DE102014009934A1 - Energieübertrager, Gate-Treiber und Verfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energieübertrager (100) zur induktiven Energieübertragung von einem primären Schaltkreis (10) des Energieübertragers (100) an eine erste (5) und eine zweite (15) Spannungsdomäne eines sekundären Schaltkreises (20) des Energieübertragers (100) und zur Informationsübertragung vom sekundären Schaltkreis (20) zum primären Schaltkreis (10). Dabei umfasst der Energieübertrager (100): – einen Transformator (30), über den der primäre Schaltkreis (10) und der sekundäre Schaltkreis (20) induktiv miteinander gekoppelt sind und über den sowohl die Energieübertragung als auch die Informationsübertragung erfolgt; und – ein Amplitudenmodulationsmodul (50) zum Modulieren der Strom- und/oder Spannungsamplitude im sekundären Schaltkreis (20) mit Hilfe eines Amplitudenmodulationsschalters (55), wobei der Amplitudenmodulationsschalter (55) zwischen der ersten (5) und zweiten (15) Spannungsdomäne des sekundären Schaltkreises (20) angeordnet ist und ausgelegt ist, durch Öffnen und Schließen des Amplitudenmodulationsschalters (55) die Strom- und/oder Spannungsamplitude im primären Schaltkreis (10) zu ändern, um somit Information vom sekundären Schaltkreis (20) zum primären Schaltkreis (10) zu übertragen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Gate-Treiber zum Schalten eines Leistungsschalters (500) und ein Verfahren zur induktiven Übertragung von Energie und zur kombinierten Informationsübertragung.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Energieübertrager und ein Verfahren zur induktiven Übertragung von Energie mit einer kombinierten Informationsübertragung. Ferner betrifft die Erfindung einen Gate-Treiber zum Steuern eines Leistungsschalters.
• Enegieübertrager und insbesondere integrierte Gate-Treiber für Hochspannungsanwendungen bis zu 600 V werden in den verschiedensten Bereichen, beispielsweise bei Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen und Trockner, oder auch auf neuen Gebieten wie der Elektromobilität, benötigt. Auf Grund der fortschreitenden technischen Entwicklungen in diesen Bereichen besteht der Bedarf an immer intelligentere und effizientere Energieübertrager und/oder Gate-Treiber.
• Zur Übertragung oder zum Transport von Energie können insbesondere Transformatoren verwendet werden. Ein Transformator besteht aus zumindest zwei Spulen, einer Primärspule mit einer vorbestimmten Windungszahl N1 und zumindest einer Sekundärspule mit einer vorbestimmten Windungszahl N2. Die Spulen sind in der Regel um die Schenkel eines geschlossenen Eisenkerns gewickelt. Die der elektrischen Energiequelle zugewandte Seite des Transformators wird als Primärseite bezeichnet. Diejenige Seite des Transformators, an welcher sich die elektrische Last befindet, wird als Sekundärseite bezeichnet. Legt man an die Primärspule eine Wechselspannung an, so stellt sich an der zweiten, und den evtl. weiteren vorhandenen Sekundärspulen eine Wechselspannung ein, deren Höhe sich im Idealfall zu der ursprünglichen angelegten Spannung so verhält wie das Verhältnis der Windungszahlen der entsprechenden Wicklungen zueinander. Transformatoren dienen daher zur Erhöhung oder Verringerung von Spannungen. Gleichzeitig erfolgt durch die induktive Kopplung auch eine galvanische Trennung der Stromkreise, was gerade bei Gate-Treibern wichtig ist, um z. B. einen sogenannten Low-side Schaltkreis bzw. Low-side IC (IC = „integrated circuit”), welcher insbesondere Kontrollsignale zur Ansteuerung eines Gates liefert, von einem High-side Schaltkreis bzw. High-side IC, welcher auf Basis der Kontrollsignale des Low-side IC's die Treiberspannung(en) bereitstellt, elektrisch zu trennen bzw. zu entkoppeln.
• Jedoch ist für viele Anwendungen nicht nur die Effizienz der Energieübertragung und/oder Spannungswandlung wichtig. Gerade bei komplexeren und intelligenten Gate-Treibern spielt auch ein Informationsaustausch, insbesondere zwischen dem Low-side Schaltkreis und dem High-side Schaltkreis des Energieübertragers bzw. Gate-Treibers, eine entscheidende Rolle. Dabei müssen z. B. Kontrollsignale vom Low-side Schaltkreis zum High-side Schaltkreis übertragen werden. Aber auch umgekehrt ist es wünschenswert, Informationen vom High-side Schaltkreis wie z. B. gemessene Stromwerte des anzusteuernden Leistungsschalters bzw. Leistungstransistors, allgemeine Informationen über den Gate-Treiber oder Fehlersignale, die z. B. bei einem Lastabriss generiert werden, zum Low-side Schaltkreis zu übertragen, um damit wiederum die Kontrollsignale anzupassen. Mit anderen Worten ist neben der Energieübertragung auch eine Informations- und/oder Signalübertragung zwischen dem Low-side Schaltkreis und dem High-side Schaltkreis gewünscht bzw. notwendig.
• Um sowohl Energie wie auch Informationen effizient und kostensparend, insbesondere bei gleichzeitiger Versorgung zweier Spannungsquellen, zu übertragen ist bei bisherigen Vorrichtungen bzw. Verfahren ein einzelner Transformator mit genau einer Primärwicklung bzw. Primärspule und genau einer Sekundärwicklung bzw. Sekundärspule nicht ausreichend. Vielmehr werden herkömmlicherweise die Energieübertragung und die Informationsübertragung, insbesondere die Energieübertragung und eine bidirektionale Informationsübertragung, durch separate Bauelemente bzw. Schaltkreise realisiert. So werden herkömmlicherweise in der Regel zwei oder mehrere Transformatoren eingesetzt, ein Transformator für die Energieübertragung und zumindest ein anderer Transformator für die bidirektionale Signalübertragung.
• Der Einsatz zweier oder mehrerer Transformatoren ist jedoch teuer und benötigt viel Platz auf einem Chip. Dies verringert folglich die Integrationsdichte. Zudem können zwei oder mehrere Transformatoren auf einem Chip zu einer störenden Interferenz führen, was wiederum die Leistungsfähigkeit und/oder die Zuverlässigkeit von entsprechenden Energieübertragern, Spannungswandlern bzw. Gate-Treibern reduziert.
• Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Energieübertrager bzw. Spannungswandler, einen Gate-Treiber, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, die eine effiziente, kostengünstige und platzsparende Energieübertragung zusammen mit einer Signal- und/oder Informationsübertragung ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
• Ein erster unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft einen Energieübertrager zur induktiven Energieübertragung von einem primären Schaltkreis des Energieübertragers an eine erste und eine zweite Spannungsdomäne eines sekundären Schaltkreises des Energieübertragers und zur Informationsübertragung vom sekundären Schaltkreis zum primären Schaltkreis. Der Energieübertrager umfasst:
• – einen Transformator, über den der primäre Schaltkreis und der sekundäre Schaltkreis induktiv miteinander gekoppelt sind und über den sowohl die Energieübertragung als auch die Informationsübertragung, insbesondere die bidirektionale Informationsübertragung, erfolgt; und
• – ein Amplitudenmodulationsmodul zum Modulieren der Strom- und/oder Spannungsamplitude im sekundären Schaltkreis mit Hilfe eines Amplitudenmodulationsschalters, wobei der Amplitudenmodulationsschalter zwischen der ersten und zweiten Spannungsdomäne des sekundären Schaltkreises angeordnet ist und ausgelegt ist, durch Öffnen und Schließen des Amplitudenmodulationsschalters die Strom- und/oder Spannungsamplitude im primären Schaltkreis zu ändern, um somit Daten bzw. Information vom sekundären Schaltkreis zu dem bzw. in den primären Schaltkreis zu übertragen.
• Der Energieübertrager kann beispielsweise ein Spannungswandler bzw. Spannungssteller, insbesondere ein Gleichspannungssteller, sein. Vorzugsweise ist der Energieübertrager ein galvanisch getrennter Energieübertrager, d. h. vorteilhafterweise ist der Primärkreis und der Sekundärkreis des Energieübertragers durch den Transformator galvanisch getrennt. Insbesondere kann der Energieübertrager ein Gegentaktflusswandler oder ein Resonanzwandler sein.
• Unter dem primären Schaltkreis des Energiewandlers werden der oder diejenigen Schaltkreise, Module bzw. Bauteile des Energieübertragers verstanden, die sich auf der einer elektrischen Energiequelle zugewandten Seite des Transformators befinden bzw. dort angeordnet sind. Unter dem sekundären Schaltkreis des Energiewandlers werden der oder diejenigen Schaltkreise, Module bzw. Bauteile des Energieübertragers verstanden, die sich auf der Seite des Transformators befinden, an welcher sich eine mit dem Energieübertrager elektrische Last und/oder ein zu steuernder Leistungsschalter befindet bzw. dort angeordnet sind. Mit anderen Worten ist der primäre Schaltkreis derjenige Schaltkreis des Energieübertragers, von welchem Energie übertragen wird. Entsprechend ist der sekundäre Schaltkreis derjenige Schaltkreis des Energieübertragers, zu dem Energie übertragen bzw. transportiert wird. Der primäre Schaltkreis ist über den Transformator vom sekundären Schaltkreis getrennt, insbesondere galvanisch getrennt. Mit anderen Worten ist der primäre Schaltkreis des Energieübertragers durch den Transformator mit dem sekundären Schaltkreis des Energieübertragers induktiv gekoppelt. Beispielsweise kann der primäre Schaltkreis einen Low-side Schaltkreis des Energieübertragers umfassen und/oder der sekundäre Schaltkreis einen High-side Schaltkreis des Energieübertragers umfassen. Insbesondere kann der primäre Schaltkreis ein Low-side Schaltkreis des Energieübertragers sein und/oder der sekundäre Schaltkreis ein High-side Schaltkreis des Energieübertragers sein.
• Unter einer Spannungsdomäne wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein vorbestimmtes elektrisches Potential, ein vorbestimmtes Spannungslevel bzw. ein vorbestimmter Spannungspegel verstanden, welches sich von einem gemeinsamen Massepotential bzw. Erdpotential bzw. Referenzpotential einer oder mehrerer Schaltungen des Energieübertragers unterscheidet. Beispielsweise ist die erste Spannungsdomäne ein 5 V Potential und die zweite Spannungsdomäne ein 15 V Potential. Insbesondere ist die erste Spannungsdomäne eine erste Versorgungsspannung und/oder ist die zweite Spannungsdomäne eine zweite Versorgungsspannung, wobei die erste und die zweite Versorgungsspannung vorzugsweise jeweils verschiedene Bauteile, Schaltblöcke bzw. Schaltkreise und/oder Module mit Spannung bzw. Energie versorgt Beispielsweise kann die erste Spannungsdomäne den High-side IC versorgen. Mit der zweiten Spannungsdomäne kann z. B. ein Leistungsschalter bzw. das Gate eines Leistungstransistors, insbesondere eines MOSFETS, gesteuert werden.
• Das Amplitudenmodulationsmodul umfasst vorzugsweise einen Schaltkreis auf der sekundären Seite des Transformators. Mit anderen Worten bildet das Amplitudenmodulationsmodul einen Teil des sekundären Schaltkreises des Energieübertragers. Das Amplitudenmodulationsmodul umfasst einen Amplitudenmodulationsschalter, der vorzugsweise als MOSFET ausgebildet ist.
• Der Amplitudenmodulationsschalter ist zwischen der ersten und zweiten Spannungsdomäne des sekundären Schaltkreises angeordnet bzw. geschaltet, d. h. der Amplitudenmodulationsschalter verbindet, insbesondere über weitere Bauelemente wie z. B. einer oder mehrerer Dioden, die erste Spannungsdomäne mit der zweiten Spannungsdomäne. Der Amplitudenmodulationsschalter ist ausgelegt, durch Öffnen und Schließen, d. h. durch Aktivieren und Deaktivieren, des Amplitudenmodulationsschalters die Strom- und/oder Spannungsamplitude im primären Schaltkreis des Energieübertragers zu ändern, zu beeinflussen, zu regeln und/oder zu kontrollieren. Vorzugsweise sinkt die Strom- und/oder Spannungsamplitude im primären Schaltkreis, insbesondere auf einen vorbestimmten Wert, ab, wenn der Amplitudenmodulationsschalter geschlossen wird. Umgekehrt steigt vorzugsweise die Strom- und/oder Spannungsamplitude im primären Schaltkreis, insbesondere auf einen vorbestimmten Wert, an, wenn der Amplitudenmodulationsschalter geöffnet wird.
• Durch Alternieren zwischen den zwei Spannungsdomänen auf der sekundären Seite bzw. des sekundären Schaltkreises des Energieübertragers, passt sich die Strom- bzw. Spannungsamplitude auf der primären Seite bzw. des primären Schaltkreises des Energieübertragers entsprechend an und kann somit als Signal bzw. Information vorteilhafterweise ausgewertet werden. Durch Alternieren zwischen den zwei Spannungsdomänen mittels abwechselnden Schaltens des Amplitudenmodulationsschalters können die zwei Spannungsdomänen mit Energie versorgt werden. Durch ein kodiertes Alternieren kann die kodierte Information durch Detektion der Strom- und/oder Spannungsamplitude auf der primären Seite bzw. in dem primären Schaltkreis des Energieübertragers wiedergewonnen werden. Für die Informationsübertragung eignen sich insbesondere Kodierungen, die gleichanteilsfrei sind, wie beispielsweise der Manchester-Code, um eine gleichmäßige Energieverteilung auf die zwei Spannungsdomänen zu gewährleisten.
• Vorzugsweise wird der Amplitudenmodulationsschalter auf Basis eines binären Sekundärkreiscodes, d. h. einer Bitfolge aktiviert bzw. deaktiviert, welche eine oder mehrere Informationen des sekundären Schaltkreises des Energieübertragers repräsentiert. Beispielsweise kann der binäre Sekundärkreiscode Messwerte und/oder Fehlersignale des sekundären Schaltkreises repräsentieren, welche von dem sekundären Schaltkreis in den primären Schaltkreis des Energieübertragers übertragen werden sollen.
• Die zwei Spannungsdomänen werden vorzugsweise mit Kapazitäten, d. h. mittels Kondensatoren, gepuffert. Damit wird vorteilhafterweise ein ungleichmäßiger Strombedarf und/oder es werden Versorgungspausen während des Umschaltens auf die jeweils andere Spannungsdomäne überbrückt.
• Vorzugsweise ist der Energieübertrager zur bidirektionalen Informationsübertragung geeignet, wobei sowohl die Energieübertragung als auch die bidirektionale Informationsübertragung, d. h. die Informationsübertragung vom primären Schaltkreis zum sekundären Schaltkreis und die Informationsübertragung vom sekundären Schaltkreis zum primären Schaltkreis, über den Transformator erfolgen. Somit kann vorteilhafterweise die Anzahl an Bauelementen gering gehalten werden, da kein zweiter Transformator und/oder andere Bauelemente zur Informationsübertragung wie z. B. Optokoppler oder Lichtwellenleiter benötigt werden. Die Integrationsdichte bzw. Miniaturisierung kann folglich erhöht werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Energieübertrager nur einen einzigen Transformator mit genau einer Primärspule und einer Sekundärspule auf. Dadurch wird im Vergleich zu herkömmlichen Energieübertragern mit mehreren Transformatoren oder mehreren Sekundärwicklungen bzw. Sekundärspulen eine höhere Miniaturisierung erreicht. Zudem ist die Signalübertragung im Wesentlichen verlustfrei und nicht störanfällig, da keine Interferenzen mehrerer Transformatoren bzw. Sekundärspulen vorhanden sind. Außerdem werden durch den Einsatz nur eines Transformators die Herstellungskosten reduziert.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Energieübertragers ist der Amplitudenmodulationsschalter ferner derart ausgelegt, dass die Last des sekundären Schaltkreises durch Öffnen und Schließen des Amplitudenmodulationsschalters im Wesentlichen unverändert bleibt. Unter der Last des sekundären Schaltkreises wird im Sinne dieser Beschreibung diejenige Last verstanden, die durch Leitungen und/oder Bauelemente des sekundären Schaltkreises, d. h. interne bzw. systemeigene Leitungen und/oder Bauelemente, erzeugt wird. Eine Nutzlast eines oder mehrerer externer Verbraucher zählt somit definitionsgemäß nicht zur Last des sekundären Schaltkreises. Mit dem Amplitudenmodulationsschalter wird insbesondere kein Lastwiderstand, insbesondere kein dedizierter, d. h. kein speziell für eine Lastmodulation vorgesehener bzw. eingesetzter Lastwiderstand, geschaltet. Mit anderen Worten verbindet bzw. koppelt der Amplitudenmodulationsschalter die erste und zweite Spannungsdomäne, ohne dass ein Lastwiderstand, insbesondere ein dedizierter Lastwiderstand, dazwischengeschaltet ist. Zwischen den beiden Spannungsdomänen, die von dem Amplitudenmodulationsschalter geschaltet werden, können sich jedoch anderen Bauelemente, insbesondere eine oder mehrere Dioden, befinden, welche im Vergleich zu einem dedizierten Lastwiderstand bei Betätigen, d. h. Ein- und/oder Ausschalten, des Amplitudenmodulationsschalters eine nur unwesentliche Laständerung des sekundären Schaltkreises bewirken. Mit anderen Worten bleibt durch Hinzu- oder Wegschalten solcher Bauelemente mittels des Amplitudenmodulationsschalters die Last des sekundären Schaltkreises im Wesentlichen unverändert. Unter „im Wesentlichen unverändert” wird im Sinne dieser Beschreibung verstanden, dass sich die Last des sekundären Schaltkreises des Energieübertragers bei Betätigen des Amplitudenmodulationsschalters um weniger als 20%, vorzugsweise um weniger als 15%, mehr bevorzugt um weniger als 10%, und am bevorzugtesten um weniger als 5% ändert. Im Gegensatz zur Lastmodulation, bei der ein dedizierter Lastwiderstand bzw. eine dedizierte Last kodiert zugeschaltet bzw. weggeschaltet wird, um somit kodiert einen zusätzlichen Laststrom zu erzeugen, kann somit mit der erfindungsgemäßen Amplitudenmodulation vorteilhafterweise die Erzeugung von Verlustenergie reduziert bzw. vermieden werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Energieübertragers umfasst der primäre Schaltkreis einen Resonanzkreis. Zudem umfasst der primäre Schaltkreis ein Frequenz- und/oder Phasenmodulationsmodul zum Modulieren der Frequenz und/oder Phase des Resonanzkreises. Somit können Daten, Signale und/oder Information vom primären Schaltkreis zum sekundären Schaltkreis übertragen werden.
• Der Resonanzkreis umfasst vorzugsweise einen Resonanzkreiskondensator mit einer vorbestimmten Kapazität und eine Resonanzkreisspule mit vorbestimmter Induktivität, sowie eine Energie- bzw. Spannungsquelle, insbesondere eine Wechselspannungsquelle.
• Das Frequenz- bzw. Phasenmodulationsmodul umfasst vorzugsweise einen schaltbaren bzw. variablen Frequenzmodulationskondensator bzw. eine schaltbare bzw. variable Frequenzmodulationskapazität, sowie einen zum Frequenzmodulationskondensator in Reihe geschalteten Kapazitätsschalter, der vorzugsweise als MOSFET ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Frequenzmodulationsmodul eine schaltbare bzw. variable Frequenzmodulationsspule bzw. eine schaltbare bzw. variable Frequenzmodulationsinduktivität, sowie einen zur Frequenzmodulationsspule in Reihe geschalteten Induktivitätsschalter, der insbesondere als MOSFET ausgebildet ist, umfassen. Das Frequenz- bzw. Phasenmodulationsmodul ist vorzugsweise parallel zu dem Resonanzkreiskondensator und/oder der Resonanzkreisspule geschaltet. Durch Schalten, d. h. Aktivieren und Deaktivieren des Kapazitätsschalters bzw. des Induktivitätsschalters kann somit die Gesamtkapazität bzw. die Gesamtinduktivität, und damit die Frequenz und/oder Phase des Resonanzkreises variiert werden.
• Vorzugsweise wird der Kapazitätsschalter bzw. der Induktivitätsschalter auf Basis eines binären Primärkreiscodes, d. h. einer Bitfolge aktiviert bzw. deaktiviert, welche eine oder mehrere Informationen des primären Schaltkreises des Energieübertragers repräsentiert. Beispielsweise kann der binäre Primärkreiscode ein oder mehrere Kontrollsignale repräsentieren, welche von dem primären Schaltkreis in den sekundären Schaltkreis übertragen werden sollen.
• Vorzugsweise umfasst der sekundäre Schaltkreis des Energieübertragers ein Frequenz- und/oder- Phasenmodulationsdetektionsmodul zum Detektieren der Frequenz- und/oder Phasenmodulation des primären Schaltkreises bzw. Resonanzkreises. Mit Hilfe des Frequenz- bzw. -Phasenmodulationsdetektionsmodul können der Primärkreiscode und damit die Daten bzw. Informationen des primären Schaltkreises auf der sekundären Seite des Energieübertragers 100 wiedergewonnen bzw. detektiert werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Energieübertragers umfasst der sekundäre Schaltkreis ein Kodierungsmodul, wobei das Kodierungsmodul vorzugsweise Daten bzw. Informationen, wie z. B. den Strom durch einen Leistungsschalter, die Temperatur des Leistungsschalters, Fehlersignale, usw., in einen binären Sekundärkreiscode kodiert. Der binäre Sekundärkreiscode umfasst vorzugsweise eine Folge von Bits, welche zur Steuerung des Amplitudenmodulationsschalters verwendet werden kann. Beispielsweise wird der Amplitudenmodulationsschalter bei einer ,0' geöffnet und bei einer ,1' geschlossen. Vorzugsweise wird eine Manchester-Kodierung verwendet. Die Manchester-Kodierung hat den Vorteil, dass sie gleichanteilsfrei ist und damit eine gleichmäßige Energieverteilung auf die zwei Spannungsdomänen gewährleistet. Vorzugsweise umfasst der sekundäre Schaltkreis somit ein Manchester-Kodierungsmodul.
• Das Manchester-Kodierungsmodul umfasst vorzugsweise einen Taktgeber und ein XOR-Element, wobei die zu kodierende Bitfolge bzw. eine der Bitfolge entsprechende Spannung V_bit mit einem ersten Eingang des XOR-Elements verbunden ist und wobei das vom Taktgeber erzeugte Signal bzw. die vom Taktgeber erzeugte Spannung V_clk (clk = „clock”) mit einem zweiten Eingang des XOR-Elements verbunden ist. Am Ausgang des XOR-Elements wird schließlich der Manchester Code ausgegeben.
• Ferner umfasst der primäre Schaltkreis des Energieübertragers vorzugsweise ein Amplitudenmodulationsdetektionsmodul bzw. ein Amplitudendemodulationsmodul zum Detektieren der Amplitudenmodulation des sekundären Schaltkreises. Das Amplitudenmodulationsdetektionsmodul umfasst vorzugsweise ein Dekodierungsmodul, insbesondere ein Manchester-Dekodierungsmodul. Mit dem Dekodierungsmodul können die vom Kodierungsmodul kodierten Daten wiedergewonnen, d. h. dekodiert werden. Beispielsweise umfasst das Manchester-Dekodierungsmodul einen Pulsgenerator, einen Zähler und eine Taktgeber-Dekodiereinheit, um den Manchester Code zu dekodieren.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Energieübertragers umfasst der sekundäre Schaltkreis ferner einen Spannungsregler, insbesondere einen Low-dropout(LDO)-Regler, zum Stabilisieren zumindest einer der Spannungsdomänen.
• Vorzugsweise ist der Spannungsregler ausgelegt, die erste Spannungsdomäne V_DD5 bereitzustellen und/oder zu stabilisieren.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Energieübertragers umfasst der sekundäre Schaltkreis ferner ein Startup-Modul zur Inbetriebnahme des Energieübertragers. Mit anderen Worten kann der Energieübertrager durch das Startup-Modul in Betrieb genommen werden, indem das Startup-Modul ausgelegt ist, die erste Spannungsdomäne aus der zweiten Spannungsdomäne, insbesondere die notwendigen Versorgungsspannungen für den sekundären Schaltkreis des Energieübertragers, initial, d. h. vorübergehend, bereitzustellen. Vorzugsweise ist das Startup-Modul schaltbar an den sekundären Schaltkreis des Energieübertragers anschließbar, d. h. das Startup-Modul kann nach Anlaufen bzw. Inbetriebnahme des Energieübertragers abgeschaltet werden bzw. vom sekundären Schaltkreis getrennt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Energieübertragers umfasst der sekundäre Schaltkreis ferner ein Gleichrichtermodul zum Gleichrichten einer an der Sekundärspule des Transformators anliegenden Wechselspannung. Das Gleichrichtermodul ist vorzugsweise als Brückengleichrichter ausgebildet.
• Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft einen Gate-Treiber zum Schalten eines Leistungsschalters bzw. Leistungstransistors, insbesondere eines MOSFETs, wobei der Gate-Treiber einen erfindungsgemäßen Energieübertrager umfasst.
• Vorzugsweise ist der Amplitudenmodulationsschalter ausgelegt, schneller als der Leistungsschalter getaktet bzw. geschaltet zu werden. Mit anderen Worten ist die Taktfrequenz des Amplitudenmodulationsschalters höher als die Taktfrequenz des Leistungsschalters. Insbesondere ist die Taktfrequenz des Amplitudenmodulationsschalters höher als die Ansprechzeit des Leistungsschalters. Vorzugsweise beträgt die Taktfrequenz des Amplitudenmodulationsschalters mindestens das 10-fache, noch bevorzugter mindestens das 100-fache der Taktfrequenz und/oder der Ansprechzeit des Leistungsschalters. Beispielsweise beträgt die Taktfrequenz des Amplitudenmodulationsschalters etwa 1 Mhz. Die Taktfrequenz und/oder Ansprechfrequenz des Leistungsschalters beträgt beispielsweise weniger als 100 kHz oder weniger als 10 kHz. Beispielsweise ist der Leistungsschalter ein MOSFET oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT).
• Durch die unterschiedlichen Taktfrequenzen bzw. Ansprechzeiten von Amplitudenmodulationsschalter und Leistungsschalter wird gewährleistet, dass die Steuerung des Leistungsschalters durch das alternierende Schalten des Amplitudenmodulationsschalters im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.
• Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur induktiven Übertragung von Energie und zur kombinierten, vorzugsweise bidirektionalen, Informationsübertragung, umfassend die Schritte:
• – Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Energieübertragers;
• – Erzeugen eines Binärcodes, insbesondere eines binären Sekundärkreiscodes, wobei der Binärcode Daten und/oder eine oder mehrere Informationen des sekundären Schaltkreises repräsentiert;
• – Betätigen, d. h. Ein- und/oder Ausschalten bzw. Aktivieren und/oder Deaktivieren, des Amplitudenmodulationsschalters auf Basis des erzeugten Binärcodes;
• – Detektieren einer Spannungs- und/oder Stromamplitude des primären Schaltkreises bzw. Resonanzkreises, um den Binärcode zu reproduzieren bzw. wiederzugewinnen.
• Das Verfahren eignet sich zur Informationsübertragung vom sekundären Schaltkreis zum primären Schaltkreis des Energieübertragers. Vorzugsweise eignet sich das Verfahren auch zur Informationsübertragung vom primären Schaltkreis zum sekundären Schaltkreis des Energieübertragers.
• Vorzugsweise umfasst das Detektieren einer Spannungs- und/oder Stromamplitude des primären Schaltkreises bzw. Resonanzkreises ein Detektieren der Spannungsamplitude an der Primärspule des Transformators bzw. an der Resonanzkreisspule des Resonanzkreises. Alternativ oder zusätzlich kann auch am Resonanzkreiskondensator die Spannungsamplitude des Resonanzkreises detektiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Strom bzw. die Stromamplitude im primären Schaltkreis bzw. Resonanzkreis mit Hilfe eines Strommessgerätes bzw. Amperemeters detektiert werden.
• Mit dem erfindungsgemäßen Energieübertrager, dem erfindungsgemäßen Gate-Treiber und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhafterweise möglich, zwei Versorgungsspannungen für zwei verschiedene Schaltungsblöcke sehr effizient zu erzeugen. Auf der Sekundärseite bzw. in dem sekundären Schaltkreis des Energieübertragers ist neben der Bereitstellung von zwei Versorgungsspannungen und, gegebenenfalls, der Signal- und/oder Informationsübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite des Energieübertragers bzw. Transformators auch gleichzeitig eine Informationsübertragung von der Sekundärseite auf die Primärseite des Energieübertragers bzw. Transformators möglich. Somit kann, insbesondere mit nur einem Transformator, der lediglich eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweist, sowohl Energie vom primären Schaltkreis in den sekundären Schaltkreis als auch Information vom sekundären Schaltkreis zum primären Schaltkreis übertragen werden. Insbesondere kann neben der Energieübertragung vom primären Schaltkreis in den sekundären Schaltkreis auch Information zwischen primären und sekundären Schaltkreis in beiden Richtungen, d. h. bidirektional übertragen werden. Damit können eine höhere Miniaturisierung, eine verlustarme Signalübertragung und eine Kostensenkung realisiert werden. Anwendungsbereiche hierfür sind beispielsweise mikro- und leistungselektronische Produkte im Bereich Power Management.
• Für die oben genannten weiteren unabhängigen Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen des ersten Aspekts.
• Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereit stellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann, und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt ein Prinzip-Schaltbild eines konventionellen Gate-Treibers zum Steuern eines Leistungsschalters;
• 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Energieübertragers gemäß einer Ausführungsform;
• 3a zeigt einen exemplarischen Spannungsverlauf V_LR über die Resonanzkreisspule L_R des erfindungsgemäßen Energieübertragers gemäß 2 bei ein- bzw. ausgeschaltetem Amplitudenmodulationsschalter S1 während des Einschwingvorgangs des Resonanzkreises;
• 3b zeigt den Spannungsverlauf V_LR über die Resonanzkreisspule L_R des erfindungsgemäßen Energieübertragers gemäß 2, wenn der Amplitudenmodulationsschalter S1 alternierend ein- und ausgeschaltet wird;
• 4 zeigt ein schematisches Schaltbild des sekundären Schaltkreises eines erfindungsgemäßen Energieübertragers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
• 5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Energieübertragers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• Die 1 zeigt eine schematische Darstellung bzw. ein Prinzip-Schaltbild eines konventionellen Gate-Treibers bzw. einer konventionellen Gate-Treiber-Schaltung 700 zum Steuern eines Leistungsschalters 500, der eine Spannung von 600 V an eine Last 600, wie beispielsweise elektronische Leistungsteile einer Waschmaschine oder eines Trockners, anlegt bzw. wegschaltet.
• Ein Low-side Schaltkreis bzw. ein Low-side IC 200 stellt in einer Niedrigspannungsdomäne, d. h. einer Spannungsdomäne nahe eines gemeinsamen Massepotentials 1, mittels einer Steuerungseinheit 2 eine oder mehrere Steuerungssignale für den zu steuernden Leistungsschalter 500 bereit. Ein High-side IC 400 erzeugt auf Basis dieser Steuerungssignale die notwendigen Spannungen, um den Leistungsschalter 500 ein- und auszuschalten.
• Der High-side IC 400 umfasst ein Interface 420 zur Kommunikation mit dem Low-side IC 200 und einen Treiber-Baustein bzw. Verstärker 440, dessen Ausgang mit dem Gate des Leistungstransistors 500 verbunden ist, um den Leistungstransistor 500 mit einer Gate- bzw. Treiberspannung zu steuern, regeln bzw. zu schalten.
• Der High-side IC 400 muss einerseits mit Energie und andererseits mit den Steuerungssignalen des Low-side IC's 200 versorgt werden. Zudem ist es wünschenswert, und bei komplexeren Gate-Treibern sogar erforderlich, Informationen, d. h. Daten über verschiedene Messwerte wie Strom, Temperatur, usw., und/oder Fehlersignale, vom High-side IC 400 zum Low-side IC 200 zu übertragen bzw. zu übermitteln.
• Wie in der 1 angedeutet ist, erfolgt herkömmlicherweise die Signal- und Informationsübertragung mit Hilfe eines Transformatorsystems 300, d. h. mit Hilfe von einem oder mehreren Transformatoren, welches eine galvanische Trennung bzw. Isolierung zwischen Low-side IC 200 und High-side IC 400 gewährleistet.
• Die Energieversorgung des High-side IC's 400 wird herkömmlicherweise mit Hilfe eines sogenannten Bootstrapping, d. h. mit Hilfe eines Bootstrapping-Schaltkreises (in 1 nicht gezeigt) realisiert. Aufgrund von auftretenden Leckströmen und/oder einzelner Schaltungsblöcke, welche dauerhaft Strom benötigen, kann mit einem Bootstrapping-Schaltkreis der Leistungsschalter 500 jedoch nicht dauerhaft in einen „an”-Zustand gehalten werden, so dass in vielen Fällen, insbesondere in Fällen, in denen ein dauerhafter oder längerer Betrieb des Leistungsschalters 500 im geöffneten und/oder geschlossenen Zustand erforderlich ist, das Bootstrapping nicht ausreicht. Folglich wird herkömmlicherweise noch ein zweiter Transformator benötigt, mit dem die Energieversorgung des High-side IC's sichergestellt wird. In der 1 sind der zweite und gegebenenfalls weitere Transformatoren der Einfachheit halber durch das Transformatorensystem 300 umfasst.
• Bei einem herkömmlichen Gate-Treiber wird also Energie vom Low-side IC 200 zum High-side IC 400 mittels eines ersten Transformators übertragen, während die Kontrollsignale vom Low-side IC 200 zum High-side IC 400, und gegebenenfalls Informationen bzw. Daten vom High-side IC 400 zum Low-side IC 200, mittels zumindest eines zweiten Transformators übertragen bzw. übermittelt werden. Mit anderen Worten dient herkömmlicherweise ein erster Transformator der Energieübertragung, während zumindest ein zweiter Transformator bzw. ein weiteres galvanisch trennendes signalübertragendes Bauelement der bidirektionalen Signal- und/oder Daten- und/oder Informationsübertragung dient.
• Die 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Energieübertragers 100 gemäß einer Ausführungsform. Der Energieübertrager 100 umfasst einen primären Schaltkreis 10 und einen sekundären Schaltkreis 20. Der primäre Schaltkreis 10 ist durch einen Transformator 30 vom sekundären Schaltkreis 20 galvanisch getrennt. Der Transformator weist eine Primärspule 32 und eine Sekundärspule 34 auf.
• Der primäre Schaltkreis 10 von 2 ist ein Schwing- bzw. Resonanzkreis, welcher eine Energie- bzw. Spannungsquelle 12, einen Schwingkreiskondensator 14 mit der Kapazität C_R und eine Schwingkreis- bzw. Resonanzkreisspule 16 mit der Induktivität L_R umfasst. Die Energie- bzw. Spannungsquelle 12 liefert eine Eingangsspannung V_in, insbesondere eine Wechselspannung wie z. B. eine Rechteckspannung, die den Schwingkreis antreibt und den Schwingkreis bzw. primären Schaltkreis 10 mit Energie versorgt. Die Schwingkreisspule 16 ist mit der Primärspule 32 des Transformators 30 parallel geschaltet, wodurch die Energie des primären Schaltkreises 10 über den Transformator 30 an die Sekundärspule 34 des Transformators und damit an den sekundären Schaltkreis 20 des Energieübertragers 100 übertragen werden kann.
• Je nach Strombedarf kann primärseitig mehr oder weniger Ladung in den Resonanzkreis gegeben werden. Dies kann durch eine Anpassung der Energiemenge pro Schwingungsperiode des Resonanzkreises geschehen oder durch regelmäßiges Anpassen einzelner Pulse zur Versorgung des Resonanzkreises mit Energie. Beispielsweise resultiert eine Verringerung bzw. Vergrößerung der Pulsweite zu einer Verringerung bzw. Vergrößerung der Energiemenge. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Spannungsversorgung des Resonanzkreises angepasst werden. Je größer die Spannung, desto mehr Energie wird pro anregenden Puls eingeprägt. Es können auch in regelmäßigen Abständen anregende Pulse ausgelassen werden, um weniger Energie in den Resonanzkreis einzuprägen. Auf diese Weise kann eine Regelung der Spannungsdomänen vorgenommen werden. Insbesondere kann die notwendige Energiezufuhr auf der Primärseite durch Vergleich eines erfassten Ist-Wertes der Energiemenge auf der Sekundärseite mit einem vorgegebenen Soll-Wert der Energiemenge ermittelt werden.
• Anstelle eines Schwingkreises, wie in der 2 gezeigt, kann der Primärkreis auch eine Halbbrückenansteuerung oder eine Vollbrückenansteuerung für einen Gegentaktflusswandler umfassen, wobei die Halbbrückenansteuerung bzw. Vollbrückenansteuerung mehrere Schalter, insbesondere MOSFETS, umfasst.
• Der sekundäre Schaltkreis 20 von 2 umfasst vier Dioden D₁ bis D₄, welche zu einer Gleichrichter-Brückenschaltung angeordnet sind. Die an der Sekundärspule 34 anliegende bzw. erzeugte Wechselspannung wird somit mit Hilfe der vier Dioden D₁ bis D₄ bzw. mittels der von den Dioden gebildeten Brückenschaltung gleichgerichtet.
• Ferner umfasst der sekundäre Schaltkreis ein Amplitudenmodulationsmodul, welches einen Amplitudenmodulationskondensator 52 (C₁), eine Amplitudenmodulationsdiode 54 und einen Amplitudenmodulationsschalter 55 (S1) umfasst. Der Amplitudenmodulationskondensator 52, die Amplitudenmodulationsdiode 54 und der Amplitudenmodulationsschalter 55 sind in Reihe geschaltet. Der Amplitudenmodulationsschalter 55 ist mit seinem einen Anschluss mit einer ersten Spannungsdomäne 5 (V_DD5) verbunden und mit seinem zweiten Anschluss über die Amplitudenmodulationsdiode 54 mit einer zweiten Spannungsdomäne 15 (V_DD15) verbunden. Der Amplitudenmodulationsschalter 55 ist zusammen mit dem zu dem Amplitudenmodulationsschalter 55 in Reihe geschalteten Amplitudenmodulationskondensator 52 parallel zu dem Brückengleichrichter, der aus den Dioden D₁ bis D₄ gebildet ist, geschaltet.
• Die Spannungsdomänen beziehen sich jeweils auf das gemeinsamen Referenzpotential bzw. die gemeinsamen Masse 1 und unterscheiden sich jeweils definitionsgemäß von der gemeinsamen Masse 1. Zudem unterscheidet sich auch der Wert der ersten Spannungsdomäne 5 von der zweiten Spannungsdomäne 15. In dem Ausführungsbeispiel der 2 beträgt die erste Spannungsdomäne V_DD5 = 5 V, während die zweite Spannungsdomäne V_DD15 = 15 V beträgt.
• Durch Schließen und Öffnen des Amplitudenmodulationsschalters 55 wird die erste oder die zweite Spannungsdomäne zugeschaltet. Da durch den periodisch angeregten Resonanzkreis des primären Schaltkreises 10 eine bestimmte Energiemenge übertragen wird, passt sich die Amplitude am Transformator 30 an den Spannungswert der zugeschalteten Spannung an. Diese Spannungsanpassung erfolgt sowohl auf der primären als auch auf der sekundären Seite des Energieübertragers 100. Die primärseitige Anpassung erfolgt jedoch entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 30, d. h. dem Verhältnis N2/N1 der Windungszahlen N1 der Sekundärspule und der Windungszahl N2 der Primärspule. Durch Alternieren zwischen zwei Spannungsdomänen, d. h. durch Schalten des Amplitudenmodulationsschalters S1 können somit beide Spannungsdomänen, d. h. die erste Spannungsdomäne 5 und die zweite Spannungsdomäne 15, mit Energie aus dem primären Schaltkreis 10 versorgt werden.
• In der 3a ist ein exemplarischer Spannungsverlauf V_LR über die Resonanzkreisspule 16 des erfindungsgemäßen Energieübertragers bei ein- bzw. ausgeschaltetem Amplitudenmodulationsschalter S1 während des Einschwingvorgangs des Resonanzkreises dargestellt. Ist S1 ausgeschalten bzw. offen, so nimmt die Spannungsamplitude der Resonanzkreisspule 16 nach dem Einschwingvorgang etwa den Wert V_DD15 an. Ist S1 eingeschalten bzw. geschlossen, so nimmt die Spannungsamplitude der Resonanzkreisspule 16 nach dem Einschwingvorgang etwa den Wert V_DD5 an. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Übersetzungsverhältnis des Transformators 30 im Wesentlichen gleich 1 ist. In Abhängigkeit von der Stellung des Amplitudenmodulationsschalters S1, d. h. in Abhängigkeit davon, ob der Amplitudenmodulationsschalter S1 offen oder geschlossen ist, können somit an der Resonanzkreisspule 16 nach dem Einschwingvorgang im Wesentlichen zwei unterschiedliche Strom- und/oder Spannungsamplituden gemessen werden. Durch ein kodiertes Alternieren der Schalterstellung von S1, d. h. durch ein kodiertes Aktivieren und Deaktivieren des Amplitudenmodulationsschalters S1, kann die kodierte Information durch Detektion der Strom- und/oder Spannungsamplitude auf der Primärseite 10 des Energieübertragers 100, insbesondere durch Detektion der Spannungsamplitude an der Resonanzkreisspule 16, wiedergewonnen werden.
• Dazu ist in der 3b ein exemplarischer Spannungsverlauf V_LR über die Resonanzkreisspule 16 gezeigt, wenn der Aplitudenmodulationsschalter S1 alternierend ein- und ausgeschaltet wird. In dem Beispiel der 3b ist die Spannungsamplitude der Resonanzkreisspule 16 bei ausgeschaltetem Amplitudenmodulationsschalter S1 höher als bei eingeschaltetem Amplitudenmodulationsschalter S1. Die höhere Spannungsamplitude, insbesondere etwa 15 V, kann z. B. mit einer binären ,0' kodiert werden, während die niedrigere Spannungsamplitude, insbesondere 5 V, mit einer binären ,1' kodiert werden kann. Somit kann der Zustand bzw. die zeitliche Zustandsabfolge des Amplitudenmodulationsschalters S1 anhand der detektierten Spannung an der Resonanzkreisspule 16 ermittelt werden, wodurch eine Informationsübertragung vom sekundären Schaltkreis 20 zum primären Schaltkreis 10 über den Transformator 30 möglich ist.
• Für die Informationsübertragung eignen sich besonders Kodierungen, die gleichanteilsfrei sind, wie beispielsweise der Manchester Code, um eine gleichmäßige Energieverteilung auf die zwei Spannungspegel zu gewährleisten.
• In der 4 ist ein schematisches Schaltbild des sekundären Schaltkreises 20 des erfindungsgemäßen Energieübertragers 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Die Sekundärseite des Transformators 30, d. h. der sekundäre Schaltkreis 20 umfasst einen Gleichrichter 40, ein Amplitudenmodulationsmodul 50, einen Low-dropout Spannungsregler 60, kurz mit LDO bezeichnet, und ein Startup-Modul 80.
• Wie bereits weiter oben erwähnt, wird eine Amplitudenmodulation durch ein Schalten zwischen zwei Spannungsdomänen erreicht. Das Schalten erfolgt mittels eines Amplitudenmodulationsschalters 55, der in der 4 als MOSFET ausgebildet ist und auch mit M1 bezeichnet wird. In der 4 stellen das Potential V_DD15 und die Spannung über den Pufferkondensator C1 die beiden Spannungsdomänen dar. Dabei muss die Spannung über dem Kondensator C1 so klein wie möglich gewählt werden, so dass eine möglichst große Differenz zu V_DD15 vorliegt. Eine große Differenz zwischen den Spannungsdomänen erleichtert insbesondere die Detektion der entsprechenden Strom- und/oder Spannungsamplituden im primären Schaltkreis 10 des Energieübertragers 100. Andererseits muss die Spannung über C1 groß genug sein, um den Dropout-Bedingungen des LDO 60 zu genügen.
• Wenn der MOSFET M1 eingeschalten ist, wird die Amplitude des primären Schaltkreises 10 bzw. des Resonanzkreises klein, da der Kondensator C1 zumindest einen Teil der Energie des Resonanzkreises aufnimmt, indem er über die Gleichrichterdioden D1 bis D4 geladen wird. Wenn der MOSFET M1 ausgeschaltet wird kann der Strom nur zur Spannungsdomäne V_DD15 fließen und die Spannung am Gleichrichter-Ausgang steigt auf V_DD15 + V_FW,D5 an, wobei V_FW,D5 die Durchlassspannung der Diode D5 in Vorwärtsrichtung ist. Während M1 ausgeschalten ist speichert der Pufferkondensator C1 die Energie, welche von dem LDO benötigt wird, um den Schaltkreis mit der V_DD5-Spanungsdomäne zu versorgen. Wenn der MOSFET M1 für längere Zeit ausgeschalten ist, beispielsweise aufgrund einer entsprechenden Bitfolge, kann es passieren, dass die Spannung am Kondensator C1 auf ein niedrigeres Spannungslevel als die erforderliche Spanungsdomäne V_DD5 sinkt. Somit wäre eine stabile Versorgungsspannung am LDO Ausgang nicht mehr gewährleistet. Um dies zu vermeiden, werden die kodierten Bits bzw. die kodierte Bitfolge, welche Daten oder Informationen des sekundären Schaltkreises repräsentieren, durch das Manchester Verfahren generiert. Wie in der 5 dargestellt, wird eine den kodierten Bits bzw. der kodierten Bitfolge entsprechende Code-Spannung an das Gate des MOSFET's M1, d. h. an das Gate des Amplitudenmodulationsschalters 55, angelegt, um diesen auf Basis der Bitfolge zu schalten, d. h. zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Die Diode D5 verhindert den Ladungsrückfluss von V_DD15 auf den Kondensator C1. Die Manchester kodierten Bits haben beispielsweise eine Spannung von 0 V oder 5 V. 5 V können jedoch zu gering zur Ansteuerung des Amplitudenmodulationsschalters M1 sein. Dazu stellt die Diode D6 in Verbindung mit dem Kondensator C6 eine Bootstrap Schaltung dar, welche dafür sorgt, dass das Gate des MOSFET's M1 mit einer höheren Spannung angesteuert wird. Das Manchester kodierte Signal kann damit um knapp 5 V, insbesondere um V_DD5 abzüglich einer Vorwärtsdiodenspannung, nach oben versetzt werden.
• Der Low-Dropout Spannungsregler 60 umfasst einen MOSFET 62, kurz mit M2 bezeichnet, der in einer Source-Schaltung betrieben ist, einen LDO-Verstärker 64 und einen Spannungsteiler mit den Widerständen R1 und R2. Der LDO 60 weist vorteilhafterweise eine hohe Bandbreite auf, um ein eingekoppeltes Rauschen zu reduzieren.
• Um die erste Spannungsdomäne bzw. die Versorgungsspannung V_DD5 zumindest vorübergehend, insbesondere initial, bereitzustellen, ist das Startup-Modul 80 vorgesehen. Das Startup-Modul erzeugt über die Zenerdiode Z1 eine Referenzspannung, welche von der Versorgungsspannung V_DD15 über den Widerstand R3 abgeleitet ist. Die Versorgungsspannung V_DD15 kann z. B. durch eine Bootstrapping-Schaltung zur Verfügung gestellt werden. Die Referenzspannung an der Zenerdiode Z1 steuert den MOSFET M3. Die Source-Schaltung des MOSFET's M3 hält die V_DD5-Versorgungsspannung während des Startups aufrecht. Das Startup-Modul wird während des Normalbetriebes abgeschaltet bzw. deaktiviert.
• Der Kondensator C5 und der Widerstand R3 des Startup-Moduls bilden zusammen eine Zeitkonstante, was vorteilhafterweise zu einem langsamen und schonenden Hochfahren bzw. Startup des Energieübertragers 100 führt. Ein weiterer Vorteil des Kondensators C5 ist seine dämpfende Eigenschaft im Hinblick auf Kopplungs- bzw. Störsignale der V_DD5-Spannungsdomäne.
• Die 5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Energieübertragers 100 mit primärseitigem Schaltkreis 10 und sekundärseitigem Schaltkreis 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Wie bei dem sekundären Schaltkreis gemäß der 4 umfasst auch der sekundäre Schaltkreis 20 des Energieübertragers 100 der 5 einen Gleichrichter, welcher aus vier Dioden D1 bis D4 gebildet ist, ein Amplitudenmodulationsmodul mit einem Amplitudenmodulationsschalter 55, einen LDO 60 und zwei Spannungsdomänen V_DD5 und V_DD15. Die Abkürzung GND_p symbolisiert ein gemeinsames Massepotential des primären Schaltkreises 10, während GND_s ein gemeinsames Massepotential des sekundären Schaltkreises 20 bedeutet.
• Der Resonanzkreis des primären Schaltkreises 10 des Energieübertragers 100 wird in dem Ausführungsbeispiel der 5 mit einer Gleichspannung V_in in Kombination mit Halbleiterschaltern bzw. MOSFET's A und B, die im Gegentakt zyklisch geschalten werden, versorgt und/oder angetrieben.
• Zusätzlich umfasst der Energiewandler 100 der 5 in dem primären Schaltkreis 10 ein Frequenz- bzw. Phasenmodulationsmodul 70 zum Modulieren der Frequenz bzw. Phase des Resonanzkreises. Das Frequenz- bzw. Phasenmodulationsmodul 70 umfasst im Wesentlichen einen Frequenzmodulationskondensator C_R2 72 sowie einen zum Frequenzmodulationskondensator in Reihe geschalteten Kapazitätsschalter M2 74. Der Frequenzmodulationskondensator C_R2 ist zusammen mit dem Kapazitätsschalter M2 des Frequenz- bzw. Phasenmodulationsmoduls 70 parallel zu dem Resonanzkreiskondensator C_R1 geschaltet.
• Ferner umfasst der Energiewandler 100 der 5 in dem primären Schaltkreis 10 ein Amplitudenmodulationsdetektionsmodul bzw. ein Amplitudendemodulationsmodul 71. Das Amplitudenmodulationsdetektionsmodul 71 umfasst eine Diode D5, einen Widerstand R1, einen Widerstand R2, einen Kondensator C1 und einen Kondensator C2. Die Diode D5 bildet zusammen mit dem Widerstand R2 und dem Kondensator C2 einen Peak-Detektor. Das Ausgangssignal V_sig des Peak-Detektors wird mit dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 gefiltert. Das Ausgangssignal V_sig ist das amplitudendemodulierte Signal, welches von dem sekundären Schaltkreis bzw. der High-side auf den primären Schaltkreis bzw. die Low-side übertragen wurde. Dieses Signal muss noch nach dem Manchester-Verfahren dekodiert werden, falls das Signal auf der sekundären Seite bzw. High-side nach dem Manchester-Verfahren kodiert war.
• Der Kapazitätsschalter M2 wird auf Basis eines binären Primärkreiscodes, d. h. einer Bitfolge aktiviert bzw. deaktiviert, welche eine oder mehrere Informationen des primären Schaltkreises 10 des Energieübertragers 100 repräsentiert. Durch Schalten des Kapazitätsschalters M2 kann somit die Gesamtkapazität und damit die Frequenz des Resonanzkreises variiert werden.
• Entsprechend umfasst der sekundäre Schaltkreis 20 des Energieübertragers 100 gemäß der 5 ein Frequenz- bzw. -Phasenmodulationsdetektionsmodul 75 zum Detektieren der Frequenz- bzw. Phasenmodulation des primären Schaltkreises 10 bzw. des Resonanzkreises und damit zum Detektieren bzw. Wiedergewinnen des Primärkreiscodes auf der sekundären Seite des Energieübertragers 100. Die in einer Bitfolge enthaltenen Daten bzw. Informationen des primären Schaltkreises 10 des Energieübertragers 100, kann somit über den Transformator T1 übertragen werden und im sekundären Schaltkreis 20 des Energieübertragers 100 als entsprechendes Spannungssignal V_bit wiedergewonnen bzw. dekodiert werden. Auf Basis der Primärkreis-Bitfolge wird der Frequenzmodulationsschalter 74 gesteuert, d. h. entsprechend der Bitfolge ein- und ausgeschalten, wodurch die Frequenz des Resonanzkreises variiert wird. Diese Frequenzänderung kann im sekundären Schaltkreis 20 mittels des Frequenz- bzw. -Phasenmodulationsdetektionsmoduls 75 detektiert werden.
• Mit dem erfindungsgemäßen Energieübertrager 100 kann also Energie vom primären Schaltkreis 10 an den sekundären Schaltkreis 20 mittels des Transformators 30 übertragen werden. Zugleich ist es möglich, mittels desselben Transformators 30 auch Signale, Daten und/oder Informationen zwischen dem primären Schaltkreis 10 und dem sekundären Schaltkreis 20 in beide Richtungen, d. h. bidirektional zu übertragen. Beispielsweise können Kontroll- bzw. Steuersignale zum Steuern eines Leistungsschalters 500, insbesondere zum Kontrollieren des Gates eines Leistungstransistors, vom primären Schaltkreis 10 auf den sekundären Schaltkreis 20 übertragen werden. Umgekehrt können ebenfalls mittels desselben Transformators 30 Daten bzw. Informationen des sekundären Schaltkreises 20, wie z. B. gemessene Ströme durch den Leistungsschalter 500, Temperaturen des Leistungsschalters 500 und/oder anderer Bauelemente, Fehlersignale, usw., vom sekundären Schaltkreis 20 auf den primären Schaltkreis 10 übertragen werden. Vorteilhafterweise ist somit zum Übertragen sowohl von Energie wie auch von Signalen und/oder Informationen kein zweiter oder weiterer Transformator mehr notwendig. Insbesondere ist kein Transformatorsystem 300 mit mehreren Transformatoren notwendig. Der erfindungsgemäße Energieübertrager 100 kann somit platzsparend und kostengünstig hergestellt werden. Zudem treten keine Störsignale auf, die von Interferenzen zwischen mehreren Transformatoren herrühren.
• Bezugszeichenliste

1

Masse/Erde/Referenzpotential

2

Steuerungseinheit

5

Erste Spannungsdomäne/erster Spannungspegel/erstes Spannungslevel

10

Primärer Schaltkreis

12

Energiequelle/Spannungsquelle

14

Resonanzkreiskondensator/Resonanzkreiskapazität

15

Zweite Spannungsdomäne/zweiter Spannungspegel/zweites Spannungslevel

16

Resonanzkreisspule/Resonanzkreisinduktivität

20

Sekundärer Schaltkreis

30

Transformator

32

Primärwicklung/Primärspule

34

Sekundärwicklung/Sekundärspule

40

Gleichrichter

50

Amplitudenmodulationsmodul

55

Amplitudenmodulationsschalter

60

Spannungsregler/Low-dropout(LDO)Regler

62

Schalter/MOSFET

64

Verstärker

70

Frequenz- bzw. Phasenmodulationsmodul

71

Amplitudenmodulationsdetektionsmodul/Amplitudendemodulationsmodul

72

Frequenzmodulationskondensator bzw. Frequenzmodulationsspule

74

Kapazitätsschalter bzw. Induktivitätsschalter

75

Frequenz- bzw. -Phasenmodulationsdetektionsmodul

80

Startup-Schaltkreis/Startup Modul

100

Energieübertrager

200

Low-side Schaltkreis/Low-side IC

300

Transformatorsystem

400

High-side Schaltkreis/High-side IC

420

Interface

440

Verstärker

500

Leistungsschalter/Leistungstransistor/Leistungs-MOSFET

600

Last

700

Gate-Treiber/Gate-Treiber-Schaltung

Claims (10)

1. Energieübertrager (100) zur induktiven Energieübertragung von einem primären Schaltkreis (10) des Energieübertragers (100) an eine erste (5) und eine zweite (15) Spannungsdomäne eines sekundären Schaltkreises (20) des Energieübertragers (100) und zur Informationsübertragung vom sekundären Schaltkreis (20) zum primären Schaltkreis (10), umfassend – einen Transformator (30), über den der primäre Schaltkreis (10) und der sekundäre Schaltkreis (20) induktiv miteinander gekoppelt sind und über den sowohl die Energieübertragung als auch die Informationsübertragung erfolgt; und – ein Amplitudenmodulationsmodul (50) zum Modulieren der Strom- und/oder Spannungsamplitude im sekundären Schaltkreis (20) mit Hilfe eines Amplitudenmodulationsschalters (55), wobei der Amplitudenmodulationsschalter (55) zwischen der ersten (5) und zweiten (15) Spannungsdomäne des sekundären Schaltkreises (20) angeordnet ist und ausgelegt ist, durch Öffnen und Schließen des Amplitudenmodulationsschalters (55) die Strom- und/oder Spannungsamplitude im primären Schaltkreis (10) zu ändern, um somit Information vom sekundären Schaltkreis (20) zum primären Schaltkreis (10) zu übertragen.
2. Energieübertrager (100) nach Anspruch 1, wobei der Energieübertrager nur einen einzigen Transformator (30) mit genau einer Primärspule (32) und einer Sekundärspule (34) aufweist.
3. Energieübertrager (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Amplitudenmodulationsschalter (55) ferner derart ausgelegt ist, dass die Last des sekundären Schaltkreises (20) durch Öffnen und Schließen des Amplitudenmodulationsschalters (55) im Wesentlichen unverändert bleibt.
4. Energieübertrager (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der primäre Schaltkreis (10) einen Resonanzkreis umfasst und wobei der primäre Schaltkreis (10) ferner ein Frequenz- und/oder Phasenmodulationsmodul (70) zum Modulieren der Frequenz und/oder Phase des Resonanzkreises umfasst, um somit Information vom primären Schaltkreis (10) zum sekundären Schaltkreis (20) zu übertragen.
5. Energieübertrager (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der sekundäre Schaltkreis (20) ein Kodierungsmodul, insbesondere ein Manchester-Kodierungsmodul, umfasst, und wobei der primäre Schaltkreis (10) ein Dekodierungsmodul, insbesondere ein Manchester-Dekodierungsmodul, umfasst.
6. Energieübertrager (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der sekundäre Schaltkreis (20) ferner einen LDO-Spannungsregler (60) zum Stabilisieren zumindest einer der Spannungsdomänen umfasst.
7. Energieübertrager (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der sekundäre Schaltkreis (20) ferner ein Startup-Modul (80) zur Inbetriebnahme des Energieübertragers (100) umfasst, wobei das Startup-Modul (80) ausgelegt ist, die erste Spannungsdomäne (5) aus der zweiten Spannungsdomäne (15) initial bereitzustellen.
8. Energieübertrager (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der sekundäre Schaltkreis (20) ferner ein Gleichrichtermodul (40) zum Gleichrichten einer an einer Sekundärspule (34) des Transformators (30) anliegenden Wechselspannung umfasst.
9. Gate-Treiber zum Schalten eines Leistungsschalters (500) umfassend einen Energieübertrager (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
10. Verfahren zur induktiven Übertragung von Energie und zur kombinierten Informationsübertragung, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Energieübertragers (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8; – Erzeugen eines Binärcodes, wobei der Binärcode Daten des sekundären Schaltkreises (20) des Energieübertragers (100) repräsentiert; – Betätigen des Amplitudenmodulationsschalters (55) auf Basis des erzeugten Binärcodes; – Detektieren einer Spannungs- und/oder Stromamplitude des primären Schaltkreises (10), um den Binärcode zu reproduzieren.

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