen zu können.
Eine Anordnung mit Signalübertrager für das Ansteuersignal und Übertrager zur galvanisch getrennten Messung des Schalterstroms ist aufgrund der Anzahl der benötigten Übertrager nachteilig. Dieses gilt insbesondere, wenn der DC/DC-Wandler mehrere primäre Leistungsstromkreise aufweist. Mehrere primäre Leistungsstromkreise bieten die Möglichkeit, den Ausgang des DC/DC-Wandlers aus mehreren auf unterschiedlichem Potential liegenden Spannungsquellen gleichzeitig oder alternativ zu versorgen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines Schaltorgans eines Spannungswandlers der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei dem eine Strommessung auf einfache Weise ohne großen zusätzlichen Schaltungsaufwand, insbesondere ohne zusätzlichen Übertrager realisiert ist. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schaltorgans in einer solchen Schaltungsanordnung anzugeben und eine Treiberschaltung bereit zu stellen, die im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung, eine Treiberschaltung und ein Verfahren mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil der mindestens einen Sekundärwicklung mit einer Schaltstrecke des Schaltorgans derart serienverschaltet ist, dass dieser Teil von einem durch eine Schaltstrecke des Schaltorgans fließenden Schalterstroms durchflossen wird und dass eine Strommesseinrichtung in einer Reihenverschaltung zu der Primärwicklung zur Bestimmung des Schalterstroms angeordnet ist.
Dadurch, dass der Signalübertrager mit seiner Sekundärwicklung nicht nur auf den Steuereingang des Schaltelements einwirkt, sondern Teil des Leistungsstromkreises ist und von dem Schalterstrom durchflossen wird, kann der Signalübertrager zur Rücktransformation des Schalterstroms auf die Primärseite des Signalübertragers verwendet werden und so eine Messung des Schalterstroms primärseitig über die Strommesseinrichtung erfolgen. Der Signalübertrager fungiert somit gleichzeitig als Ansteuerübertrager für das Ansteuersignal des Schaltorgans und als Messwertübertragung zur Schalterstrommessung. Diese Doppelverwendung spart Material und Kosten ein und kann zur Verringerung der Baugröße der Schaltungsanordnung und damit des Spannungswandlers beitragen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung mindestens zwei Leistungsstromkreise mit jeweils mindestens einem Schaltorgan zum Anschluss an unterschiedliche Spannungsquellen auf. Es ist dann ein Signalübertrager mit einer Primärwicklung und separaten Sekundärwicklungen für die Schaltorgane vorgesehen oder es sind separate Signalübertrager mit je einer Primärwicklung und je einer Sekundärwicklung vorgesehen. In beiden Fällen summieren sich die rücktransformierten Schalterströme und können einfach gemeinsam gemessen werden. Eine Steuerung eines Spannungswandlers mit zwei Spannungsquellen kann im „Current Mode“ dann beispielsweise auf einfache Weise anhand des gemessenen Summensignals erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist die mindestens eine Sekundärwicklung eine Wicklung mit Abgriff, wobei die Sekundärwicklung von einem Endanschluss bis zum Abgriff mit der Schaltstrecke des mindestens einen Schaltorgans serienverschaltet ist, wohingegen ein restlicher Teil oder die gesamte Sekundärwicklung in einer Wirkverbindung mit dem Schalteingang des mindestens einen Schaltorgans steht. Es wird auf diese Weise erreicht, dass bei gleicher Größe der Steuerspannung die Höhe des rücktransformierten Stroms in der Primärwicklung um ein frei wählbares Verhältnis, das von dem Verhältnis der Windungszahlen der verschiedenen Teile der Sekundärwicklung abhängt, verringert. Dieses kann beispielsweise eingesetzt werden, um die Strombelastung in einer Schaltung zur Erzeugung des Ansteuersignals zu verringern oder um die Messgenauigkeit bei der Strommessung zu erhöhen.
Eine Treiberschaltung dient der Bereitstellung eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals für mindestens ein Schaltorgan eines Spannungswandlers an einer Primärwicklung eines galvanisch trennenden Signalübertragers, der mindestens eine mit einem Steuereingang des Schaltorgans verbundene Sekundärwicklung aufweist. Erfindungsgemäß ist die Treiberschaltung dazu eingerichtet ist, einen durch die Primärwicklung fließenden Strom als ein einem durch das Schaltorgan fließenden Schalterstrom entsprechendes Signal auszuwerten. Die Treiberschaltung ist somit zur Verwendung mit der zuvor genannten Schaltungsanordnung eingerichtet und erlaubt, den auf die Primärseite des Signalübertragers rücktransformierten Schalterstrom zu messen. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung genannten Vorteile.
Vorteilhaft ist die Treiberschaltung als integrierte Schaltung ausgeführt und ist damit platzsparend und mit geringem Aufwand in einem Spannngswandler einsetzbar.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen weist die Treiberschaltung eine Strommesseinrichtung zur Erfassung des durch die Primärwicklung fließenden Stroms auf oder weist Anschlüsse zum Anschluss an eine externe Strommesseinrichtung zur Erfassung des durch die Primärwicklung fließenden Stroms auf. In beiden Fällen können Anschlüsse zum Anschluss eines externen Shunts als Teil der Strommesseinrichtung vorgesehen sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren der Ansteuerung mindestens eines Schaltorgans eines Spannungswandlers über einen galvanisch trennenden Signalübertrager, der eine Primärwicklung und mindestens eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Primärwicklung mit einem Ansteuersignal für das Schaltorgan beaufschlagt wird und die Sekundärwicklung ein Schaltsignal für das mindestens eine Schaltorgan bereitstellt. Es zeichnet sich dadurch aus, dass ein durch die Schaltstrecke des Schaltorgans fließender Schalterstrom über den Signalübertrager auf die Primärwicklung übertragen wird und dass ein durch die Primärwicklung fließender Strom als Maß für eine Größe des Schalterstroms erfasst wird.
Es wird folglich erfindungsgemäß somit ein Ansteuersignal erzeugt und über den Signalübertrager von einer Primär- auf eine Sekundärseite übertragen. Das Ansteuersignal steuert das Schaltorgan und beeinflusst damit den Schalterstrom. Die sich ergebende Änderung des Schalterstroms wird als ein Stromsignal von der Sekundärseite des Signalübertragers auf die Primärseite übertragen und wird auf der Primärseite erfasst. Es ergeben sich wiederum die im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung genannten Vorteile.
Die Größe des primärseitig erfasste Schalterstrom kann dann in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens als eine Stellgröße für die Erzeugung des Ansteuersignals verwendet werden.
Erfindungsgemäß findet die Schaltungsanordnung und/oder die Treiberschaltung und/oder das Verfahrens Verwendung zur Bereitstellung einer Betriebsversorgungsspannung eines Wechselrichters.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von vier Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 bis 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel einer anmeldungsgemäßen Schaltungsanordnung in einem DC/DC-Wandler und
4 verschiedene Ausgestaltungen eines Signalübertragers für eine anmeldungsgemäße Schaltungsanordnung.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines DC/DC-Wandlers mit einer anmeldungsgemäßen Schaltungsanordnung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
Der DC/DC-Wandler weist einen Leistungsstromkreis 10 auf, in dem eine Spannungsquelle 11 mit einem Schaltorgan 13 und einer Primärwicklung 17 eines Leistungsübertragers 20 angeordnet sind. Im Leistungsstromkreis 10 fließt ein Schalterstrom I₁₀. Das Schaltorgan 13 weist eine Schaltstrecke zwischen Schaltanschlüssen 14 und 15 auf, sowie einen Steuereingang 16. Im dargestellten Beispiel ist das Schaltorgan 13 ein MOSFET mit Source und Drain als Schaltanschlüssen 14, 15 der Schaltstrecke und einem Gate als Steuereingang 16. Der einfacheren Darstellung halber werden die Anschlüsse des Schaltorgans 13 nachfolgend als Source 14, Drain 15 und Gate 16 bezeichnet.
Der Leistungsübertrager 20 weist zudem eine Sekundärwicklung 21 auf, die über eine Diode 22 mit einem Glättungskondensator 23 und zu diesem parallelen Ausgangsanschlüssen 24 verbunden ist. Bei einer getakteten Ansteuerung des Schaltorgans 13 und entsprechend gepulstem Stromfluss durch die Primärwicklung 17 des Leistungsübertragers 20 wird in der Sekundärwicklung 21 eine Ausgangsspannung induziert, die gleichgerichtet durch die Diode 22 über dem Glättungskondensator 23 als Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers an den Ausgangsanschlüssen 24 bereitsteht.
Der in der 1 dargestellte Spannungswandler ist ein galvanisch trennenden Sperrwandlers. Die Erfindung kann jedoch ebenso für andere Arten von DC/DC-Wandlern, für AC/DC-Wandler und auch für DC/AC-Wandler eingesetzt werden.
Zur gepulsten Ansteuerung des Schaltorgans 13 ist zwischen Source 14 und Gate 16 zudem eine Sekundärwicklung 12 eines Signalübertragers 30 vorgesehen. Diese ist – anders als aus dem Stand der Technik bekannt – im Leistungsstromkreis 10 angeordnet, wird also vom Schalterstrom I₁₀ durchflossen. Primärseitig weist der Signalübertrager 30 eine Primärwicklung 31 auf, die mit einer bevorzugt als integrierte Schaltung ausgeführten PWM-Treiberschaltung 40 verbunden ist. Zur Ansteuerung der Primärwicklung 31 des Signalübertragers 30 ist in der PWM-Treiberschaltung 40 eine Brückenschaltung vorgesehen, die in Form einer H-Brücke mit zwei aktiv an steuerbaren Brückenschaltern 41 und zwei passiven Brückendioden 42 aufgebaut ist. Die H-Brücke und auch die weiteren Komponenten der PWM-Treiberschaltung 40 werden über Stromversorgungsanschlüsse 32 mit Strom versorgt. In der Figur ist die Stromversorgung durch ein positives Potential V+ und ein Massepotential GND an den Stromversorgungsanschlüsse 32 symbolisiert. Die Stromversorgung kann beispielsweise im Betrieb über die an den Ausgangsanschlüssen 24 anliegende Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers erfolgen. Zum Startvorgang des DC/DC-Wandlers ist dann üblicherweise eine zusätzliche Hilfsspannungsquelle vorgesehen, beispielsweise ein Linearregler, der von der Spannungsquelle 11 gespeist wird.
Die Brückenschalter 41 werden über Treiberbausteine 43 von einem PWM-Generator 44 geschaltet, der wiederum mit einer den PWM-Generator 44 steuernden Steuereinrichtung 45 verbunden ist. Die PWM-Treiberschaltung 40 umfasst weiterhin einen Vergleicher 46, der einen Ist-Spannungseingang 47 und einen Soll-Spannungseingang 48 aufweist. Am Soll-Spannungseingang 48 wird eine gewünschte Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers an den Ausgangsanschlüssen 24 vorgegeben. Der Ist-Spannungseingang 47 ist entsprechend mit einem der Ausgänge 24 des DC/DC-Wandlers verbunden. Die Funktion des Vergleichers 46 zur Regelung der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers kann auch in die Steuereinrichtung 45 integriert sein und dort analog oder digital erfolgen.
Im Betrieb des DC/DC-Wandlers wird der Ist-Spannungseingang 47 folglich mit der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers beaufschlagt und die Ausgangsspannung mit der Soll-Spannung verglichen. Der Ausgang des Vergleichers 46 steuert den PWM-Generator 44 über die Steuereinrichtung 45 so, dass die Brückenschalter 41 derart getaktet geschaltet werden, dass sich an den Ausgangsanschlüssen 24 des DC/DC-Wandlers die gewünschte Sollspannung einstellt. Dabei werden die Brückenschalter 41 jeweils parallel ein- bzw. ausgeschaltet. In den Ausschaltphasen der Brückenschalter 41 ist ein Stromfluss in umgekehrter Richtung durch die Primärwicklung 31 über die Brückendioden 42 möglich. Die sich durch die Taktung an der Primärwicklung 31 des Signalübertragers 30 ergebende Wechselspannung wird auf die Sekundärwicklung 12 des Signalübertragers 30 übertragen und führt zu einem Wechselspannungssignal zwischen Source 14 und Gate 16 des Schaltelements 13. Dieses wird entsprechend zum Betrieb des DC/DC-Wandlers gepulst ein- und ausgeschaltet.
Mit dem gepulsten Schalten des Schaltelements 13 fließt ein wechselnder Strom I₁₀ im Leistungsstromkreis 10. Da die Sekundärwicklung 12 des Signalübertragers 30 Teil des Leistungsstromkreises 10 ist, ruft der wechselnde Schalterstrom I₁₀ einen zusätzlichen Stromfluss in der Primärwicklung 31 des Signalübertragers 30 hervor. In die Brückenschaltung der PWM-Treiberschaltung 40 ist eine Strommesseinrichtung 33 integriert, die beispielsweise als einen Shunt aufweist. An dem Shunt fällt eine Spannung ab, die repräsentativ für den Schalterstrom I₁₀ im Leistungsstromkreis 10 ist. Anstelle eines Shunts kann auch eine andere Strommesseinrichtung, beispielsweise eine Hall-Sonde vorgesehen sein. Die Strommesseinrichtung kann dabei in die PWM-Treiberschaltung 40 eingebaut sein oder aber extern von dieser angeordnet sein.
Der Spannungsabfall über dem Shunt wird dem Pulswellengenerator 44 als eine Messgröße über einen Strommesseingang 34 zugeführt, damit dieser die Ansteuerung des Schaltelements 13 zum Beispiel in dem zuvor genannten „Current-Mode“ kontrollieren kann. Dadurch, dass der Signalübertrager 30 mit seiner Sekundärwicklung 12 nicht nur auf den Steuereingang (Gate) 16 des Schaltelements 13 einwirkt, sondern Teil des Leistungsstromkreises 10 ist, kann der Signalübertrager 30 zur Rücktransformation des Schalterstroms I₁₀ auf die Primärseite des Signalübertragers 30 verwendet werden und so eine Messung des Schalterstroms I₁₀ primärseitig über die Strommesseinrichtung 33 erfolgen. Der Signalübertrager 30 fungiert somit gleichzeitig als Ansteuerübertrager für das Ansteuersignal des Schaltorgans 13 und als Messwertübertragung zur Schalterstrommessung.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers als eine Erweiterung des DC/DC-Wandlers des ersten Ausführungsbeispiels der 1 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in diesem Ausführungsbeispiel gleiche oder gleichwirkende Elemente wie beim Beispiel der 1.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 sind hier zwei Leistungsstromkreise 10, 10’ vorgesehen, die jeder für sich im gezeigten Beispiel gleich und wie im ersten Ausführungsbeispiel der 1 aufgebaut sind. Die beiden Leistungsstromkreise 10, 10’ ermöglichen, dass zwei Spannungsquelle Spannungsquellen 11, 11’ zur Stromversorgung des einen Ausgangskreises mit den Ausgangsanschlüssen 24 eingesetzt werden können. Zur Unterscheidung der beiden Leistungsstromkreise 10, 10’ sind alle Komponenten des Leistungsstromkreises 10’ in ihrem Bezugszeichen mit einem Apostroph versehen.
Im DC/DC-Wandler ist ein gemeinsamer Leistungsübertrager 20 vorgesehen, der separate Primärwicklungen 17, 17’ aufweist. Weiterhin sind separate Signalübertrager 30, 30’ vorgesehen, die entsprechend separate Sekundärwicklungen 12, 12’ haben. Durch die separaten Primärwicklungen 17, 17’ des Leistungsübertragers 20 und die separaten Signalübertrager 30, 30’ sind die Leistungsstromkreise 10, 10’ voneinander und von den restlichen Schaltungskomponenten vollständig galvanisch getrennt.
Es ist für beide Leistungsstromkreise 10, 10’ und somit zur Ansteuerung der beiden Schaltelemente 13, 13’ eine PWM-Treiberschaltung 40 vorgesehen, die wie im ersten Ausführungsbeispiel der 1 ausgestaltet ist. Auf die entsprechende Beschreibung wird hiermit verwiesen. Die Primärwicklungen 31, 31’ der Signalübertrager 30, 30’ sind parallel geschaltet, sodass zum einen die beiden Schaltorgane 13, 13’ gleichzeitig geschaltet werden und zum anderen sich die rücktransformierten Schalterströme I₁₀, I₁₀’ in der Brückenschaltung der PWM-Treiberschaltung 40 addieren, wodurch ein Summenstrom über dem Shunt gemessen wird. Unabhängig davon, ob eine Last an den Anschlüssen 24 des DC/DC-Wandlers aus der ersten Spannungsquelle 11, aus der zweiten Spannungsquelle 11’ oder aus beiden Spannungsquellen 11, 11’ zu gleichen oder ungleichen Teilen versorgt wird, wird durch die Strommesseinrichtung 33 der gesamte Schalterstrom (I₁₀ + I₁₀’) gemessen.
Bei unterschiedlicher Dimensionierung der Signalübertrager 30 und 30‘ können die Beiträge der Stromquellen 11 und 11‘ zu dem von der Strommesseinrichtung 33 gemessenen Schalterstrom unterschiedlich gewichtet werden. Ebenso ist es denkbar, durch individuelle Dimensionierung der Signalübertrager 30, 30‘ eine Anpassung der Ansteuerung auf unterschiedliche Schaltertypen zu erreichen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei separate Signalübertrager 30, 30’ eingesetzt. Es ist jedoch ebenso möglich, einen Signalübertrager 30 mit einer gemeinsamen Primärwindung 31 und zwei separaten Sekundärwindungen 12, 12’ zu verwenden.
3 zeigt einen weiteren DC/DC-Wandler mit einer anmeldungsgemäßen Schaltungsanordnung. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen auch hier gleiche bzw. gleichwirkende Elemente wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen.
Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel der 2 sind zwei Leistungsstromkreise I₁₀, I₁₀’ vorgesehen, die hier jedoch nicht vollständig galvanisch getrennt sind, sondern in Reihe geschaltete Spannungsquellen 11, 11’ aufweisen. Eine derartige Situation liegt häufig bei Wechselrichtern mit symmetrischen Zwischenkreisen vor, wobei die beiden Spannungsquellen 11, 11’ die Zwischenkreise bzw. Zwischenkreiskapazitäten darstellen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist vom DC/DC-Wandler nur die Primärseite mit den Primärwicklungen 17, 17’ dargestellt, sekundärseitig kann beispielsweise eine Sekundärwicklung 21 mit nachgeschalteter Diode 22 und Pufferkondensator 23 analog zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 vorhanden sein.
Bezüglich der PWM-Treiberschaltung 40 wird wiederum auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele verwiesen. Vorliegend ist ein gemeinsamer Signalübertrager 30 mit einer Primärwicklung 31 vorgesehen. Sekundärseitig sind bei dem Signalübertrager 30 zwei Sekundärwicklungen 12, 12’ angeordnet, um den Potentialunterschied in den Leistungsstromkreisen 10, 10’ ausgleichen zu können.
Die Sekundärwicklungen 12, 12’ sind vorliegend als Wicklungen mit Abgriff ausgeführt, wobei der Abgriff jeweils mit der Spannungsquelle 11, 11’ verbunden ist und einer der Endanschlüsse mit dem jeweiligen Source-Anschluss 14, 14’ und der andere Endanschluss mit dem jeweiligen Gate 16, 16’ verbunden ist.
In 4a ist als Beispiel der Signalübertrager 30 bzw. 30‘ mit seinem Abgriff zur Verdeutlichung vergrößert dargestellt. Nur ein Teil 12a bzw. 12a‘ der Sekundärwicklung 12, 12‘ ist im Leistungsstromkreis 10, 10’ angeordnet, wohingegen jedoch die gesamte Sekundärwicklung 12, 12‘ zwischen Source 14, 14‘ und Gate 16, 16‘ liegt. Wie 4a zeigt, setzt sich die gesamte Sekundärwicklung 12, 12‘ aus dem genannten Teil 12a, 12a‘ und einem Teil 12b, 12b‘ zusammen. Dabei ist die Anzahl der Wicklungswindungen im Leistungsstromkreis 10, 10’ (Teil 12a) bevorzugt kleiner als die Anzahl der verbleibenden Wicklungswindungen (Teil 12b). Beispielsweise kann ein Verhältnis von 1 zu 10 gewählt werden. Es wird auf diese Weise erreicht, dass bei gleicher Größe der Steuerspannung zwischen Source 14, 14’ und Gate 16, 16’ die Höhe des rücktransformierten Stroms in der Primärwicklung 31, 31‘ um das genannte Wicklungsverhältnis verringert ist. Dieses senkt die Strombelastung in den Brückenschaltern 41 und den Brückendioden 42.
Weitere mögliche Ausgestaltungen der Sekundärwicklung 12 bzw. 12‘ des Signalübertragers 30, 30‘ sind in den 4b und 4c dargestellt. Anstelle der jeweiligen Sekundärwicklung 12, 12‘ mit Abgriff können die Teile 12a, 12b bzw. 12a‘, 12b‘ als separate Wicklungen mit herausgeführten Anschlüssen ausgebildet sein, die dann entsprechend außerhalb des Signalübertragers 30, 30‘ miteinander verbunden sind. Beim Beispiel der 4b liegt der Teil 12a, 12a‘ im Leistungsstromkreis 10, 10‘ und die Reihenschaltung aus den Teilen 12a und 12b bzw. 12a‘ und 12b‘ wird zur Ansteuerung des Gates 16, 16’ verwendet. Beim Beispiel der 4c liegt abermals die Wicklung 12a, 12a‘ im Leistungsstromkreis 10, 10‘, die Ansteuerung des Gates 16, 16‘ erfolgt jedoch nur durch den Teil 12b, 12b‘. Bei Ausführung des Signalübertragers 30, 30‘ mit Abgriff oder mit getrennten Teilen 12a, 12b bzw. 12a‘, 12b‘ können diese auf einfache Weise einen unterschiedlichen Drahtquerschnitt aufweisen. Es können so unterschiedliche Strombelastungen in den beiden Teilen 12a, 12b bzw. 12a‘, 12b‘ der Sekundärwicklung 12, 12‘ berücksichtigt werden und Material in dem nicht so stark strombelasteten Wicklungsteil – üblicherweise dem zur Ansteuerung verwendeten Teil 12b, 12b‘ – eingespart werden.
Die in den 3 und 4 gezeigten Ausgestaltungen der Sekundärwicklungen 12, 12’ ermöglicht darüber hinaus, einen Leistungsübertrager 20 mit Primärwicklungen 17, 17’ mit unterschiedlicher Windungsanzahl einzusetzen, beispielsweise um den DC/DC-Wandler aus Spannungsquellen 11, 11’ mit unterschiedlichen Spannungen zu speisen und/oder eine der Spannungsquellen 11, 11’ zu bevorzugen. Da Primärwicklungen 17, 17’ des Leistungsübertrager 20 mit unterschiedlichen Windungszahlen bei gleichem Strom unterschiedliche Leistung übertragen, kann das über den Abgriff der Sekundärwicklungen 12, 12’ anpassbare Stromübersetzungsverhältnis an dieser Stelle als Korrekturmöglichkeit genutzt werden, auch wenn die Ansteuersignale zum Schalten der Schaltorgane 13, 13’ mit gleichem Übertragungsverhältnis übertragen werden.
Umgekehrt ist auch eine Auslegung des Signalübertragers 30, 30‘ bzw. eine Anordnung des Abgriffs der Sekundärwicklungen 12, 12’ möglich, bei dem der auf die Primärwicklung 31 des Signalübertragers 30 rücktransformierte Strom erhöht wird, um die Genauigkeit bei der Messung des oder der Schalterströme I₁₀, I₁₀’ zu erhöhen.
In den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 sind jeweils zwei Leistungsstromkreise 10, 10’ dargestellt. Die Anzahl der möglichen Leistungsstromkreise 10 und damit auch die Anzahl der möglichen, den DC/DC-Wandler speisenden Spannungsquelle kann jedoch auch größer sein.
Zusätzlich zu den beiden gezeigten Spannungsquellen 11, 11’ kann beispielsweise bei einem DC/DC-Wandler zur Bereitstellung eines Bordnetzes eines Wechselrichters für eine Photovoltaikanlage ein an einem Energieversorgungsnetz angeschlossener Gleichrichter mit Pufferkondensator als weitere Spannungsquelle eingesetzt werden. Auf diese Weise wird eine Betriebsstromversorgung des Wechselrichters nachts über das Energieversorgungsnetz und tagsüber aus dem Zwischenkreis und damit einem Photovoltaikgenerator der Photovoltaikanlage möglich.
Bezugszeichenliste

10, 10‘: Leistungsstromkreis
11, 11‘: Spannungsquelle
12, 12‘: Sekundärwicklung
12a, 12b: Teil
13, 13‘: Schaltorgan
14,: 14‘, 15, 15‘ Anschlüsse der Schaltstrecke (Source, Drain)
16, 16‘: Steuereingang (Gate)
17, 17‘: Primärwicklung
20: Leistungsübertrager
21: Sekundärwicklung
22: Diode
23: Pufferkondensator
24: Ausgangsanschlüsse
30, 30‘: Signalübertrager
31, 31‘: Primärwicklung
32: Stromversorgungsanschluss
33: Strommesseinrichtung
34: Strommessanschluss
40: PWM-Treiberschaltung
41: Brückenschalter
42: Brückendiode
43: Treiberbausteine
44: PWM-Generator
45: Steuereinrichtung
46: Vergleicher
47: Ist-Spannungseingang
48: Soll-Spannungseingang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6169681 B1 [0003]
US 2012/0020121 A1 [0004]

Claims

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines Schaltorgans (13, 13’) eines Spannungswandlers mit einem galvanisch trennenden Signalübertrager (30), der eine Primärwicklung (31) und mindestens eine Sekundärwicklung (12, 12’) aufweist, wobei die Primärwicklung (31) mit einem Ansteuersignal für das Schaltorgan (13, 13’) beaufschlagbar ist und die Sekundärwicklung (12, 12’) mit einem Schalteingang (16, 16’) des mindestens einen Schaltorgans (13, 13’) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein Teil (12a, 12a‘) der mindestens einen Sekundärwicklung (12, 12’) mit einer Schaltstrecke des Schaltorgans (13, 13’) derart serienverschaltet ist, dass dieser Teil (12a, 12a‘) von einem durch eine Schaltstrecke des Schaltorgans (12, 12’) fließenden Schalterstroms (I₁₀, I₁₀’) durchflossen wird und dass – eine Strommesseinrichtung (33) in einer Reihenverschaltung zu der Primärwicklung (31) zur Bestimmung des Schalterstroms (I₁₀, I₁₀’) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, aufweisend mindestens zwei Leistungsstromkreise (10, 10’) mit jeweils mindestens einem Schaltorgan (13, 13’) zum Anschluss an unterschiedliche Spannungsquellen (11, 11’), wobei ein Signalübertrager (30) mit einer Primärwicklung (31) und separaten Sekundärwicklungen (12, 12’) für die Schaltorgane (13, 13’) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, aufweisend mindestens zwei Leistungsstromkreise (10, 10’) mit jeweils mindestens einem Schaltorgan (13, 13’) zum Anschluss an unterschiedliche Spannungsquellen (11, 11’), wobei separate Signalübertrager (30, 30’) mit je einer Primärwicklung (31, 31’) und je einer Sekundärwicklung (12, 12’) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, mit einem Leistungsstromübertrager (20) mit mindestens zwei Primärwicklungen (17, 17’), die jeweils in einem der Leistungsstromkreise (10, 10’) angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Primärwicklungen (17, 17’) unterschiedliche Windungszahlen aufweisen und die jeweiligen Sekundärwicklungen (12, 12’) unterschiedliche Windungszahlen aufweisen, und wobei die Windungszahlenverhältnisse bei den Sekundärwicklungen (12, 12’) an die Windungszahlenverhältnisse der Primärwicklungen (17, 17’) angepasst sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Strommesseinrichtung (33) einen Shunt umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die mindestens eine Sekundärwicklung (12, 12’) eine Wicklung mit Abgriff ist, wobei die Sekundärwicklung (12, 12’) von einem Endanschluss bis zum Abgriff mit der Schaltstrecke des mindestens einen Schaltorgans (13, 13’) serienverschaltet ist, wohingegen ein restlicher Teil (12b, 12b‘) oder die gesamte Sekundärwicklung (12, 12’) in einer Wirkverbindung mit dem Schalteingang (16, 16’) des mindestens einen Schaltorgans (13, 13’) steht.
Treiberschaltung (40) zur Bereitstellung eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals für mindestens ein Schaltorgan (13, 13’) eines Spannungswandlers an einer Primärwicklung (31) eines galvanisch trennenden Signalübertragers (30), der mindestens eine mit einem Steuereingang des Schaltorgans (13, 13’) verbundene Sekundärwicklung (12, 12’) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (40) dazu eingerichtet ist, einen durch die Primärwicklung (31) fließenden Strom als ein einem durch das Schaltorgan fließenden Schalterstrom (I₁₀, I₁₀’) entsprechendes Signal auszuwerten.
Treiberschaltung (40) nach Anspruch 7, ausgeführt als integrierte Schaltung.
Treiberschaltung (40) nach Anspruch 7 oder 8, aufweisend eine Strommesseinrichtung (33) zur Erfassung des durch die Primärwicklung (31) fließenden Stroms.
Treiberschaltung (40) nach Anspruch 6 oder 7, aufweisend Anschlüsse zum Anschluss an eine externe Strommesseinrichtung zur Erfassung des durch die Primärwicklung (31) fließenden Stroms.
Treiberschaltung (40) nach Anspruch 7 oder 8, aufweisend Anschlüsse zum Anschluss eines externen Shunts zur Erfassung des durch die Primärwicklung (31) fließenden Stroms.
Verfahren zur Ansteuerung mindestens eines Schaltorgans (13, 13’) eines Spannungswandlers über einen galvanisch trennenden Signalübertrager (30), der eine Primärwicklung (31) und mindestens eine Sekundärwicklung (12, 12’) aufweist, wobei die Primärwicklung (31) mit einem Ansteuersignal für das Schaltorgan (13, 13’) beaufschlagt wird und die Sekundärwicklung (12, 12’) ein Schaltsignal für das mindestens eine Schaltorgan (13, 13’) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass – ein durch die Schaltstrecke des Schaltorgans (12, 12’) fließender Schalterstrom (I₁₀, I₁₀’) über den Signalübertrager auf die Primärwicklung (31) übertragen wird und dass – ein durch die Primärwicklung (31) fließender Strom als Maß für eine Größe des Schalterstroms (I₁₀, I₁₀’) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Größe des Schalterstroms (I₁₀, I₁₀’) als eine Stellgröße für die Erzeugung des Ansteuersignals verwendet wird.
Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder einer Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 und/oder eines Verfahrens gemäß Anspruch 12 oder 13 zur Bereitstellung einer Betriebsversorgungsspannung eines Wechselrichters.