DE102012218284A1 - Drive unit for actuating transistor half bridge of direct current (DC)-DC converter, has input stage that is provided to form step-up converter unit, and inductor which is formed by primary coil and capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Treibereinheit zum Ansteuern wenigstens einer Transistor-Halbbrücke. Die Treibereinheit weist einen Transformator auf und eine mit dem Transformator eingangsseitig verbundene Eingangsstufe, insbesondere Halbleiter-Eingangsstufe. Die Eingangsstufe ist ausgebildet, eine Wechselspannung zu erzeugen und den Transformator eingangsseitig, insbesondere eine Primärspule des Transformators, mit der Wechselspannung zu beaufschlagen. Der Transformator ist ausgangsseitig mit Steuerausgängen zum Ansteuern der Transistor-Halbbrücke verbunden. The invention relates to a driver unit for driving at least one transistor half-bridge. The driver unit has a transformer and an input stage connected to the transformer on the input side, in particular a semiconductor input stage. The input stage is designed to generate an alternating voltage and to charge the transformer on the input side, in particular a primary coil of the transformer, with the alternating voltage. The transformer is the output side connected to control outputs for driving the transistor half-bridge.
Bei Treibereinheiten zum Ansteuern einer Halbbrücke, insbesondere einer Halbbrücke eines DC-DC-Wandlers, besteht das Problem, dass der Transformator, welcher die Steuereingänge der Halbbrücke galvanisch von der Eingangsstufe trennt, die die Steuersignale zum Ansteuern der Halbbrücke erzeugt, bei einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung in eine Sättigung geraten kann.In driver units for driving a half-bridge, in particular a half-bridge of a DC-DC converter, there is the problem that the transformer which separates the control inputs of the half-bridge galvanically from the input stage, which generates the control signals for driving the half-bridge, in a pulse width modulated control in may saturate.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß weist die Treibereinheit einen Kondensator auf und ist ausgebildet, zum Erzeugen einer Wechselspannung den Kondensator elektrisch aufzuladen und die elektrische Ladung zum Erzeugen einer Halbwelle der Wechselspannung auf eine Primärwindung des Transformators zu schalten. Dadurch kann vorteilhaft der durch die Primärspule des Transformators fließende Strom durch die Kapazität des Kondensators beschränkt werden.According to the invention, the drive unit has a capacitor and is designed to electrically charge the capacitor for generating an alternating voltage and to switch the electrical charge for generating a half-wave of the alternating voltage to a primary winding of the transformer. As a result, the current flowing through the primary coil of the transformer can advantageously be limited by the capacitance of the capacitor.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Treibereinheit ist wenigstens durch einen Teil der Eingangsstufe ein Aufwärtswandler gebildet. Der Aufwärtswandler weist eine Induktivität und eine mit der Induktivität in Serie verbundene Kapazität auf. Bevorzugt ist die Induktivität durch die Primärspule und die Kapazität durch den zuvor genannten Kondensator gebildet. In a preferred embodiment of the driver unit, an up-converter is formed at least through part of the input stage. The boost converter has an inductance and a capacitance connected in series with the inductor. Preferably, the inductance is formed by the primary coil and the capacitance by the aforementioned capacitor.
In der Ausführungsform der Eingangsstufe mit dem Aufwärtswandler kann die pulsweitenmodulierte Bestromung der Primärspule vorteilhaft aufwandsgünstig bereitgestellt werden, wobei weiter vorteilhaft mittels des Aufwärtswandlers ein Primärspulenstrom begrenzt werden kann. In the embodiment of the input stage with the up-converter, the pulse-width-modulated current supply of the primary coil can advantageously be provided at low cost, and further advantageously a primary coil current can be limited by means of the up-converter.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Eingangsstufe ausgebildet, zum Erzeugen einer ersten Halbwelle der Wechselspannung einen Anschluss der Primärspule und des Kondensators für ein vorbestimmtes Zeitintervall auf ein Massepotential, insbesondere auf einen Masseanschluss zu schalten und dabei den Kondensator geladen zu lassen. Die Eingangsstufe ist bevorzugt weiter ausgebildet, zum Erzeugen einer zweiten zur ersten Halbwelle entgegengesetzten Halbwelle der Wechselspannung einen zweiten Anschluss des Kondensators niederohmig mit dem Massepotential, insbesondere Masseanschluss zu verbinden und so den Kondensator über die Primärspule zu entladen. Dadurch kann vorteilhaft eine Wechselspannung mit einem durch die Kondensatorkapazität begrenzten Primärspulenstrom durch die Eingangsstufe erzeugt werden. Ein weiterer Anschluss der Primärspule ist bevorzugt mit einem insbesondere positiven Anschluss für eine Versorgungsspannung verbunden.In a preferred embodiment, the input stage is designed to switch a terminal of the primary coil and of the capacitor for a predetermined time interval to a ground potential, in particular to a ground terminal and to let the capacitor charged to generate a first half-wave of the AC voltage. The input stage is preferably further configured to connect a second terminal of the capacitor low impedance to the ground potential, in particular ground terminal for generating a second half-wave of the alternating voltage opposite to the first half-wave and thus to discharge the capacitor via the primary coil. As a result, an AC voltage with a primary coil current limited by the capacitor capacitance can advantageously be generated by the input stage. Another connection of the primary coil is preferably connected to a particular positive terminal for a supply voltage.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein erster Anschluss des Kondensators mit der Primärspule über einen ersten Halbleiterschalter mit einem Masseanschluss verbunden und ein zweiter Anschluss des Kondensators über einen zweiten Halbleiterschalter mit dem Masseanschluss verbunden. Bevorzugt ist zu dem zweiten Halbleiterschalter eine Diode parallel geschaltet, sodass der Kondensator beim Durchschalten des ersten Halbleiterschalters seine Ladung halten kann. Bevorzugt ist die Diode Bestandteil des Aufwärtswandlers.In a preferred embodiment, a first terminal of the capacitor is connected to the primary coil via a first semiconductor switch to a ground terminal and a second terminal of the capacitor via a second semiconductor switch connected to the ground terminal. Preferably, a diode is connected in parallel with the second semiconductor switch, so that the capacitor can hold its charge when the first semiconductor switch is turned on. Preferably, the diode is part of the up-converter.
Durch die so gebildete Anordnung kann das Erzeugen der Wechselspannung zum Bestromen der Primärspule vorteilhaft aufwandsgünstig – mit nur zwei Halbleiterschaltern – erfolgen.By means of the arrangement thus formed, the generation of the alternating voltage for energizing the primary coil can be advantageous in terms of complexity-with only two semiconductor switches.
Bevorzugt ist die Treibereinheit derart ausgebildet, dass der Kondenstor während einer Totzeit wenigstens einer der Halbleiterschalter über die Diode geladen werden kann. Preferably, the driver unit is designed such that the capacitor can be charged via the diode during a dead time of at least one of the semiconductor switches.
Die Totzeit ist ein Zeitintervall, zu dessen Beginn der Transistor zum Durchschalten oder Sperren angesteuert wird, und auf das Ansteuern hin um das Zeitintervall verzögert reagiert. Dadurch kann die Totzeit vorteilhaft genutzt sein. The dead time is a time interval at the beginning of which the transistor is driven to turn on or off and responsive to the drive delayed by the time interval. As a result, the dead time can be used to advantage.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Halbleiterschalter ein negativ leitender Feldeffekt-Transisitor, auch N-Feldeffekttransistor genannt, und der zweite Halbleiterschalter ein positiv leitender Feldeffekt-Transisitor, auch P-Feldeffekttransistor genannt. Die Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren sind jeweils mit dem Masseanschluss verbunden, wobei die Diode durch eine Body-Diode des zweiten Halbleiterschalters gebildet ist.In a preferred embodiment, the first semiconductor switch is a negative-conducting field-effect transistor, also called N-field-effect transistor, and the second semiconductor switch is a positive-conducting field-effect transistor, also called P-field-effect transistor. The source terminals of the field effect transistors are each connected to the ground terminal, wherein the diode is formed by a body diode of the second semiconductor switch.
Bevorzugt ist der Feldeffekttransistor ein MIS-FET (MIS = Metal-Insulated-Semiconductor) oder ein MOS-FET (MOS = Metal-Oxide-Semiconductor). The field-effect transistor is preferably an MIS-FET (MIS = Metal-Insulated-Semiconductor) or a MOS-FET (MOS = Metal-Oxide-Semiconductor).
Dadurch kann vorteilhaft die Diode, insbesondere die Diode des Aufwärtswandlers, welche ein Beibehalten der Ladung des Kondensators bewirkt, als zusätzliches elektronisches Bauelement eingespart werden.This can advantageously the diode, in particular the diode of the up-converter, which a Maintaining the charge of the capacitor causes saved as an additional electronic component.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Treibereinheit ausgebildet, die Halbleiterschalter jeweils mit demselben Schaltzeitintervall einander abwechselnd durchzusteuern. Dadurch kann vorteilhaft eine Spannungsverdopplung der über dem Kondensator abfallenden Spannung, bezogen auf eine Betriebsspannung, bewirkt werden.In a preferred embodiment, the driver unit is designed to alternately control the semiconductor switches alternately with the same switching time interval. As a result, a voltage doubling of the voltage drop across the capacitor relative to an operating voltage can advantageously be effected.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Transformator sekundärseitig zwei Sekundärwindungen auf, wobei jede Sekundärwindung mit einem Transistor von zwei Transistoren der Transistor-Halbbrücke verbunden ist. Weiter bevorzugt ist die Treibereinheit ausgebildet, das mit den von den Sekundärwindungen erzeugten Spannungen jeweils zueinander verschiedene Transistoren der Transistor-Halbbrücke angesteuert werden können. Dadurch ist vorteilhaft für jeden Transistor der Transistor-Halbbrücke eine gesonderte, galvanisch getrennte Spannungsquelle gebildet.In a preferred embodiment, the transformer has two secondary windings on the secondary side, each secondary winding being connected to a transistor of two transistors of the transistor half-bridge. More preferably, the driver unit is formed, which can be driven with the voltages generated by the secondary windings mutually different transistors of the transistor half-bridge. As a result, a separate, galvanically isolated voltage source is advantageously formed for each transistor of the transistor half-bridge.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Treiberstufe einen Taktgenerator auf, welcher ausgebildet ist, ein Taktsignal zu erzeugen. Die Treiberstufe ist bevorzugt ausgebildet, die Halbleiterschalter jeweils in Abhängigkeit des Taktsignals durchzuschalten oder zu sperren. Der Taktgenerator ist bevorzugt mit der Eingangsstufe, insbesondere einem Eingang der Eingangsstufe für das Taktsignal verbunden.In a preferred embodiment, the driver stage comprises a clock generator which is designed to generate a clock signal. The driver stage is preferably designed to switch through or block the semiconductor switches in each case as a function of the clock signal. The clock generator is preferably connected to the input stage, in particular to an input of the input stage for the clock signal.
Die Erfindung betrifft auch einen DC-DC-Wandler, insbesondere einen Phase-Shift-Full-Bridge-Converter, mit wenigstens einer Treibereinheit gemäß der vorbeschriebenen Art. Der Wechselrichter weist wenigstens eine Vollbrücke auf. Die Vollbrücke umfasst bevorzugt zwei Transistor-Halbbrücken. Bevorzugt ist wenigstens eine Transistor-Halbbrücke der Transistor-Halbbrücken, oder beide Transistor-Halbbrücken eingangsseitig mit der Treibereinheit verbunden.The invention also relates to a DC-DC converter, in particular a phase-shift full-bridge converter, with at least one driver unit according to the above-described type. The inverter has at least one full bridge. The full bridge preferably comprises two transistor half-bridges. Preferably, at least one transistor half-bridge of the transistor half-bridges, or both transistor half-bridges are connected on the input side to the driver unit.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche und den in den Figuren beschreiebenen Merkmalen.The invention will now be explained below with reference to figures and further embodiments. Further advantageous embodiments emerge from the features of the dependent claims and the features described in the figures.
Die Treibereinheit
Der Transformator
Die Sekundärspule
Die Halbbrücke
Der Drain-Anschluss des Highside-Transistors
Die Halbbrücke
Die Schaltstufe
Ein Gate-Anschluss des Transistors
Die Schaltstufe
Die Eingangsstufe
Dargestellt ist auch eine Diode
Der Drain-Anschluss des Transistors
Die Eingangsstufe
Durch die Primärspule
Der Kollektoranschluss des PNP-Transistors ist über einen Widerstand mit einem Anschluss
Die Treiberstufe
Ein Basisanschluss des PNP-Transistors ist über einen Vorwiderstand mit dem Anschluss
Die Diode bewirkt auch vorteilhaft, dass der PNP-Transistor im Falle des gesperrten Zustandes vor zu hohen Sperrspannungen geschützt ist. The diode also has the advantageous effect that the PNP transistor is protected in the case of the locked state against excessive reverse voltages.
Die Funktion der in
Die Kurve
Eine Kurve
Während einer ersten Halbwelle einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung, welche durch das Zeitintervall
Während des Zeitintervalls
Die von dem Pulsweitenmodulator
- Vcs
- = Spannung des Kondensators
- Vcc
- = Betriebsspannung der Eingangsstufe
- D
- = Tastverhältnis.
- cs
- = Voltage of the capacitor
- Vcc
- = Operating voltage of the input stage
- D
- = Duty cycle.
Die Betriebsspannung der Eingangsstufe beträgt im Beispiel der
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