DE102014103026A1

DE102014103026A1 - Gleichrichterschaltung

Info

Publication number: DE102014103026A1
Application number: DE201410103026
Authority: DE
Inventors: Martin Feldtkeller
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-09-11
Also published as: US20140254224A1; CN104038084B; CN104038084A; US20150372616A1; US9130478B2

Abstract

Eine Gleichrichterschaltung umfasst eine Brückenschaltung (10), die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal (Vin) zu erhalten. Ein Parallelschwingkreis (20) ist zwischen die Brückenschaltung (10) und einen Ausgang gekoppelt. Die Schaltung umfasst außerdem ein kapazitives Speicherelement (30), das an den Ausgang gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal bereitzustellen.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Gleichrichterschaltung, wie beispielsweise eine Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer Eingangswechselspannung mit einer relativ hohen Frequenz zur Energieübertragung.
Bei vielen verschiedenen elektronischen Schaltungsanwendungen ist es notwendig, eine Eingangswechselspannung gleichzurichten, um eine Ausgangsgleichspannung bereitzustellen. Eine mögliche Anwendung ist eine Leistungsübertragung über eine Potentialbarriere. Es ist allgemein bekannt, dass Leistung über eine Potentialbarriere mittels eines Transformators übertragen werden kann, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist. Bei dieser Art von Anwendung wird ein Leistungswechselsignal an die Primärwicklung des Transformators angelegt. Indem die Sekundärwicklung induktiv mit der Primärwicklung gekoppelt ist, bewirkt das von der Primärwicklung erhaltene Leistungswechselsignal, dass an der Sekundärwicklung ein Leistungswechselsignal verfügbar ist. Das an die Primärwicklung angelegte Leistungssignal und das an der Sekundärwicklung verfügbare Leistungssignal können verschiedene Signalverläufe besitzen, besitzen jedoch im Wesentlichen dieselbe Frequenz.
Abhängig von der speziellen Art des Transformators, der dazu verwendet wird, die Leistung zu übertragen, kann die Frequenz des Leistungswechselsignals relativ hoch sein, um die Leistung effizient über den Transformator zu übertragen. Insbesondere Transformatoren, die sehr klein sind und/oder die keinen magnetischen Kern umfassen, können Frequenzen von mehr als einigen 10 MHz, und sogar mehr als 100 MHz benötigen.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht darin, eine Gleichrichterschaltung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, Spannungen mit relativ hohen Frequenzen, wie beispielsweise Frequenzen von 10 MHz, oder mehr, effizient gleichzurichten.
Diese Aufgabe wird durch Gleichrichterschaltungen gemäß der Ansprüche 1, 16, 21 und 31 gelöst. Spezielle Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft eine Gleichrichterschaltung. Die Gleichrichterschaltung umfasst eine Brückenschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal zu erhalten, und einen Parallelschwingkreis, der zwischen die Brückenschaltung und einen Ausgang gekoppelt ist, wobei der Ausgang dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal auszugeben.
Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft eine elektronische Schaltung. Die elektronische Schaltung umfasst mehrere Gleichrichterschaltungen, wobei jede Gleichrichterschaltung eine Brückenschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal zu erhalten, und einen Parallelschwingkreis, der zwischen die Brückenschaltung und einen Ausgang gekoppelt ist, aufweist, wobei die Ausgänge der Gleichrichterschaltungen der mehreren Gleichrichterschaltungen kaskadiert sind.
Ein drittes Ausführungsbeispiel betrifft eine Gleichrichterschaltung. Die Gleichrichterschaltung umfasst eine Brückenschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal zu erhalten, und ein Gleichrichterelement, das zwischen die Brückenschaltung und einen Ausgang gekoppelt ist, wobei der Ausgang dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal auszugeben.
Ein viertes Ausführungsbeispiel betrifft eine elektronische Schaltung, die mehrere Gleichrichterschaltungen aufweist. Jede Gleichrichterschaltung umfasst eine Brückenschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal zu erhalten, und einen Parallelschwingkreis, der zwischen die Brückenschaltung und einen Ausgang gekoppelt ist, wobei die Ausgänge der Gleichrichterschaltungen der mehreren Gleichrichterschaltungen kaskadiert sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele werden nun anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zum Veranschaulichen des Grundprinzips, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen die selben Bezugszeichen gleiche Merkmale.
1 veranschaulicht eine Gleichrichterschaltung, die eine Brückenschaltung umfasst;
2 (die 2A und 2B umfasst) veranschaulicht das Funktionsprinzip der Gleichrichterschaltung gemäß 1;
3 veranschaulicht schematisch ein Eingangssignal, das einen rechteckförmigen Signalverlauf besitzt;
4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung, die eine Brückenschaltung und einen zwischen die Brückenschaltung und einen Ausgang der Gleichrichterschaltung gekoppelten Parallelschwingkreis aufweist;
5 zeigt Zeitverläufe die das Funktionsprinzip der Gleichrichterschaltung gemäß 4 veranschaulichen;
6 veranschaulicht eine Gleichrichterschaltung, die auf der Gleichrichterschaltung gemäß 3 basiert und die zusätzlich einen Transformator aufweist, der an einen Eingang der Brückenschaltung gekoppelt ist;
7 (die 7A und 7B umfasst) veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Speicherelements des Parallelschwingkreises;
8 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbespiel einer elektronischen Schaltung, die mehrere kaskadierte Gleichrichterschaltungen aufweist;
9 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung, die mehrere kaskadierte Gleichrichterschaltungen aufweist;
10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel von Spulen von zwei verschiedenen Parallelschwingkreisen;
11 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung, die eine Brückenschaltung und ein zwischen die Brückenschaltung und einen Ausgang der Gleichrichterschaltung gekoppeltes Gleichrichterelement aufweist;
12 (die 12A und 12B umfasst) veranschaulicht mögliche Realisierungen der Gleichrichterelemente;
13 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung, die mehrere kaskadierte Gleichrichterschaltungen aufweist; und
14 veranschaulicht eine Anwendungsschaltung, die eine Gleichrichterschaltung aufweist.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die begleitenden Figuren Bezug genommen. Die Figuren bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen mittels Darstellungen spezifische Ausführungsbeispiele, wie die Erfindung genutzt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern explizit nichts anderes angegeben.
1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung. Die Gleichrichterschaltung umfasst eine Brückenschaltung 10, die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal (eine Eingangswechselspannung) Vin an einem Eingang mit einem ersten Eingangsknoten 11 und einem zweiten Eingangsknoten 12 zu erhalten. Die Gleichrichterschaltung umfasst des Weiteren einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsknoten 31 und einem zweiten Ausgangsknoten 32, die mit der Brückenschaltung 10 gekoppelt sind und dazu ausgebildet sind, ein gleichgerichtetes Ausgangssignal (eine gleichgerichtete Ausgangsspannung) Vout auszugeben.
Die Brückenschaltung gemäß 1 ist eine aktive Gleichrichterbrücke und umfasst eine erste Halbbrücke 13 mit einem ersten High-Side-Schalter H1 und einem ersten Low-Side-Schalter L1 und eine zweite Halbbrücke 14 mit einem zweiten High-Side-Schalter H2 und einem zweiten Low-Side-Schalter L2. Der erste High-Side-Schalter H1 und der erste Low-Side-Schalter L1 der ersten Halbbrücke 13 sind in Reihe zwischen einen ersten Ausgangsknoten 15 und einem zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10 geschaltet und der zweite High-Side-Schalter H2 und der zweite Low-Side-Schalter L2 der zweiten Halbbrücke 14 sind in Reihe zwischen den ersten Ausgangsknoten 15 und den zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10 geschaltet. Die Ausgangsknoten 15, 16 der Brückenschaltung sind mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung gekoppelt.
Jeder der Schalter H1–L2 der Brückenschaltung 10 umfasst einen Steuerknoten, wobei die Steuerknoten des ersten High-Side-Schalters H1 und des ersten Low-Side-Schalters L1 miteinander verbunden sind und wobei die Steuerknoten des zweiten High-Side-Schalters H2 und des zweiten Low-Side-Schalters L2 miteinander verbunden sind. Jede der ersten und zweiten Halbbrücken 13, 14 umfasst einen Eingang, wobei der Eingang der ersten Halbbrücke 13 ein Schaltungsknoten ist, den die Laststrecken des ersten High-Side-Schalters H1 und des ersten Low-Side-Schalters L1 gemeinsam haben und wobei der Eingang der zweiten Halbbrücke 14 ein Schaltungsknoten ist, den die Laststrecken des zweiten High-Side-Schalters H2 und des zweiten Low-Side-Schalters L2 gemeinsam haben. Der Eingang der ersten Halbbrücke 13 und die Steueranschlüsse des zweiten High-Side-Schalters H2 und des zweiten Low-Side-Schalters L2 sind mit dem ersten Eingangsknoten 11 gekoppelt und der Eingang der zweiten Halbbrücke 14 und die Steuerknoten des ersten High-Side-Schalter H1 und des ersten Low-Side-Schalters L1 sind mit dem zweiten Eingangsknoten 12 gekoppelt.
Bei der Brückenschaltung 10 gemäß 1 sind die einzelnen Schalter H1–L2 als Transistoren ausgebildet, insbesondere als MOSFETs (engl.: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors). Insbesondere sind der erste High-Side-Schalter H1 und der zweite High-Side-Schalter H2 Transistoren eines ersten Typs und der erste Low-Side-Schalter L1 und der zweite Low-Side-Schalter L2 sind Transistoren eines zweiten Typs. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die High-Side-Schalter H1, H2 p-leitende MOSFETs und die Low-Side-Schalter L1, L2 sind n-leitende MOSFETs. Jeder dieser MOSFETs umfasst einen Gateanschluss als einen Steuerknoten und eine Laststrecke zwischen einem Drainanschluss und einem Sourceanschluss. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sourceanschlüsse der High-Side-Schalter H1, H2 mit dem ersten Ausgangsknoten 15 verbunden und die Sourceanschlüsse der Low-Side-Schalter L1, L2 sind mit dem zweiten Ausgangsknoten 16 verbunden. Der Drainanschluss des ersten High-Side-Schalters H1 ist mit dem Drainanschluss des ersten Low-Side-Schalters L1 verbunden und der Drainanschluss des zweiten High-Side-Schalters H2 ist mit dem Drainanschluss des zweiten Low-Side-Schalters L2 verbunden.
Es ist allgemein bekannt, dass MOSFETs wie die MOSFETs, die in der Brückenschaltung 10 gemäß 1 als High-Side-Schalter H1, H2 verwendet werden, und die MOSFETs, die als Low-Side-Schalter L1, L2 verwendet werden, spannungsgesteuerte Schalter sind, die abhängig von dem Wert ihrer Gate-Source-Spannung eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Die Gate-Source-Spannung eines Transistors ist die Spannung zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss des Transistors. In der Brückenschaltung gemäß 1 wird der erste High-Side-Schalter H1 durch die Spannung zwischen dem zweiten Eingangsknoten 12 und dem ersten Ausgansknoten 15 gesteuert, der erste Low-Side-Schalter L1 wird durch die Spannung zwischen dem zweiten Eingangsknoten 12 und dem zweiten Ausgangsknoten 16 gesteuert, der zweite High-Side-Schalter H2 wird durch die Spannung zwischen dem ersten Eingangsknoten 11 und dem ersten Ausgangsknoten 15 gesteuert und der zweite Low-Side-Schalter L2 wird durch die Spannung zwischen dem ersten Eingangsknoten 11 und dem zweiten Ausgangsknoten 16 gesteuert. Jeder der MOSFETs H1–L2 weist eine Schwellenspannung auf, wobei ein einzelner MOSFET einschaltet (leitend ist), wenn der Wert seiner Gate-Source-Spannung größer ist als der Wert der Schwellenspannung. Die High-Side-Schalter H1, H2, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als p-leitende MOSFETs ausgebildet sind, weisen eine negative Schwellenspannung auf und die Low-Side-Schalter L1, L2, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als n-leitende MOSFETs ausgebildet sind, weisen eine positive Schwellenspannung auf. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass ein MOSFET geschaltet wird (leitend ist, in einem eingeschalteten Zustand ist) sobald der Wert der entsprechenden Gate-Source-Spannung die Schwellenspannung erreicht. Im eingeschalteten Zustand variieren ein Einschaltwiderstand und eine Leitfähigkeit entsprechend abhängig vom Signalpegel der Gate-Source-Spannung. Wenn der Pegel der Gate-Source-Spannung nur leicht über der Schwellenspannung liegt, kann ein Einschaltwiderstand des MOSFETs relativ hoch sein und eine Leitfähigkeit kann entsprechend relativ niedrig sein, wobei der Einschaltwiderstand abnimmt (und die Leitfähigkeit zunimmt), wenn die Gate-Source-Spannung zunimmt.
Das grundlegende Funktionsprinzip der Gleichrichterschaltung gemäß 1 wird anhand von 2A und 2B nachfolgend beschrieben. 2A und 2B veranschaulichen die Betriebszustände der einzelnen Schalter H1–L2 in der Brückenschaltung 10 abhängig von der Eingangsspannung Vin, wobei 2 die Betriebszustände im Fall einer positiven Eingangsspannung Vin veranschaulicht und 2B die Betriebszustände im Fall einer negativen Eingangsspannung veranschaulicht. Wenn die Eingangsspannung Vin positiv ist, ist das elektrische Potenzial am ersten Eingangsknoten 11 höher als das elektrische Potenzial am zweiten Eingangsknoten 12 und wenn die Eingangsspannung Vin negativ ist, ist das elektrische Potenzial am zweiten Eingangsknoten 12 höher als das elektrische Potenzial am ersten Eingangsknoten 11.
Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass ein Ausgangskondensator 30 zwischen die ersten und zweiten Ausgangsknoten 31, 32 der Gleichrichterschaltung geschaltet ist und dass der Ausgangskondensator 30 zuvor auf eine Ausgangsspannung Vout geladen wurde. 2A und 2B veranschaulichen die Eingangsspannung Vin im Bezug zur Ausgangsspannung Vout und zeigen die Betriebszustände der einzelnen Schalter H1–L2 der Brückenschaltung. Gemäß 2A und 2B repräsentiert ST_H1 den Betriebszustand des ersten High-Side-Schalters H1, ST_L1 repräsentiert den Betriebszustand des ersten Low-Side-Schalters L1, ST_H2 repräsentiert den Betriebszustand des zweiten High-Side-Schalters H2 und ST_L2 repräsentiert den Betriebszustand des zweiten Low-Side-Schalters L2. Diese Signale ST_H1–ST_L2 werden weiterhin als Zustandssignale bezeichnet. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass ein hoher Pegel eines Zustandssignals einen eingeschalteten Zustand des entsprechenden Schalters repräsentiert und dass ein niedriger Pegel eines Zustandssignals einen ausgeschalteten Zustand des entsprechenden Schalters repräsentiert.
Gemäß 2A wird der zweite Low-Side-Schalter L2 eingeschaltet, wenn die Eingangsspannung Vin größer als die Schwellenspannung Vt_L2 des zweiten Low-Side-Schalters L2 ist. Im eingeschalteten Zustand verbindet der zweite Low-Side-Schalter L2 den zweiten Eingangsknoten 12 mit dem zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10, sodass die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout auf den zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10 und den zweiten Ausgangsknoten 32 der Gleichrichterschaltung entsprechend bezogen sind. Der erste High-Side-Schalter H1 ist eingeschaltet, solange die Eingangsspannung Vin positiv ist und solange der Wert der Ausgangsspannung Vout größer ist als der Wert der Schwellenspannung Vt_H1 des ersten High-Side-Schalters H1. Im eingeschalteten Zustand verbindet der erste High-Side-Schalter H1 den ersten Eingangsknoten 11 mit dem ersten Ausgangsknoten 15 der Brückenschaltung 10. Wenn der erste High-Side-Schalter H1 und der zweite Low-Side-Schalter L2 eingeschaltet werden, kann ein Eingangsstrom Iin in die in 1 angedeutete Richtung von einem ersten Eingangsknoten 11 über dem ersten High-Side-Schalter H1 und den Ausgangskondensator 30 oder eine Last Z (in gestrichelten Linien dargestellt), die entsprechend mit den Ausgangsanschlüssen 31, 32 und dem zweiten Low-Side-Schalter L2 gekoppelt ist, zum zweiten Eingangsknoten 12 fließen.
Gemäß 2A wird der zweite High-Side-Schalter H2 eingeschaltet, wenn die Eingangsspannung Vin unter die Ausgangsspannung Vout abfällt, sodass die Eingangsspannung Vin um mehr als den Wert der Schwellenspannung Vt_H2 des zweiten High-Side-Schalters H2 unter der Ausgangsspannung liegt. Daher gibt es einen Spannungsbereich Vout – |Vt_H2| ≤ Vin ≤ |Vt_L2| der Eingangsspannung Vin, der dafür sorgt, dass der zweite High-Side-Schalter H2 und der zweite Low-Side-Schalter L2 leiten. Das kann dazu führen, dass der Ausgangskondensator 30 teilweise entladen wird und kann daher zu unerwünschten Verlusten führen.
Gemäß 2B wird der erste Low-Side-Schalter L1 eingeschaltet, wenn der Wert der Eingangsspannung Vin größer als die Schwellenspannung Vt_L1 des ersten Low-Side-Schalters L1 ist. Im eingeschalteten Zustand verbindet der erste Low-Side-Schalter L1 den ersten Eingangsknoten 11 mit dem zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10, sodass sich die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout auf den zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10 und den zweiten Ausgangsknoten 32 der Gleichrichterschaltung entsprechend beziehen. Der zweite High-Side-Schalter H2 ist eingeschaltet, solange die Eingangsspannung Vin negativ ist und solange der Wert der Ausgangsspannung Vout größer ist als der Wert der Schwellenspannung Vt_H2 des zweiten High-Side-Schalters H2. Im eingeschalteten Zustand verbindet der zweite High-Side-Schalter H2 den zweiten Eingangsknoten 12 mit dem zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10. Wenn der zweite High-Side-Schalter H2 und der erste Low-Side-Schalter L1 eingeschaltet werden, kann ein Eingangsstrom Iin in die in 1 angedeutete Richtung von einem zweiten Eingangsknoten 12 über dem zweiten High-Side-Schalter H2 und den Ausgangskondensator 30 oder eine Last Z und dem ersten Low-Side-Schalter L1 gekoppelt ist, zum ersten Eingangsknoten 11 fließen.
Gemäß 2B wird der erste High-Side-Schalter H1 eingeschaltet, wenn die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout abfallen, sodass die Eingangsspannung Vin um mehr als den Wert der Schwellenspannung Vt_H1 des ersten High-Side-Schalters H1 unter der Ausgangsspannung liegt. Daher gibt es einen Spannungsbereich Vout – |Vt_H1| ≤ –Vin ≤ |Vt_L1| der Eingangsspannung Vin, der dafür sorgt, dass der erste High-Side-Schalter H1 und der erste Low-Side-Schalter L1 leiten. Das kann dazu führen, dass der Ausgangskondensator 30 teilweise entladen wird und kann daher zu unerwünschten Verlusten führen.
Gemäß der Beschreibung in Verbindung mit 2A und 2B können Verluste in der Gleichrichterschaltung gemäß 1 auftreten, wenn ein Wert der Eingangsspannung Vin kleiner als die Ausgangsspannung Vout minus der Schwellenspannung des ersten High-Side-Schalters H1 oder des zweiten High-Side-Schalters H2 ist. Daher ist die Gleichrichterschaltung gemäß 1 dazu geeignet, eine Eingangsspannung Vin mit einem rechteckigen Signalverlauf, wie schematisch in 3 dargestellt, gleich zu richten. In diesem Fall ändert sich die Eingangsspannung Vin wechselnd zwischen einem ersten (positiven) Signalwert und einem zweiten (negativen) Signalwert.
Jedoch können wesentliche Verluste in der Gleichrichterschaltung gemäß 1 auftreten, wenn die Eingangsspannung Vin eine Wechselspannung ist, bei der der Signalwert langsam zwischen einem positiven Maximalwert und einem negativen Maximalwert alterniert. In diesem Fall gibt es wesentliche Zeitspannen, in denen die Eingangsspannung einen Signalwert aufweist, bei dem der erste High-Side-Schalter H1 und der erste Low-Side-Schalter L1 beide leitend sind oder bei dem der zweite High-Side-Schalter H2 und der zweite Low-Side-Schalter L2 beide leitend sind.
4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung, die dazu ausgebildet ist, die zuvor genannten Probleme zu lösen. Die Gleichrichterschaltung gemäß 4 ist insbesondere dazu ausgebildet, eine Eingangswechselspannung Vin gleich zu richten, die keinen rechteckigen Signalverlauf aufweist, sondern ein Signalverlauf aufweist, bei dem das Signalwert relativ langsam zwischen einem positiven Maximalwert und einem negativen Maximalwert alterniert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Eingangsspannung Vin ein sinusförmigen Signalverlauf oder einen Signalverlauf auf, der einem sinusförmigen Signalverlauf ähnlich ist.
Die Gleichrichterschaltung gemäß 4 basiert auf der Gleichrichterschaltung gemäß 1 und umfasst zusätzlich einen Parallelschwingkreis 20, der zwischen den Ausgang 15, 16 der Brückenschaltung 10 und den Ausgang 31, 32 der Gleichrichterschaltung geschaltet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Parallelschwingkreis 20 zwischen den Ausgangsknoten 15 der Brückenschaltung 10 und den ersten Ausgangsknoten 31 der Gleichrichterschaltung geschaltet. Der Parallelschwingkreis ist in Reihe mit dem Ausgangskondensator 30 geschaltet, wobei die Reihenschaltung mit dem Parallelschwingkreis und dem Ausgangskondensator 30 zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsknoten 15, 16 der Brückenschaltung 10 geschaltet ist. Die Ausgangsspannung Vout der Gleichrichterschaltung ist über dem Ausgangskondensator 30 zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsknoten verfügbar. Der Parallelschwingkreis 20 umfasst eine Spule 21 und ein kapazitives Speicherelement 22, das parallel zu der Spule 21 geschaltet ist.
Das Funktionsprinzip der Gleichrichterschaltung gemäß 4 wird anhand von 5 erläutert, die Zeitverläufe der Eingangsspannung Vin, der Ausgangsspannung V10 der Brückenschaltung 10 und der Ausgangsspannung Vout zeigt. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass die Eingangsspannung Vin einen sinusförmigen Signalverlauf aufweist und dass die Ausgangsspannung Vout größtenteils konstant ist. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Das nachfolgend erläuterte Funktionsprinzip ist gleich, wenn die Eingangsspannung Vin einen wechselnden Signalverlauf, der anders als ein sinusförmiger Signalverlauf ist, aufweist und wenn die Ausgangsspannung Vout variiert.
Gemäß den Erläuterungen in Verbindung mit 2A werden der erste High-Side-Schalter H1 und der zweite Low-Side-Schalter L2 eingeschaltet, wenn die Eingangsspannung Vin größer als die Ausgangsspannung Vout ist. Dies lässt einen Eingangsstrom in der Richtung, die in 4 angedeutet wurde, durch den ersten High-Side-Schalter H1, die Spule 20 des Parallelschwingkreises 20, den Ausgangskondensator 30 und/oder die Last Z und den zweiten Low-Side-Schalter L2 fließen. Wenn der Eingangsstrom Iin durch die Spule 21 fließt, wird Energie magnetisch in der Spule 21 gespeichert. Wenn die Eingangsspannung Vin unter die Ausgangsspannung Vout minus den Wert der Schwellenspannung Vt_H2 des zweiten High-Side-Schalters H2 fällt (zum Zeitpunkt t1 in 5), schaltet der zweite High-Side-Schalter H2 ein, sodass sowohl der zweite High-Side-Schalter H2 als auch der zweite Low-Side-Schalter L2 leitend sind. Jedoch sorgt die Energie, die zuvor in der Spule 21 gespeichert wurde, dafür, dass weiterhin ein Strom durch die Spule 21 fließt, wobei dieser Strom entweder das kapazitive Speicherelement 22 des Parallelschwingkreises 20 oder den Ausgangskondensator 30 lädt und verhindert, dass der Ausgangskondensator 30 durch den leitenden zweiten High-Side-Schalter H2 und den zweiten Low-Side-Schalter L2 entladen wird.
Wenn die Eingangsspannung Vin negativ wird und wenn der Signalwert der negativen Eingangsspannung über die Ausgangsspannung Vout minus die Schwellenspannung des ersten High-Side-Schalters H1 steigt, werden der zweite High-Side-Schalter H2 und der erste Low-Side-Schalter L1 eingeschaltet. In diesem Fall fließt der Eingangsstrom Iin vom zweiten Eingangsknoten 12 durch den zweiten High-Side-Schalter H2, die Spule 21, den Ausgangskondensator 30 und/oder die Last Z und den ersten Low-Side-Schalter L1.
Gemäß 5 ist die Ausgangsspannung V10 der Brückenschaltung eine gleichgerichtete Spannung, die Spannungswellen mit einer Frequenz umfasst, die im Wesentlichen das doppelte der Frequenz der Eingangsspannung Vin ist. Ein Minimum V10_MIN dieser Ausgangsspannung V10 ist im Wesentlichen durch die Summe der Schwellenspannungen der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter der ersten Halbbrücke 13 und der zweiten Halbbrücke 14 gegeben, d.h.: V10_MIN = Vt_H1 + Vt_L1 (1a) V10_MIN = Vt_H2 + Vt_L2 (1b).
Wenn die Ausgangspannung V10 das Minimum V10_MIN erreicht, wird zumindest einer der Schalter der ersten Halbbrücke ausgeschaltet, sodass die Ausgangsspannung V10 nicht weiter abnehmen kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt eine Resonanzfrequenz f_RES des Parallelschwingkreises 20 im Bereich der doppelten Frequenz F_IN der Eingangsspannung Vin. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt die Resonanzfrequenz f_RES zwischen 50% und 200%, zwischen 80% und 120% oder zwischen 90% und 110% der doppelten Frequenz der Eingangsspannung. D.h.: 0,5·(2·f_IN) < f_RES < 2·(2·f_IN) (2a) 0,8·(2·f_IN) < f_RES < 1,2·(2·f_IN) (2b) 0,9·(2·f_IN) < f_RES < 1,1·(2·f_IN) (2c)
Gemäß 5 weist die Ausgangsspannung V10 der Brückenschaltung 10 eine Gleichspannungskomponente und eine Wechselspannungskomponente auf (die Spannungswellen). Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass die Wechselspannungskomponente im Wesentlichen einen sinusförmigen Signalverlauf gemäß 5 aufweist. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Das nachfolgend beschriebene Funktionsprinzip ist nicht auf eine Ausgangsspannung V10 mit einer sinusförmigen Wechselspannungskomponente beschränkt, sondern gilt auch für eine Ausgangsspannung V10 mit einer Wechselspannungskomponente, die folglich einen anderen Signalverlauf als einen sinusförmigen Signalverlauf aufweist. Der Signalverlauf der Wechselspannungskomponente hängt vom Signalverlauf der Eingangsspannung Vin der Brückenschaltung ab.
Die Ausgangsspannung V10 der Brückenschaltung 10 sorgt für ein Strom I20 durch den Parallelschwingkreis 20 zum Ausgang 31, 32. Dieser Strom weist eine Gleichstromkomponente auf (die durch Spule fließt), die aus einer Gleichspannungskomponente der Ausgangsspannung V10 resultiert. Die Wechselspannungskomponente der Ausgangsspannung V10 sorgt für einen Strom durch die Spule 21 und durch den Kondensator 22. Diese Ströme weisen eine Phasendifferenz von im Wesentlichen 180° auf, wobei abwechselnd der Strom durch Spule 21 den Kondensator 22 auflädt und der aufgeladene Kondensator 22 für einen Strom durch die Spule 21 sorgt und die Spule magnetisiert und wobei der Strom, der den Kondensator lädt und der Strom, der die Spule magnetisiert, in entgegengesetzte Richtungen fließen. Der Strom durch die Spule und der Strom durch den Kondensator heben sich zumindest teilweise auf, sodass im Wesentlichen die Gleichstromkomponente des Stroms I20 zum Ausgang 31, 32 fließt.
Durch den Wechselstrom, der im Parallelschwingkreis 20 fließt, kann im Wesentlichen kein Strom vom Ausgangskondensator 30 durch die Brückenschaltung 10 in den Zeitspannen fließen, in denen die Ausgangsspannung V10 nahe am Minimum V10_MIN ist und in denen die zwei Schalter einer Halbbrücke 13, 14 leitend sind.
Gemäß 6 kann die Gleichrichterschaltung, die anhand von 4 erläutert wurde, dazu genutzt werden, ein Leistungssignal gleich zu richten, das über ein Transformator 40 übertragen wird. Bezugnehmend auf 6 umfasst der Transformator 40 eine Primärwicklung 41 und eine Sekundärwicklung 42, wobei die Sekundärwicklung 42 mit den Eingangsknoten 11, 12 der Brückenschaltung 10 verbunden ist. In diesem Fall ist die Eingangsspannung Vin der Brückenschaltung 10 eine Spannung, die über der sekundären Wicklung 42 des Transformators verfügbar ist. Der Signalverlauf der Eingangsspannung Vin hängt von dem Signalverlauf einer Primärspannung V41 ab, die an der Primärwicklung 41 des Transformators angelegt ist. Diese Primärspannung 41 kann einen rechteckigen Signalverlauf oder jeden anderen wechselnden Signalverlauf aufweisen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 stellt der Transformator 40 eine Potenzialbarriere zwischen einer Spannungsquelle (in gestrichelten Linien in 6 dargestellt), die die Primärspannung V41 bereitstellt, und der Gleichrichterschaltung mit der Last Z, die daran angeschlossen ist, bereit. Daher können die Primärspannung V41 und die Ausgangsspannung Vout auf verschiedene Referenzpotenziale bezogen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Transformator 40 ein sogenannter kernloser Transformator, der keinen Transformatorkern umfasst. Diese Art von Transformator kann als ein integrierter Transformator mit planaren Wicklungen ausgebildet sein. Um effizient Energie über ein Transformator dieses Typs zu übertragen, werden Frequenzen der wechselnden Primärspannung von mehreren 10MHz als auch Frequenzen zwischen 100MHz und 400MHz benötigt. Die Frequenz der Eingangsspannung Vin der Brückenschaltung entspricht im Wesentlichen der Frequenz der Primärspannung V41. Jedoch kann ein Signalverlauf der Eingangsspannung Vin wegen unvermeidbaren Streukapazitäten des Transformators 40 und parasitären Kapazitäten der Brückenschaltung 10 anders als ein Signalverlauf der Primärspannung V41 sein. Diese Kapazitäten verhalten sich wie ein Tiefpassfilter. Wenn beispielsweise die Primärspannung V41 eine rechteckige Signalform aufweist, kann die Eingangsspannung Vin einen trapezförmigen Signalverlauf oder einen Signalverlauf mit noch glatteren Flanken ähnlich einem sinusförmigen Signalverlauf aufweisen.
Die Gleichrichterschaltung gemäß 6 mit der Brückenschaltung 10 und dem Parallelschwingkreis 20 kann effizient eine Eingangswechselspannung Vin mit diesen relativ hohen Frequenzen gleich richten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das kapazitive Speicherelement 22 des Parallelschwingkreises 20 eine Kapazität auf, die von einer Spannung V20 über dem Parallelschwingkreis 20 abhängt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel nimmt die Kapazität des kapazitiven Speicherelements 22 zu, wenn die Spannung V20 über dem Parallelschwingkreis 20 zunimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das kapazitive Speicherelement 22 als ein sogenannter MOSFET-Kondensator ausgebildet. Ein Ausführungsbeispiel eines Kondensators dieses Typs ist in 7 dargestellt. Bezugnehmend auf 7 umfasst der Kondensator ein dotiertes Halbleitersubstrat 221, dass an einen ersten Anschluss 23 des kapazitiven Speicherelements angeschlossen ist, eine Elektrode 222, die an einen zweiten Anschluss des kapazitiven Speicherelements 22 angeschlossen ist und eine Dielektrikumsschicht 223, die zwischen dem dotierten Halbleitersubstrat 221 und der Elektrode 222 angeordnet ist. Das Halbleitersubstrat 221 kann ein herkömmliches Halbleitermaterial wie Silizium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid oder ähnliches umfassen. Die Elektrode 222 kann ein herkömmliches Elektrodenmaterial wie ein hochdotierte polykristallines Halbleitermaterial oder ein Metall umfassen. Das Halbleitersubstrat 221 ist ein monokristallines Halbleitersubstrat. Die Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats ist beispielsweise aus einem Bereich von 1E16cm^–3 und 1E19cm^–3 gewählt.
Das Funktionsprinzip des kapazitiven Speicherelements 22 gemäß 7 ist wie folgt. Abhängig von der Spannung, die zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen 23, 24 angelegt wird, kann ein Verarmungsgebiet (Raumladungsgebiet) in dem dotierten Halbleitersubstrat 221 unter der Dielektrikumsschicht 223 auftreten. Die Gesamtkapazität des kapazitiven Speicherelements nimmt ab, wenn sich das Verarmungsgebiet tiefer in das Substrat 221 erstreckt. Die Kapazität erreicht ein Maximum, wenn ein Anreicherungsgebiet in dem Halbleitersubstrat 221 unter der Dielektrikumsschicht angeordnet ist.
Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass das Halbleitersubstrat 221 ein p-dotiertes Halbleitersubstrat ist. In diesem Fall ist ein negatives Potenzial der Elektrode 222 bezogen auf das elektrische Potenzial des Substrates 221 erforderlich, um ein Anreicherungsgebiet im Substrat 221 unter der Dielektrikumsschicht 223 zu erzeugen, sodass eine Kapazität C22 des Kondensators einer Charakteristik wie schematisch in 7B dargestellt aufweist. Gemäß 7B nimmt die Kapazität C zu, wenn die Spannung V20 eine wie in 7A angedeutete Polarität aufweist und wenn ein Spannungswert dieser Spannung V20 zunimmt. Ein kapazitives Speicherelement 22 des Typs, der in 7A dargestellt ist, ist in dem Parallelschwingkreis derart geschaltet, dass der erste Anschluss 23 mit dem ersten Ausgangsknoten 15 der Brückenschaltung 10 verbunden ist und dass der zweite Anschluss 24 mit dem ersten Ausgangsknoten 31 der Gleichrichterschaltung verbunden ist.
Wenn das Halbleitersubstrat 221 n-dotiert ist, wird ein positives Potenzial der Elektrode 222 bezogen auf das Substrat 221 benötigt, um ein Anreicherungsgebiet im Substrat 221 unter der Dielektrikumsschicht 223 zu erzeugen. In diesem Fall ist die Polarität der Spannung V20 bezogen auf die Anschlüsse 24, 25 entgegengesetzt zu der Polarität, die in 7A gezeigt ist, sodass in diesem Fall der zweite Anschluss 24 mit dem ersten Ausgangsknoten 15 der Brückenschaltung 10 verbunden ist und der erste Anschluss 23 mit dem ersten Ausgangsknoten 31 der Gleichrichterschaltung verbunden ist.
Wenn der Kondensator 22 eine Kennlinie wie in 7B dargestellt aufweist, besitzt der Kondensator 22 eine relativ niedrige Kapazität, wenn die Brückenausgangsspannung V10 nahe dem Minimum ist (und kleiner als die Ausgangsspannung Vout ist). Diese variierende Kapazität des Kondensators 22 hat den Effekt, das eine oszillierende Spannung über den Parallelschwingkreis 20, die von der Brückenspannung V10 angeregt wird, positive Halbperioden aufweist, die länger als die negativen Halbperioden sind. Das ist insbesondere nützlich, wenn die Brückenspannung V10 einen ähnlichen Signalverlauf aufweist, d.h., wenn „negative Halbperioden“ der Wellen der Brückenspannung V10 kürzer sind als die „positiven Halbperioden“. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Eingangsspannung Vin der Brückenschaltung 10 einen trapezförmigen Signalverlauf aufweist.
8 veranschaulicht eine elektrische Schaltung, die mehrere Gleichrichterschaltungen aufweist, die anhand von 2 bis 7 vorangehend erläutert wurden. In den Gleichrichterschaltungen gemäß 8 besitzen entsprechende Merkmale entsprechende Bezugszeichen, die sich nur in tiefgestellten Indizes unterscheiden. Die elektrische Schaltung gemäß 8 umfasst zwei Gleichrichterschaltungen. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Es können auch mehr als zwei Gleichrichterschaltungen in die elektronische Schaltung implementiert werden. Gemäß 8 sind die einzelnen Gleichrichterschaltungen kaskadiert, d.h. die Ausgangskondensatoren 30 ₁, 30 _n der einzelnen Gleichrichterschaltungen sind in Reihe geschaltet. Vout₁, Vout_n bezeichnen Ausgangsspannungen der einzelnen Gleichrichterschaltungen in 8. Eine gesamte Ausgangsspannung Vout entspricht der Summe Vout₁ + Vout_n der einzelnen Ausgangsspannungen Vout₁, Vout_n. In 8 bezeichnen die Bezugszeichen 31, 32 Ausgangsknoten der elektrischen Schaltung, d.h. die Ausgangskondensatoren 30 ₁, 30 _n sind in Reihe zwischen diese Ausgangsknoten 31, 32 geschaltet.
In der elektronischen Schaltung gemäß 8 sind Eingangsspannungen Vin₁, Vin_n der Brückenschaltungen 10 ₁, 10 _n sekundäre Spannungen, die an Sekundärwicklungen 42 ₁, 42 _n des Transformators 40 zur Verfügung stehen. Dieser Transformator weist eine Primärwicklung 41 auf, die eine Primärspannung V41 erhält und die induktiv mit den Sekundärwicklungen 42 ₁, 42 _n gekoppelt ist. Die Zahl der Sekundärwicklungen 42 ₁, 42 _n entspricht der Zahl der kaskadierten Gleichrichterschaltungen, sodass jede Gleichrichterschaltung seine Eingangsspannung Vin₁, Vin_n von einer Sekundärwicklung 42 ₁, 42 _n erhält.
9 zeigt eine elektronische Schaltung, die auf der elektrischen Schaltung gemäß 8 basiert und die sich von der elektronischen Schaltung gemäß 8 dadurch unterscheidet, das ein gemeinsamer Ausgangskondensator 30 zwischen die Ausgangsanschlüsse 33, 34 der elektronischen Schaltung geschaltet ist anstatt eines Ausgangskondensators (30 ₁, 30 _n) in jeder Gleichrichterschaltung. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) umfasst jede Gleichrichterschaltung einen Ausgangskondensator 30 ₁, 30 _n wie in 8 dargestellt und zusätzlich einen gemeinsamen Ausgangskondensator 30 wie in 9 dargestellt, der zwischen die Ausgangsanschlüsse 31, 32 geschaltet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Spulen 22 ₁, 22 _n der Parallelschwingkreise 20 ₁, 20 _n der einzelnen Gleichrichterschaltungen induktiv gekoppelt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das in 10 dargestellt ist, sind diese Spulen als planare Drahtspulen auf einem Substrat 200 implementiert. Gemäß 10 können die Drahtspulen 21 ₁, 21 ₂ spiralförmig ausgebildet sein und die spiralförmigen Drahtspulen können im Wesentlichen konzentrisch sein. Die Drahtspulen können ein herkömmliches Spulmaterial wie Metall ein hochdotiertes polykristallines Halbleitermaterial oder ähnliches umfassen.
11 zeigt eine Gleichrichterschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Diese Gleichrichterschaltung umfasst eine Brückenschaltung 10, die anhand von 1 erläutert wurde und umfasst ein Gleichrichterelement 50 zwischen dem Ausgang der Brückenschaltung 10 und dem Ausgang 31, 32 der Gleichrichterschaltung anstatt dem Parallelschwingkreis 20, der zuvor erläutert wurde. Im Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist das Gleichrichtelement 50 zwischen den zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10 und den zweiten Ausgangsknoten 32 der Gleichrichterschaltung geschaltet. Eine Polarität des Gleichrichterelements 50 ist derart, dass das Gleichrichterelement einen Strom vom Ausgang 31, 32 der Gleichrichterschaltung zur Brückenschaltung 10 verhindert. Gemäß 11 kann das Gleichrichterelement 50 als eine Diode ausgebildet sein, die einen Kathodenanschluss 52 aufweist, der mit dem zweiten Ausgangsknoten 16 der Brückenschaltung 10 verbunden ist, und einen Anodenanschluss 51 aufweist, der mit dem zweiten Ausgangsknoten 32 der Brückenschaltung verbunden ist. Alternativ könnte das Gleichrichterelement 50 zwischen den ersten Ausgangsknoten 15 der Brückenschaltung 10 und den ersten Ausgangsknoten 31 der Gleichrichterschaltung 10 geschaltet sein.
Gemäß 12A und 12B kann das Gleichrichterelement 50 als ein als Diode verschalteter Transistor ausgebildet sein. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das in 12A dargestellt ist, könnte der Transistor ein Bipolartransistor sein, dessen Basis mit seinem Kollektor verbunden ist. Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in 12B dargestellt ist, könnte der Transistor ein MOS-Transistor (MOSFET) sein, dessen Gate mit seinem Drain verbunden ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der als Diode verschaltete MOS-Transistor aus 12B mit einer Schwellenspannung von im Wesentlichen 0V ausgebildet. In diesem Fall kann das Gleichrichterelement 50 mit extrem niedrigen Leitungsverlusten implementiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Spannungsfestigkeit des Gleichrichterelements 50 niedriger als die Ausgangsspannung Vout. Das Gleichrichterelement ist in Sperrrichtung gepolt, sodass es sperrt, wenn der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter der Eineinhalbbrücke 13, 14 gleichzeitig leitend sind. Jedoch ist eine Spannung zwischen dem Ausgang 15, 16 der Brückenschaltung 10 zumindest die Summe der Schwellenspannung der leitenden High-Side-Schalter und der leitenden Low-Side-Schalter. Das reduziert die Spannung, die das Gleichrichterelement 50 in Sperrrichtung polt.
13 veranschaulicht eine elektronische Schaltung, die der elektronischen Schaltung gemäß 8 entspricht, die jedoch mit mehreren Gleichrichterschaltungen entsprechend 11 implementiert ist. Diese elektronische Schaltung gemäß 13 könnte wie anhand von 9 erläutert derart modifiziert werden, sodass sie nur einen Ausgangskondensator (30 in 9) umfasst, der zwischen die Ausgangsknoten der elektronischen Schaltung geschaltet ist.
Die zuvor erläuterte Gleichrichterschaltung oder die zuvor erläuterten elektronischen Schaltungen mit mehreren Gleichrichterschaltungen können insbesondere in Schaltungsanwendungen genutzt werden, wo es nötig ist, eine Last über eine Potenzialbarriere zur Verfügung zu stellen. Ein Beispiel dieses Anwendungstyps ist eine elektronische Schaltung, die eine Ansteuerschaltung eines High-Side-Schalters umfasst.
14 veranschaulicht schematisch eine elektronische Schaltung, die einen High-Side-Schalter 61 umfasst, der in Reihe mit einer Last Z2 geschaltet ist. Eine Ansteuerschaltung 62 erhält die Ausgangsspannung Vout von einer Gleichrichterschaltung 1. Die Gleichrichterschaltung 1 gemäß 14 repräsentiert eine der Gleichrichterschaltungen oder eine der elektronischen Schaltungen mit mehreren Gleichrichterschaltungen, die zuvor erläutert wurden, die eine gleichgerichtete Ausgangsspannung Vout ausgeben und eine Primärspannung V41 erhalten. Die Ansteuerschaltung 62 erhält des Weiteren ein Eingangssignal Sin, das einen gewünschten Schaltungszustand des High-Side-Schalters 61 definiert. Die Ansteuerschaltung 62 ist dazu ausgebildet, den High-Side-Schalter 62 abhängig vom Eingangssignal Sin einzuschalten oder auszuschalten und die Ausgangsspannung Vout als die Versorgungsspannung zu nutzen.
Der High-Side-Schalter ist als ein n-leitender MOS-Transistor ausgebildet, insbesondere als ein n-leitender MOSFET. Die Ausgangsspannung Vout der Gleichrichterschaltung (die Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung 62) bezieht sich auf den Sourceanschluss des High-Side-Schalters 61. Der Wert des Sourcepotenzials kann abhängig von dem Schaltungszustand des High-Side-Schalters 61 variieren. Das beeinflusst allerdings nicht die Erzeugung der Ausgangsspannung Vout, da die Ausgangsspannung Vout und die Energiequelle (Spannungsquelle), die die Primärspannung V41 erzeugen, die an der Primärwicklung 41 des Transformators 40 angelegt wird, galvanisch durch den Transformator 40 isoliert sind.
Es ist offensichtlich, dass Merkmale der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können sofern nicht explizit anders angegeben.

Claims

Gleichrichterschaltung, die aufweist: eine Brückenschaltung (10; 10 ₁), die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal (Vin; Vin₁) zu erhalten; und einen Parallelschwingkreis (20; 20 ₁), der zwischen die Brückenschaltung (10; 10 ₁) und einen Ausgang gekoppelt ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin ein kapazitives Speicherelement (30; 30 ₁) aufweist, das an den Ausgang gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal (Vout; Vout₁) bereitzustellen.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 2, bei der der Parallelschwingkreis (20; 20 ₁) und das kapazitive Speicherelement (30) in Reihe geschaltet sind.
Gleichrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Eingangswechselsignal (Vin; Vin₁) einen Eingangsfrequenz aufweist und bei der der Parallelschwingkreis (20; 20 ₁) eine Resonanzfrequenz aufweist, wobei die Resonanzfrequenz basierend auf einem Wert der Eingangsfrequenz gewählt ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 4, bei der die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises (20; 20 ₁) basierend auf einer Induktivität einer Spule und einer Kapazität eines Kondensators gewählt ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 4, bei der die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises (20; 20 ₁) basierend auf wenigstens einer Beziehung gewählt ist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: 0.5·(2·f_IN) < f_RES < 2 ·(2·f_IN); 0.8·(2·f_IN) < f_RES < 1.2·(2·f_IN); und 0.9·(2·f_IN) < f_RES < 1.1·(2·f_IN); wobei f_RES die Resonanzfrequenz ist und f_IN die Frequenz des Eingangssignals ist.
Gleichrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Parallelschwingkreis (20; 20 ₁) aufweist: eine Spule (21; 21 ₁) und ein zweites kapazitives Speicherelement (22; 22 ₁), das parallel zu der Spule (21; 21 ₁) geschaltet ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 7, bei der das zweite kapazitive Speicherelement (22; 22 ₁) einen MOS-Kondensator aufweist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 8, bei der der MOS-Kondensator aufweist: ein dotiertes Halbleitersubstrat (221; 221 ₁), das an einen ersten Kondensatoranschluss (23; 23 ₁) gekoppelt ist; eine Elektrode (222; 222 ₁), die an einen zweiten Kondensatoranschluss (24, 24 ₁) gekoppelt ist; und eine Dielektrikumsschicht (223; 223 ₁), die zwischen das dotierte Halbleitersubstrat (221; 221 ₁) und die Elektrode (222, 222 ₁) gekoppelt ist.
Gleichrichterschaltung nach einer der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin einen Transformator (40; 40 ₁) aufweist, der eine Primärwicklung (41; 41 ₁) und eine Sekundärwicklung (42; 42 ₁) aufweist, wobei die Sekundärwicklung (42; 42 ₁) dazu ausgebildet ist, das Eingangswechselsignal (Vin; Vin₁) der Brückenschaltung (10; 10 ₁) auszugeben.
Gleichrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Brückenschaltung (10; 10 ₁) aufweist: eine erste Halbbrücke (13; 13 ₁), die zwischen einen ersten Eingangsknoten (11; 11 ₁) und einen ersten Ausgangsknoten (15; 15 ₁) und einen zweiten Ausgangsknoten (16; 16 ₁) der Brückenschaltung (10; 10 ₁) gekoppelt ist; und eine zweite Halbbrücke (14; 14 ₁), die zwischen einen zweiten Eingangsknoten (12; 12 ₁) und den ersten Ausgangsknoten (15; 15 ₁) und den zweiten Ausgangsknoten (16; 16 ₁) der Brückenschaltung (10; 10 ₁) gekoppelt ist, wobei das Eingangswechselsignal (Vin; Vin₁) an den ersten und zweiten Eingangsknoten erhalten wird.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 11, bei der die erste Halbbrücke (13; 13 ₁) aufweist: einen ersten High-Side-Schalter (H1; H1₁), der zwischen den ersten Eingangsknoten (11; 11 ₁) und den ersten Ausgangsknoten (15; 15 ₁) gekoppelt ist, und einen ersten Low-Side-Schalter (L1; L1₁), der zwischen den ersten Eingangsknoten (11; 11 ₁) und den zweiten Ausgangsknoten (16; 16 ₁) gekoppelt ist, und bei der die zweite Halbbrücke (14; 14 ₁) aufweist: einen zweiten High-Side-Schalter (H2; H2₁), der zwischen den zweiten Eingangsknoten (12; 12 ₁) und den ersten Ausgangsknoten (15; 15 ₁) gekoppelt ist, und einen zweiten Low-Side-Schalter (L2; L2₁), der zwischen den zweiten Eingangsknoten (12; 12 ₁) und den zweiten Ausgangsknoten (16; 16 ₁) gekoppelt ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 12, bei der der erste High-Side-Schalter (H1; H1₁) und der erste Low-Side-Schalter (L1; L1₁) jeweils einen Steueranschluss aufweisen, der an den zweiten Eingangsknoten (12; 12 ₁) gekoppelt ist; und bei der der zweite High-Side-Schalter (H2; H2₁) und der zweite Low-Side-Schalter (L2; L2₁) jeweils einen Steueranschluss aufweisen, der an den ersten Eingangsknoten (11; 11 ₁) gekoppelt ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 12, bei der der erste High-Side-Schalter (H1; H1₁), der erste Low-Side-Schalter (L1; L1₁), der zweite High-Side-Schalter (H2; H2₁) und der zweite Low-Side-Schalter (L2; L2₁) jeweils einen Transistor aufweisen.
Gleichrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin aufweist: eine weitere Brückenschaltung (10 _n), die dazu ausgebildet ist, ein weiteres Eingangswechselsignal (Vin_n) zu erhalten; und einen weiteren Reihenschwingkreis (20 _n), der zwischen die weitere Brückenschaltung (10 _n) und einen weiteren Ausgang gekoppelt ist, wobei der weitere Ausgang dazu ausgebildet ist, ein weiteres Ausgangssignal (Vout_n) auszugeben, wobei der Ausgang der Brückenschaltung (10 ₁) und der weitere Ausgang der Brückenschaltung (10 _n) in Kaskade geschaltet sind.
Elektronische Schaltung, die mehrere Gleichrichterschaltungen aufweist, wobei jede Gleichrichterschaltung aufweist: eine Brückenschaltung (10 _n), die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal (Vin₁, Vin_n) zu erhalten, und einen Parallelschwingkreis (20 ₁, 20 _n), der zwischen die Brückenschaltung (10 ₁, 10 _n) und einen Ausgang gekoppelt ist, und wobei die Ausgänge der Gleichrichterschaltungen der mehreren Gleichrichterschaltungen kaskadiert sind.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 16, bei der der Parallelschwingkreis (20 ₁, 20 _n) jeder Gleichrichterschaltung eine Spule (21 ₁, 21 _n) aufweist; und bei der die Spulen (21 ₁, 21 _n) der Parallelschwingkreise (20 ₁, 20 _n) der mehreren Gleichrichterschaltungen induktiv gekoppelt sind.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 17, bei der jede der Spulen (21 ₁, 21 _n) eine planare Wicklung aufweist.
Elektronische Schaltung nach einer der Ansprüche 16–18, die weiterhin einen Transformator (40), der eine Primärwicklung (41) und mehrere Sekundärwicklungen (41 ₁, 41 _n) aufweist, wobei jede der mehreren Sekundärwicklungen (41 ₁, 41 _n) an die Brückenschaltung (10 ₁, 10 _n) einer der mehreren Gleichrichterschaltungen gekoppelt ist und wobei jede Brückenschaltung (10 ₁, 10 _n) einer der mehreren Gleichrichterschaltungen eine daran angeschlossene zweite Wicklung (41 ₁, 41 _n) aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 16–19, bei der die Ausgänge der Gleichrichterschaltungen der mehreren Gleichrichterschaltungen derart kaskadiert sind, dass ein erster Ausgangsknoten (31 _n) einer der mehreren Gleichrichterschaltungen an einen zweiten Ausgangsknoten (32 ₁) einer anderen der mehreren Gleichrichterschaltungen angeschlossen ist.
Gleichrichterschaltung, die aufweist: eine Brückenschaltung (10; 10 ₁), die dazu ausgebildet ist, ein Eingangswechselsignal (Vin; Vin₁) zu erhalten; und ein Gleichrichterelement (50), das zwischen die Brückenschaltung (10; 10 ₁) und einen Ausgang gekoppelt ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 21, die weiterhin ein kapazitives Speicherelement (30; 30 ₁) aufweist, das an den Ausgang gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal (Vout; Vout₁) bereitzustellen.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 22, bei der das Gleichrichterelement (30; 30 ₁) ein Element aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die eine Diode und einen als Diode verschalteten Transistor aufweist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 23, bei der der als Diode verschaltete Transistor einen Transistor aufweist, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die einen Bipolartransistor und einen MOSFET aufweist.
Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 21–24, bei der das Gleichrichterelement eine Spannungsfestigkeit aufweist, die niedriger ist als ein Pegel eines Ausgangssignals, das an dem Ausgang zur Verfügung steht.
Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 21–24, die weiterhin einen Transformator (40) mit einer Primärwicklung (41) und einer Sekundärwicklung (42; 42 ₁) aufweist, wobei die Sekundärwicklung (42; 42 ₁) dazu ausgebildet ist, das Eingangswechselsignal (Vin; Vin₁) der Brückenschaltung auszugeben.
Gleichrichterschaltung nach einer der Ansprüche 21–26, bei der die Brückenschaltung aufweist: eine erste Halbbrücke (13; 13 ₁), die zwischen einen ersten Eingangsknoten (11; 11 ₁) und einen ersten Ausgangsknoten (15; 15 ₁) und einen zweiten Ausgangsknoten (16; 16 ₁) der Brückenschaltung gekoppelt ist; und eine zweite Halbbrücke (14; 14 ₁), die zwischen einen zweiten Eingangsknoten (12; 12 ₁) und den zweiten Ausgangsknoten (16; 16 ₁) der Brückenschaltung gekoppelt ist, wobei das Eingangswechselsignal an den ersten und zweiten Eingangsknoten erhalten wird.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 27, bei der die erste Halbbrücke (13; 13 ₁) aufweist: einen ersten High-Side-Schalter (H1; H1₁), der zwischen den ersten Eingangsknoten (11; 11 ₁) und den ersten Ausgangsknoten (15; 15 ₁) gekoppelt ist, und einen ersten Low-Side-Schalter (L1; L1₁), der zwischen den ersten Eingangsknoten (11; 11 ₁) und den zweiten Ausgangsknoten (16; 16 ₁) gekoppelt ist; und bei der die zweite Halbbrücke (14; 14 ₁) aufweist: einen zweiten High-Side-Schalter (H2; H2₁), der zwischen den zweiten Eingangsknoten (12; 12 ₁) und den ersten Ausgangsknoten (15; 15 ₁) gekoppelt ist, und einen zweiten Low-Side-Schalter (L2; L2₁), der zwischen den zweiten Eingangsknoten (12; 12 ₁) und den zweiten Ausgangsknoten (16; 16 ₁) gekoppelt ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 28, bei der der erste High-Side-Schalter (H1; H1₁) und der erste Low-Side-Schalter (L1; L1₁) jeweils einen Steueranschluss aufweisen, der an den zweiten Eingangsknoten (12; 12 ₁) gekoppelt ist; und bei der der zweite High-Side-Schalter (H2; H2₁) und der zweite Low-Side-Schalter (L2; L2₁) jeweils einen Steueranschluss aufweisen, der an einen ersten Eingangsknoten (11; 11 ₁) gekoppelt ist.
Gleichrichterschaltung nach Anspruch 28, bei der erste High-Side-Schalter (H1; H1₁), der erste Low-Side-Schalter (L1; L1₁), der zweite High-Side-Schalter (H2; H2₁) und der zweite Low-Side-Schalter (L2; L2₁) jeweils einen Transistor aufweisen.
Gleichrichterschaltung nach einen der Ansprüche 21–30, die weiterhin aufweist: eine weitere Brückenschaltung (10 _n), die dazu ausgebildet ist, ein weiteres Eingangswechselsignal (Vin_n) zu erhalten; und ein weiteres Gleichrichterelement (30 _n), das zwischen die weitere Brückenschaltung (10 _n) und einen weiteren Ausgang gekoppelt ist, wobei der weitere Ausgang dazu ausgebildet ist, ein weiteres Ausgangssignal (Vout_n) auszugeben, wobei der Ausgang der Brückenschaltung (10) und der weitere Ausgang der weiteren Brückenschaltung in Kaskade geschaltet sind.