DE102014112335A1

DE102014112335A1 - Laden eines kondensators

Info

Publication number: DE102014112335A1
Application number: DE102014112335.2A
Authority: DE
Inventors: Werner Rössler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: CN104426342B; DE102014112335B4; US9931947B2; CN104426342A; US20150061382A1

Abstract

Bei einem Beispiel umfasst ein Verfahren das abwechselnde Einschalten eines ersten Schalters, der in Reihe zu einem Kondensator geschaltet ist und parallel zu einem ersten kapazitiven Element geschaltet ist, und eines zweiten Schalters, der in Reihe zu dem Kondensator geschaltet ist und parallel zu einem zweiten kapazitiven Element geschaltet ist. Eine Reihenschaltung mit dem ersten Schalter, dem Kondensator und dem zweiten Schalter kann an Versorgungsknoten zum Erhalten einer Versorgungsspannung gekoppelt sein. k

Description

Diese Beschreibung betrifft Leistungswandlerschaltungen, Schalt-Schaltungen und ähnliche Schaltungen, die einen Kondensator aufweisen können.
Eine Leistungswandlerschaltung, wie beispielsweise eine Leistungswandlerschaltung (Umrichter) zum Ansteuern eines elektrischen Motors in einem Fahrzeug, umfasst üblicherweise einen Eingangskondensator, der dazu dient, Energie, die von einer Leistungsquelle, wie beispielsweise einer Batterie, erhalten wird, zwischen zu speichern. Leistungswandlerschaltungen können auch in vielen anderen Arten von Anwendungen verwendet werden.
Ein erstes Beispiel betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst das abwechselnde Einschalten eines ersten Schalters, der in Reihe zu einem Kondensator und parallel zu einem ersten kapazitiven Element geschaltet ist, und eines zweiten Schalters, der in Reihe zu dem Kondensator und parallel zu einem zweiten kapazitiven Element geschaltet ist, wobei eine Reihenschaltung mit dem ersten Schalter, dem Kondensator und dem zweiten Schalter an Versorgungsknoten zum Erhalten einer Versorgungsspannung gekoppelt ist.
Ein zweites Beispiel betrifft eine Schalt-Schaltung. Die Schalt-Schaltung umfasst einen Eingang, der dazu ausgebildet ist, an eine Leistungsquelle gekoppelt zu werden, und einen Ausgang, der dazu ausgebildet ist, an einen Kondensator angeschlossen zu werden, einen ersten Schalter, der parallel zu einem ersten kapazitiven Element geschaltet ist und der zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet ist, einen zweiten Schalter, der parallel zu dem zweiten kapazitiven Element geschaltet ist und der zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet ist, und eine Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, den ersten und den zweiten Schalter in einem Vorladebetrieb durch abwechselndes Einschalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters zu betreiben.
Beispiele werden nun anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zum Veranschaulichen einiger Prinzipien, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis dieser Prinzipien notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.
1 veranschaulicht schematisch eine elektronische Schaltung mit einer Schalt-Schaltung, die zwischen eine Leistungsquelle und einen Kondensator gekoppelt ist;
2 veranschaulicht ein Beispiel der Schalt-Schaltung;
3 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart der Schalt-Schaltung in einem Schaltzyklus veranschaulichen;
4 zeigt Zeitverläufe, die eine Spannung über dem Kondensator in einem Vorladebetrieb veranschaulichen;
5 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart der Schalt-Schaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel veranschaulichen;
6 zeigt ein Beispiel eines Zustandsdiagramms der Schalt-Schaltung;
7 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines Zustandsdiagramms der Schalt-Schaltung;
8 veranschaulicht eine Schalt-Schaltung, die Sperrschichtkondensatoren aufweist;
9 veranschaulicht ein Beispiel eines Sperrschichtkondensators im Detail;
10 veranschaulicht ein Beispiel einer Schalt-Schaltung, die MOSFETs aufweist;
11 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines MOSFET gemäß einem Beispiel;
12 veranschaulicht schematisch eine Kapazität eines Sperrschichtkondensators abhängig von einer Spannung über dem Sperrschichtkondensator;
13 zeigt Zeitverläufe, die einen Strom in und eine Spannung über dem Kondensator in einer elektronischen Schaltung mit einem Sperrschichtkondensator veranschaulichen;
14 zeigt eine Schalt-Schaltung gemäß einem weiteren Beispiel;
15 zeigt eine Schalt-Schaltung gemäß einem weiteren Beispiel;
16 zeigt eine Schalt-Schaltung gemäß noch einem weiteren Beispiel.
Beispiele der vorliegenden Beschreibung betreffen ein Verfahren zum Laden eines Kondensators, insbesondere zum Vorladen eines Kondensators in einer Leistungswandlerschaltung, und eine Schalt-Schaltung.
Eine Leistungswandlerschaltung, wie beispielsweise eine Leistungswandlerschaltung (Umrichter) zum Ansteuern eines elektrischen Motors in einem Fahrzeug umfasst üblicherweise einen Eingangskondensator, der dazu dient, Energie, die von einer Leistungsquelle, wie beispielsweise einer Batterie, erhalten wird, zwischen zu speichern (engl.: to buffer). Dieser Kondensator kann eine relativ hohe Kapazität, wie beispielsweise einige 100 Mikrofarad (µF) besitzen. Um in der Lage zu sein, die Leistungswandlerschaltung von der Leistungsquelle zu trennen, kann eine Schalt-Schaltung vorgesehen sein. In einem herkömmlichen System umfasst diese Schalt-Schaltung wenigstens ein erstes Relais. In einer ersten Betriebsart verbindet das wenigstens eine erste Relais die Leistungsquelle mit der Leistungswandlerschaltung. In dieser Betriebsart ist es wünschenswert, dass das erste Relais einen niedrigen elektrischen Widerstand besitzt, um Verluste gering zu halten. Wenn die Schalt-Schaltung zum ersten Mal eingeschaltet wird, nachdem der Eingangskondensator entladen wurde, kann ein hoher Anlaufstrom von der Leistungsquelle zum Eingangskondensator fließen. Während dieser Betriebsart ist es wünschenswert, dass die Schalt-Schaltung den in den Eingangskondensator fließenden Strom auf einen vordefinierten Strompegel begrenzt. Hierzu kann ein zweites Relais parallel zu dem ersten Relais vorgesehen sein. Dieses zweite Relais kann einen höheren elektrischen Widerstand als das erste Relais besitzen oder kann einen hierzu in Reihe geschalteten Widerstand aufweisen. Bei dieser Art von Schalt-Schaltung wird das zweite Relais dazu verwendet, den Eingangskondensator vorzuladen, wobei das erste Relais eingeschaltet wird, nachdem der Eingangskondensator auf einen vordefinierten Ladungspegel vorgeladen wurde.
In modernen elektrischen Fahrzeugen ist ein niedriges Gewicht und eine geringe Größe des Antriebssystems wesentlich. Da Relais schwer und sperrig sind und Verschleiß unterliegen, besteht ein Bedürfnis, eine zuverlässig Schalt-Schaltung zur Verfügung zu stellen, die weniger Schalt-Bauelemente und leichtere und kleinere Schalt-Bauelemente aufweist.
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung spezielle Beispiele. Es sei erwähnt, dass Merkmale der verschiedenen Beispiele oder Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.
1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer elektronischen Schaltung. Die elektronische Schaltung umfasst eine Schalt-Schaltung 2 mit einem Eingang 241, 242, der an eine Leistungsquelle 3 gekoppelt ist, und einem Ausgang 251, 252, der an einen Kondensator 4 gekoppelt ist. Eine Last Z (in gestrichelten Linien dargestellt) kann an den Kondensator 4 angeschlossen sein. Die in 1 gezeigte elektronische Schaltung ist beispielsweise eine elektronische Schaltung, die in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybrid-Fahrzeug eingesetzt ist. In diesem Fall kann die Leistungsquelle 3 eine Batterie sein, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, und die Last Z kann eine Leistungswandlerschaltung (Umrichter) und einen elektrischen Motor, der durch die Leistungswandlerschaltung angetrieben ist, umfassen. Bei dieser Art von Anwendung kann der Kondensator 4 ein Eingangskondensator der Leistungswandlerschaltung sein und kann dazu dienen, von der Leistungsquelle 3 erhaltene Energie zwischenzuspeichern. Ein Spannungspegel der Versorgungsspannung 3 ist beispielsweise einige 100 V, wie beispielsweise etwa 400 V, und eine Kapazität des Kondensators 4 ist beispielsweise einige 100 Mikrofarad (µF).
Gemäß einem Beispiel kann die Schalt-Schaltung 2 in einer normalen Betriebsart und einem Vorladebetrieb betrieben werden. In der normalen Betriebsart verbindet die Schalt-Schaltung 2 den Kondensator 4 und die Last Z mit der Leistungsquelle 3. Im Vorladebetrieb lädt die Schalt-Schaltung 2 den Kondensator 4 vor. Ein Vorladen kann notwendig werden, nachdem der Kondensator 4 (vollständig) entladen wurde. Wenn der Kondensator 4 entladen wurde, kann ein einfaches Verbinden des Kondensators 4 mit der Leistungsquelle 3 hohe Anlaufströme verursachen, die wenigstens eines der folgenden beschädigen können: die Leistungsquelle, einen Schalter, der die Leistungsquelle mit dem Kondensator koppelt, und den Kondensator.
2 zeigt ein Beispiel der Schalt-Schaltung 2 weiter im Detail. Bei diesem Beispiel umfasst die Schalt-Schaltung 2 einen ersten Schalter 211, der zwischen den Eingang 241, 242 und den Ausgang 251, 252 gekoppelt ist, und der parallel zu einem ersten kapazitiven Element 221 geschaltet ist; und einen zweiten Schalter 212, der zwischen den Eingang 241, 242 und den Ausgang 251, 252 gekoppelt ist und der parallel zu einem zweiten kapazitiven Element 222 geschaltet ist. In dem vorliegenden Beispiel ist der erste Schalter 211 zwischen einem ersten Eingangsknote 241 und einem ersten Ausgangsknoten 251 gekoppelt, und der zweite Schalter 212 ist zwischen einem zweiten Eingangsknoten 242 und einem zweiten Ausgangsknoten 252 gekoppelt. Der erste Schalter 211 und der zweite Schalter 212 sind jeweils in Reihe zu dem Kondensator 4 geschaltet, und eine Reihenschaltung mit dem ersten Schalter 211, dem Kondensator 4 und dem zweiten Schalter 212 ist zwischen die ersten und zweiten Eingangsknoten 241, 242 gekoppelt.
Bezugnehmend auf 2 umfasst die Schalt-Schaltung 2 außerdem eine Steuerschaltung 20. Die Steuerschaltung 20 ist dazu ausgebildet, den ersten Schalter 211 und den zweiten Schalter 212 anzusteuern. Das heißt, die Steuerschaltung 20 erzeugt ein erstes Ansteuersignal S211, das von dem ersten Schalter 211 erhalten wird, und ein zweites Ansteuersignal S211, das durch den zweiten Schalter 212 erhalten wird. Der erste Schalter 211 und der zweite Schalter 212 schalten jeweils abhängig von einem Signalpegel des zugehörigen Ansteuersignals S211 bzw. S212 ein und aus.
Die Steuerschaltung 20 kann die Schalt-Schaltung 2 in einem Vorladebetrieb betreiben. Im Vorladebetrieb schaltet die Steuerschaltung 20 den ersten Schalter 211 und den zweiten Schalter 212 abwechselnd ein, so dass mehrere aufeinanderfolgende Schaltzyklen vorhanden sind, wobei in jedem Schaltzyklus der erste Schalter 211 für eine erste Ein-Dauer eingeschaltet wird und, nach der ersten Ein-Dauer, der zweite Schalter 212 für eine zweite Ein-Dauer eingeschaltet wird. In einem nächsten Schaltzyklus wird wieder der erste Schalter 211 eingeschaltet, und so weiter. In jedem dieser Schaltzyklen wird elektrische Ladung in dem Kondensator 4 gespeichert. Dies ist nachfolgend weiter im Detail erläutert.
Der Betrieb der Schalt-Schaltung 20 in einem Schaltzyklus ist nachfolgend anhand von 3 erläutert. 3 veranschaulicht schematisch Zeitverläufe des ersten Ansteuersignals S211, des zweiten Ansteuersignals S212, einer Spannung V221 über dem ersten kapazitiven Element 221, einer Spannung V222 über dem zweiten kapazitiven Element 222 und einer Spannung V4 über dem Kondensator 4. Zu Veranschaulichungszwecken sei angenommen, dass der Kondensator 4 vollständig entladen wurde, bevor der Vorladeprozess beginnt. Lediglich zu Erläuterungszwecken repräsentiert ein hoher Pegel eines der ersten und zweiten Ansteuersignale S211, S212 einen Ein-Pegel, der den zugehörigen Schalter einschaltet, während ein niedriger Pegel einen Aus-Pegel repräsentiert, der den zugehörigen Schalter ausschaltet.
3 veranschaulicht Zeitverläufe in einem Schaltzyklus, der eine erste Ein-Dauer Ton1, in der der erste Schalter 211 eingeschaltet ist, und eine zweite Ein-Dauer Ton2, in der der zweite Schalter 222 eingeschaltet ist, umfasst. Die erste Ein-Dauer Ton1 und die zweite Ein-Dauer Ton2 überlappen sich zeitlich nicht. Das heißt, nur einer von dem ersten Schalter 211 und dem zweiten Schalter 212 ist zu einem Zeitpunkt eingeschaltet.
Wenn der erste Schalter 211 eingeschaltet ist und der zweite Schalter 212 ausgeschaltet ist, bilden der Kondensator 4 und das zweite kapazitive Element 222 einen kapazitiven Spannungsteiler, der zwischen den ersten Eingangsknoten 241 und den zweiten Eingangsknoten 242 gekoppelt ist. Bezug nehmend auf 3 nimmt die Spannung V4 über dem Kondensator 4 und die Spannung V222 über dem zweiten kapazitiven Element 222 zu, wenn der erste Schalter 211 einschaltet. Eine Geschwindigkeit, mit der diese Spannungen V2, V222 zunehmen, ist unter anderem abhängig von einem Einschaltwiderstand des ersten Schalters 211, Leitungswiderständen von Verbindungsleitungen, die die einzelnen Bauelemente der elektronischen Schaltung verbinden, und von diskreten oder parasitären Induktivitäten in der elektronischen Schaltung.
Lediglich zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass eine Kapazität C4 des Kondensators 4 und eine Kapazität C222 des Kondensators 222 im Wesentlichen konstant und im Wesentlichen unabhängig von einem Spannungspegel einer Spannung über dem jeweiligen Kondensator ist. Allerdings ist die anhand von 3 erläuterte Betriebsart nicht auf eine elektronische Schaltung beschränkt, in der die einzelnen Kondensatoren konstante Kapazitäten besitzen (Beispiel von Kondensatoren mit spannungsabhängigen Kapazitäten sind nachfolgend anhand der 8 bis 11 erläutert). Zu Erläuterungszwecken sei außerdem angenommen, dass die erste Ein-Dauer Ton1 lang genug ist, dass die Spannung V4 + V222 über der Reihenschaltung mit dem Kondensator 4 und dem kapazitiven Speicherelement 222 auf die Versorgungsspannung V3 ansteigen kann. In diesem Fall sind am Ende der ersten Ein-Dauer Ton1 die Spannungen V4 und V222 wie folgt:
wobei C4 die Kapazität des Kondensators 4 und C222 die Kapazität des zweiten kapazitiven Elements 222 ist.
Gemäß einem Beispiel ist die Kapazität C4 des Kondensators 4 wesentlich höher als die Kapazität C222 des zweiten kapazitiven Elements 222 (C4 >> C222). In diesem Fall ist die Spannung V4 nach dem erstmaligen Einschalten des ersten Schalters 211 wesentlich niedriger als die Spannung V222. Die Spannung V222 über dem ersten kapazitiven Element 221 ist während der ersten Ein-Dauer Ton1 im Wesentlichen Null, da der erste Schalter 211 das erste kapazitive Element 221 im Wesentlichen kurzschließt.
Wenn der zweite Schalter 212 zu Beginn der zweiten Ein-Dauer Ton2 einschaltet (und der erste Schalter 211 ausgeschaltet wurde) wird das zweite kapazitive Element 222 entladen, so dass die Spannung V222 im Wesentlichen Null wird. Während der zweiten Ein-Dauer Ton2 bilden das kapazitive Element 221 und der Kondensator 4 einen kapazitiven Spannungsteiler, der zwischen den ersten Eingangsknoten 241 und den zweiten Eingangsknoten 242 gekoppelt ist. Während dieser zweiten Ein-Dauer Ton2 werden das erste kapazitive Element 221 und der Kondensator 4 geladen, so dass eine Spannung V221 über dem ersten kapazitiven Element 221 und die Spannung V4 über dem Kondensator 4 ansteigt. Da das erste kapazitive Element 221 vor der zweiten Ein-Dauer Ton2 vollständig entladen wurde, beginnt die Spannung V221 im Wesentlichen von Null anzusteigen. Die Spannung V4 über dem Kondensator 4 beginnt bei der Spannung anzusteigen, auf welche der Kondensator 4 in der vorangehenden ersten Ein-Dauer Ton1 aufgeladen wurde. Diese Spannung wird nachfolgend als V4(1) bezeichnet. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass die zweite Ein-Dauer Ton2 lang genug ist, dass eine Spannung V4 + V221 über der Reihenschaltung mit dem ersten kapazitiven Element 221 und dem Kondensator 4 auf die Eingangsspannung V3 ansteigt. In diesem Fall ist die Spannung V221 über dem ersten kapazitiven Element 221 und die Spannung V4 über dem Kondensator 4 wie folgt:
wobei V4(1) die Spannung über dem Kondensator 4 am Ende der vorangehenden ersten Ein-Dauer Ton1 bezeichnet, V3 die Eingangsspannung bezeichnet und C221 eine Kapazität des ersten kapazitiven Elements 221 bezeichnet.
Der anhand von 3 erläuterte Schaltzyklus wird einige Male wiederholt, so dass mehrere aufeinanderfolgende Schaltzyklen vorhanden sind. In jedem dieser Schaltzyklen wird der erste Schalter 221 für die erste Ein-Dauer Ton1 eingeschaltet und der zweite Schalter 212 mit für die zweite Ein-Dauer Ton2 eingeschaltet. Gemäß einem Beispiel sind die erste Ein-Dauer Ton1 und die zweite Ein-Dauer Ton2 in einem Schaltzyklus im Wesentlichen gleich. Außerdem kann die erste Ein-Dauer Ton1 in jedem der aufeinanderfolgenden Schaltzyklen im Wesentlichen gleich sein und die zweite Ein-Dauer Ton2 kann in jedem der aufeinanderfolgenden Schaltzyklen im Wesentlichen gleich sein. In jedem Schaltzyklus wird zusätzlich Ladung in dem Kondensator 4 gespeichert, so dass die Spannung V4 über dem Kondensator 4 allmählich ansteigt. Die erste Ein-Dauer Ton1 und die zweite Ein-Dauer Ton2 sind beispielsweise zwischen 10 Mikrosekunden (µs) und 70 Mikrosekunden, insbesondere zwischen 30 Mikrosekunden und 50 Mikrosekunden.
Ein Betrieb, in dem entweder der erste Schalter 211 für die ersten Ein-Dauer Ton1 oder der zweite Schalter 212 für die zweite Ein-Dauer Ton2 eingeschaltet wird, wird nachfolgend als Halbzyklus bezeichnet. Bezugnehmend auf die Gleichungen (1b) und (2b) steigt die Spannung V4 über dem Kondensator 4 in jedem Halbzyklus an. Ein Anstieg der Spannung V4 in jedem Halbzyklus ist annähernd:
wobei V4(k) die Spannung V4 über dem Kondensator am Ende eines Halbzyklus (des k-ten Halbzyklus) bezeichnet, V4(k – 1) die Spannung über dem Kondensator 4 am Ende des vorangehenden Halbzyklus (des (k – 1)-ten Halbzyklus) bezeichnet und C22 die Kapazität der einen der ersten und zweiten Kapazitäten 221, 222, die im k-ten Halbzyklus geladen wird, bezeichnet. Bezugnehmend auf Gleichung (3) nimmt der Anstieg der Spannung ∆V4 in jedem Halbzyklus ab, wenn die Spannung V4 über dem Kondensator 4 ansteigt.
4 veranschaulicht schematisch den Anstieg der Spannung V4 über der Zeit t. Bezugnehmend auf 3 nimmt die Kondensatorspannung V4 in jedem Halbzyklus schrittweise zu. 4 zeigt die Spannung V4 allerdings über eine Zeitdauer, die mehrere, wie beispielsweise einige hundert, einige tausend oder sogar einige zehntausend Schaltzyklen umfasst, so dass ein schrittweiser Anstieg der Spannung V4 in dem in 3 gezeigten Diagramm nicht sichtbar ist. Während des Vorladeprozesses kann der Kondensator 4 auf eine Spannung aufgeladen werden, die im Wesentlichen der Eingangsspannung entspricht. Die Dauer des Vorladeprozesses (die Vorladezeit), das heißt, die Dauer bis die Kondensatorspannung 4 im Wesentlichen der Eingangsspannung V3 entspricht, ist abhängig von der Kapazität C4 des Kondensators, den Kapazitäten C221, C222 der ersten und zweiten Kondensatoren 221, 222, der Dauer der Ein-Dauern Ton1, Ton2 und einem Spannungspegel der Eingangsspannung. In einer elektronischen Schaltung mit einem Kondensator 4, der eine Kapazität C4 von einigen 100 Mikrofarad, wie beispielsweise zwischen 500 und 900 Mikrofarad besitzt, mit ersten und zweiten Kondensatoren 221, 222, die Kapazitäten von etwa 1 Mikrofarad besitzen, und in der Dauern der Ein-Dauern Ton1, Ton2 einige 10 Mikrosekunden, wie beispielsweise zwischen 30 und 50 Mikrosekunden sind, kann das Laden des Kondensators V4 im Wesentlichen auf die Eingangsspannung V3 beispielsweise zwischen 10 Mikrosekunden (µs) und einigen 100 Mikrosekunden betragen, wie beispielsweise zwischen 50 ms und 200 ms. Allgemein nimmt die Vorladezeit zu, wenn erste und zweite Kondensatoren 221, 222 mit kleineren Kapazitäten verwendet werden. Allerdings können in diesem Fall die Ein-Dauern Ton1, Ton2 kürzer gemacht werden, was wenigstens teilweise dazu beitragen kann, einen solchen Anstieg der Ladedauer entgegenzuwirken.
5 zeigt Zeitdiagramme der ersten und zweiten Steuersignale S211, S212 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel ist eine Totzeit Td1 nach der ersten Ein-Dauer Ton1 und vor der zweiten Ein-Dauer Ton2 vorhanden, und es ist eine zweite Totzeit Td2 nach der zweiten Ein-Dauer Ton2 und der ersten Ein-Dauer in dem nachfolgenden Schaltzyklus vorhanden. Während der ersten Totzeit Td1 und der zweiten Totzeit Td2 sind beide, der ersten Schalter 211 und der zweite Schalter 212 ausgeschaltet. Das Vorsehen der Totzeiten Td1, Td2 hilft sicher zu stellen, dass es im Vorladebetrieb keine Zeitdauer gibt, in der beide Schalter 211, 212 leitend sind, um hohe Anlaufströme zu vermeiden. Die Totzeiten Td1, Td2 sind beispielsweise länger als einige 10 Nanosekunden, um sicher zu verhindern, dass beide Schalter 211, 212 zum selben Zeitpunkt leiten.
Bezugnehmend auf 2 kann die elektronische Schaltung eine Induktivität 51 aufweisen, die in Reihe zu dem Kondensator 4 gekoppelt ist. Die Induktivität 51 kann ein diskretes elektronisches Bauelement sein oder kann durch Leitungsinduktivitäten von Verbindungsleitungen, die die einzelnen elektronischen Bauelemente der elektronischen Schaltung miteinander verbinden, insbesondere solche Verbindungsleitungen, die den Kondensator 4 und die Last Z an die Schalt-Schaltung 2 anschließen, sein. Wenn im Vorladeprozess ein Strom von der Leistungsquelle 3 durch einen der ersten und zweiten Schalter 211, 212 zu dem Kondensator 4 fließt, wird Energie magnetisch in der Induktivität 1 gespeichert. Nachdem der eine der ersten und zweiten Schalter 211, 212 ausgeschaltet wurde, ermöglicht ein Freilaufelement 52, dass ein Strom weiter durch die Induktivität 51 fließt, um dadurch die in der Induktivität 51 gespeicherte Energie auf den Kondensator 4 zu übertragen. Ein Strom kann auch durch das Freilaufelement 52 fließen, wenn der eine der ersten und zweiten Schalter 211, 212 ein ist, jedoch das kapazitive Element (222 oder 221), das in Reihe zu dem Kondensator 4 gekoppelt ist, vollständig geladen wurde, das heißt, wenn eine Spannung über der Reihenschaltung mit dem Kondensator 4 und dem kapazitiven Element (222 oder 221) auf die Eingangsspannung angestiegen ist. Zu diesem Zeitpunkt treibt die Induktivität 51 den Kondensatorstrom I4 durch den Kondensator 4 und das Freilaufelement 52. Das Freilaufelement 52 ist parallel zu einer Reihenschaltung, die den Kondensator 4 und die Induktivität 51 enthält, geschaltet.
Bezugnehmend auf die vorangehende Erläuterung können die Ein-Dauern Ton1, Ton2 während des Vorladeprozesses im Wesentlichen konstant sein. Bezugnehmend auf Gleichung (3) und die in 4 gezeigte Kurve nimmt die Ladungsmenge, die in einem Schaltzyklus oder einem Halbzyklus in dem Kondensator 4 gespeichert wird, ab, wenn die Spannung über dem Kondensator 4 zunimmt. Damit nimmt die Zeitdauer, in der ein Strom in dem Kondensator fließt, ab, wenn die Kondensatorspannung V4 zunimmt. Gemäß einem Beispiel sind Zeitdauern der ersten und zweiten Ein-Dauern Ton1, Ton2 so eingestellt, dass sie abnehmen, wenn die Kondensatorspannung V4 zunimmt.
Gemäß einem weiteren Beispiel wird ein Strom I4 in dem Kondensator 4 detektiert, nachdem einer der ersten und zweiten Schalter 211, 212 am Beginn einer Ein-Dauer Ton1 bzw. Ton2 ausgeschaltet wurde und die zugehörige Ein-Dauer endet (das heißt, der eine der ersten und zweiten Schalter 211, 212 ist ausgeschaltet), wenn dieser Strom auf Null abgesunken ist. Alternativ wird eine Spannung über einem der ersten und zweiten Schalter 211, 212 detektiert und die zugehörige Ein-Dauer endet, wenn diese Spannung anzeigt, dass ein Strom durch diesen Schalter zu Null geworden ist.
Gemäß noch einem weiteren Beispiel wird ein Strom I52 durch das Freilaufelement 52 detektiert. Diese Detektion kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Gemäß einem Beispiel wird der eine der ersten und zweiten Schalter 211, 212, der in einem Halbzyklus ein ist, ausgeschaltet, wenn das Freilaufelement 52 beginnt, einen Strom zu leiten. In diesem Beispiel, bei dem der Strom I52 durch das Freilaufelement 52 dazu dient, das Ende einer Ein-Dauer zu definieren, kann der Strom durch das Freilaufelement 52 weiterhin dazu verwendet werden, die Totzeit einzustellen. Die Totzeit kann enden, und der andere der ersten und zweiten Schalter 211, 212 kann eingeschaltet werden, wenn der Strom I52 durch das Freilaufelement 52 auf Null abgesunken ist. Gemäß einem weiteren Beispiel endet eine Ein-Dauer jedes Mal dann, wenn der Strom I52 durch das Freilaufelement auf Null abgesunken ist.
In der in 2 gezeigten elektronischen Schaltung gibt es einen Anlaufstrom zu Beginn jedes Halbzyklus. Allerdings ist aufgrund der Tatsache, dass jedes der ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 wesentlich kleiner ist als die Kapazität des Kondensators 4, dieser Anlaufstrom wesentlich kleiner als ein Anlaufstrom, der auftreten würde, wenn der Kondensator 4 direkt an die ersten und zweiten Eingangsknoten 241, 242 gekoppelt wäre. Gemäß einem Beispiel ist die Kapazität C4 des Kondensators 4 hundertmal, tausendmal oder sogar zehntausendmal höher als die Kapazität jedes der ersten und zweiten kapazitiven Elemente 211, 212.
Gemäß einem Beispiel ist die Steuerschaltung 20 dazu ausgebildet, einen Spannungspegel der Spannung V4 über dem Kondensator 4 zu detektieren und die Schalt-Schaltung 2 in einer normalen Betriebsart zu betreiben, wenn dieser Spannungspegel einen vordefinierten Schwellenpegel V4TH erreicht hat. In der normalen Betriebsart werden der erste Schalter 211 und der zweite Schalter 212 eingeschaltet, um den Kondensator 4 und die Last Z direkt an die Leistungsquelle 3 zu koppeln. Gemäß einem Beispiel ist der Schwellenpegel V4TH höher als 80 %, höher als 90 % oder sogar höher als 95 % des Spannungspegels der Versorgungsspannung V3.
Bezug nehmend auf 2 kann die Steuerschaltung 20 ein Spannungsmesssignal SV4 erhalten, das den Spannungspegel der Kondensatorspannung V4 repräsentiert, um den Spannungspegel der Kondensatorspannung V4 zu detektieren. Das Spannungsmesssignal SV4 kann durch Messen der Kondensatorspannung V4 unter Verwendung einer Spannungsmessschaltung erhalten werden. Diese Spannungsmessschaltung kann in herkömmlicher Weise realisiert sein und ist in 2 nicht dargestellt.
Die 6 und 7 zeigen Zustandsdiagramme, die Betriebsarten der zuvor erläuterten Schalt-Schaltung 2 veranschaulichen. Die einzelnen Betriebszustände, die in den 6 und 7 dargestellt sind, sind durch die Steuerschaltung 20 gesteuert. Diese Steuerschaltung kann eine programmierbare Signalverarbeitungsschaltung, wie beispielsweise einen Microcontroller, aufweisen.
Bezug nehmend auf 6 kann die Schalt-Schaltung 2 einen Aus-Zustand 110 annehmen, in dem der erste Schalter 211 und der zweite Schalter 212 ausgeschaltet sind. Beim Auftreten einer Startbedingung geht die Schalt-Schaltung 2 in einen Vorladezustand (Vorladebetrieb) 120 über, in dem der Kondensator 4 vorgeladen wird. Gemäß einem Beispiel erhält die Steuerschaltung 20 ein externes Steuersignal SON/OFF (vergleiche 2), das anzeigt, ob es gewünscht ist, die Leistungsquelle an den Kondensator 4 anzuschließen, oder nicht. Gemäß einem Beispiel ist die Startbedingung erfüllt, wenn ein Signalpegel dieses Signals SON/OFF anzeigt, dass es gewünscht ist, den Kondensator 4 an die Leistungsquelle 3 zu koppeln.
Im Vorladebetrieb wechselt die Schalt-Schaltung 2 abwechselnd zwischen einem ersten Ein-Zustand 121, in dem der erste Schalter 211 eingeschaltet ist und der zweite Schalter 212 ausgeschaltet ist, und einen zweiten Ein-Zustand 122, in dem der zweite Schalter 212 eingeschaltet ist und der erste Schalter 211 ausgeschaltet ist. Gemäß einem Beispiel (in 6 gezeigt) ist die Schalt-Schaltung 2 für die Ein-Dauer Ton1 im ersten Ein-Zustand und wechselt dann in den zweiten Ein-Zustand 122, und ist für die zweite Ein-Dauer Ton2 im zweiten Ein-Zustand 122 und wechselt dann zurück zu dem ersten Ein-Zustand 121.
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 7 dargestellt ist, wechselt die Schalt-Schaltung 2 vom ersten Ein-Zustand 121 nach der ersten Ein-Dauer Ton1 zu einem ersten Totzeitzustand 123, in dem beide Schalter 211, 212 aus sind, wechselt von dem ersten Totzeitzustand 123 nach der ersten Verzögerungszeit Td1 zu dem zweiten Ein-Zustand 122. Vom zweiten Ein-Zustand 122 wechselt die Schalt-Schaltung 2 nach der ersten Ein-Dauer Ton2 zu einem zweiten Totzeitzustand 124, und vom zweiten Totzeitzustand 124 wechselt die Schalt-Schaltung 2 nach der zweiten Verzögerungszeit Td2 zu dem ersten Ein- Zustand 121.
Bezug nehmend auf die 6 und 7 wechselt die Schalt-Schaltung 2 vom Vorladezustand 120 zu einem Normalbetriebszustand (normale Betriebsart) 130, wenn die Spannung V4 über dem Kondensator 4 den Schwellenpegel V4TH erreicht hat. In der normalen Betriebsart 130 sind der erste Schalter 211 und der zweite Schalter 212 eingeschaltet.
Wenn der Kondensator 4 bereits vorgeladen wurde, bevor die Schalt-Schaltung 2 vom Aus-Zustand 110 in den Vorladezustand 120 wechselt, kann die Schalt-Schaltung 20 sofort zum Normalzustand 130 wechseln, ohne vorher einen Schaltzyklus zu durchlaufen.
Vom Normalzustand 130 kann die Schalt-Schaltung 2 zum Aus-Zustand zurückkehren, wenn eine Fehlerbedingung auftritt oder wenn das Steuersignal S_ON/OFF anzeigt, dass es gewünscht ist, den Kondensator 4 und die Last von der Leistungsquelle 3 zu trennen.
Gemäß einem Beispiel, das in den 6 und 7 in gestrichelten Linien dargestellt ist, wechselt die Schalt-Schaltung 2 vom Vorladebetrieb 120 zurück zum Aus-Betrieb, wenn der Kondensator innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer TLIM nicht bis auf den Schwellenpegel V4TH geladen wurde.
Die ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 können als herkömmliche Kondensatoren ausgebildet sein, die eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode und ein Kondensatordielektrikum zwischen den ersten und zweiten Kondensatorelektroden aufweisen. Jeder der ersten und zweiten Schalter 211, 212 kann als elektronischer Schalter ausgebildet sein, insbesondere als elektronischer Schalter, der ein selbstsperrendes Verhalten besitzt, wie beispielsweise in selbstsperrender Transistor oder eine Transistorschaltung, die ein selbstsperrendes Verhalten besitzt. Eine Transistorschaltung, die ein selbstsperrendes Verhalten besitzt, ist beispielsweise eine Kaskadenschaltung mit einem selbstleitenden Transistor, wie beispielsweise einem JFET (Junction Field-Effect Transistor) und einem selbstsperrenden Transistor, wie beispielsweise einem Anreicherungs-MOSFET (Metal Oxide Field-Effect Transistor), der den selbstleitenden Transistor steuert. Die Transistoren können unter Verwendung eines herkömmlichen Halbleitermaterials realisiert sein, wie beispielsweise Silicium (Si), Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs).
Gemäß einem Beispiel, das in 8 dargestellt ist, umfassen die ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 einen Sperrschichtkondensator. Dieser Sperrschichtkondensator ist bei dem in 8 dargestellten Beispiel als Bipolardiode realisiert. Ein Sperrschichtkondensator ist ein Kondensator, der einen pn-Übergang aufweist und der dazu ausgebildet ist, eine elektrische Ladung (in einem Verarmungsgebiet oder einem Raumladungsgebiet) zu speichern, wenn der pn-Übergang rückwärts gepolt ist.
9 veranschaulicht schematisch eine vertikale Schnittansicht eines Sperrschichtkondensators (Bipolardiode). In 9 repräsentiert das Bezugszeichen 22 eines der ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222. Bezug nehmend auf 9 umfasst der Sperrschichtkondensator ein p-dotiertes erstes Emittergebiet 221 und ein n-dotiertes zweites Emittergebiet 223 und ein ndotiertes oder p-dotiertes Basisgebiet 222 zwischen den ersten und zweiten Emittergebieten 221, 223. Die Dotierungskonzentration des Basisgebiets 222 ist niedriger als die Dotierungskonzentrationen der ersten und zweiten Emittergebiete 221, 223. Bei dem in 9 dargestellten Beispiel ist das Basisgebiet 222 ein n-dotiertes Gebiet. In diesem Sperrschichtkondensator ist zwischen dem ersten Emittergebiet 221 und dem Basisgebiet 222 ein pn-Übergang gebildet. Wenn eine Spannung zwischen die ersten und zweiten Emittergebiete 221, 223 angelegt wird, die den pn-Übergang rückwärts polt, breitet sich ein Raumladungsgebiet (Verarmungsgebiet) hauptsächlich in dem niedriger dotierten Basisgebiet 222 aus. Die Ausbreitung der Raumladungszone ist verbunden mit einer Ionisierung von Dotieratomen in dem Basisgebiet 222 und dem ersten Emittergebiet 221. Diese Ionisiation von Dotieratomen ist äquivalent zum Speichern elektrischer Ladung in dem Sperrschichtkondensator (Bipolardiode). Bezug nehmend auf 8 sind die Sperrschichtkondensatoren (Bipolardioden) 221, 222 so in Reihe zu dem Kondensator 4 geschaltet, dass die Versorgungsspannung V3 den ersten Sperrschichtkondensator 221 rückwärts polt, wenn der zweite Schalter 212 eingeschaltet ist, und so, dass die Versorgungsspannung V3 den zweiten Sperrschichtkondensator 222 rückwärts polt, wenn der erste Schalter 211 eingeschaltet ist. Bei diesem Beispiel ist eine Kathode der Bipolardiode, die den ersten Sperrschichtkondensator 221 bildet, an den ersten Eingangsknoten 241 angeschlossen und eine Anode der Bipolardiode, die den zweiten Sperrschichtkondensator 222 bildet, ist an dem zweiten Eingangsknoten 242 angeschlossen.
Jeder der ersten und zweiten Schalter 211, 212 und der zugehörigen ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 können als separate diskrete elektronische Bauelemente realisiert sein. Es ist sogar möglich, einen Schalter und das zugehörige kapazitive Element unter Verwendung unterschiedlicher Technologien zu realisieren. Der Schalter kann beispielsweise unter Verwendung einer Siliciumcarbid-Technologie realisiert werden, während das kapazitive Element unter Verwendung einer Silizium-Technologie realisiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Beispiel sind ein Schalter und das zugehörige kapazitive Element in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert und sind Teil eines Halbleiterbauelements. Gemäß einem Beispiel ist der Schalter als MOSFET realisiert und das zugehörige kapazitive Element ist ein Sperrschichtkondensator, der durch eine Bodydiode des MOSFET gebildet ist. Dies ist nachfolgend anhand von 11 weiter im Detail erläutert.
10 zeigt das Schaltbild einer Schalt-Schaltung, in der die ersten und zweiten Schalter 211, 212 und die zugehörigen kapazitiven Elemente 221, 222 jeweils als ein MOSFET realisiert sind. In dem vorliegenden Beispiel ist der MOSFET ein n-leitender Anreicherungs-MOSFET. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Anstelle eines n-leitenden MOSFET kann ebenso ein p-leitender MOSFET verwendet werden. Es ist sogar möglich, einen der MOSFETs als n-leitenden MOSFET und den anderen der MOSFETs als p-leitenden MOSFET zu realisieren.
Obwohl 10 nur einen MOSFET zeigt, der dazu verwendet ist, einen der ersten und zweiten Schalter 211, 212 zu realisieren, ist es auch möglich, mehrere MOSFETs parallel zu schalten, um einen der ersten und zweiten Schalter 211, 212 zu realisieren. Das Parallelschalten mehrerer MOSFETs reduziert den Einschaltwiderstand des Schalters, der durch diese mehreren MOSFETs realisiert ist. Gemäß einem Beispiel ist einer der ersten und zweiten Schalter 211, 212 durch drei oder mehr parallel geschaltete MOSFETs realisiert.
Eine Sperrspannungsfestigkeit jedes MOSFET, der einen der ersten und zweiten Schalter 211, 212 bildet oder der einen Teil eines der ersten und zweiten Schalter 211, 212 bildet, ist höher als die maximale Versorgungsspannung V3. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die maximale Versorgungsspannung V3 etwa 400 V und die Sperrspannungsfestigkeit jedes MOSFET ist etwa 600 V.
Abhängig von der Art der Last Z, die an den Kondensator 4 angeschlossen ist, kann es Betriebsszenarien geben, in denen ein Spannungspegel der Kondensatorspannung V4 über den Spannungspegel der Versorgungsspannung V3 ansteigt. Es kann beispielsweise Betriebsszenarien geben, in denen ein Elektromotor als Generator betrieben wird, der Energie an den Kondensator 4 liefert. Diese Energie kann dazu verwendet werden, die Leistungsquelle 3 wieder aufzuladen. Eine Schalt-Schaltung 2, die mit Sperrschichtkondensatoren realisiert ist, wie in den 8 und 10 dargestellt, würde immer einen Stromfluss von dem Kondensator 4 zu der Leistungsquelle 3 ermöglichen, wenn die Kondensatorspannung V4 über die Batteriespannung V3 ansteigt. Allerdings kann es Szenarien geben, in denen ein Laden der Batterie über die Last Z nicht erwünscht ist, beispielsweise wenn die Leistungsquelle bereits vollständig geladen wurde. Daher enthält die Schalt-Schaltung 2 optional einen dritten Schalter 213, der dazu dient, einen leitenden Pfad zwischen der Leistungsquelle 3 und dem Kondensator 4 zu unterbrechen. Bezug nehmend auf 10 kann dieser dritte Schalter 213 als weiterer MOSFET realisiert werden, dessen Bodydiode antiseriell zu den Bodydioden der MOSFETs geschaltet ist, die den ersten und zweiten Schalter 211, 212 bilden.
11 veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht eines Halbleiterkörpers 100, in dem einer der ersten und zweiten Schalter 211, 212 integriert ist. Der Schalter 21 (wobei der Schalter 21 einen der ersten und zweiten Schalter 211, 212 repräsentiert) ist als MOSFET ausgebildet und umfasst ein Driftgebiet 11, ein Sourcegebiet 12, ein Bodygebiet 13 zwischen dem Driftgebiet 11 und dem Sourcegebiet 12 und ein Draingebiet 17. Das Driftgebiet 11 ist zwischen dem Bodygebiet 13 und dem Draingebiet 17 angeordnet. Der MOSFET umfasst außerdem eine Gateelektrode 14 ....? ein Bodygebiet 13 und durch ein Gatedielektrikum 15 dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet 13 isoliert. Das Draingebiet 14 ist an einen Drainanschluss D gekoppelt, das Sourcegebiet 12 und das Bodygebiet 13 sind an einen Sourceanschluss S gekoppelt und die Gateelektrode 14 ist an einen Gateanschluss G gekoppelt. Bei dem in 11 dargestellten Beispiel ist eine Sourceelektrode 18 elektrisch an das Sourcegebiet 12 und das Bodygebiet 13 angeschlossen, wobei ein Kontaktgebiet 19 desselben Dotierungstyps wie das Bodygebiet 13, jedoch höher dotiert, die Sourceelektrode 18 an das Bodygebiet 13 anschließt. Die Sourceelektrode 18 ist an den Sourceanschluss S angeschlossen. Eine Verbindung zwischen der Gateelektrode 14 und dem Gateanschluss G ist in 11 schematisch dargestellt.
Bezug nehmend auf 11 kann der MOSFET mehrere Transistorzellen 10 aufweisen, wobei jede Transistorzelle 10 ein Sourcegebiet 12, ein Bodygebiet 13, eine Gateelektrode 14 und ein Gatedielektrikum 15 aufweist. Die einzelnen Transistorzellen können das Driftgebiet 11 in das Draingebiet 17 gemeinsam haben. Die einzelnen Transistorzellen 10 sind parallel geschaltet, indem das Sourcegebiet 12 und das Bodygebiet 13 an den Sourceanschluss S angeschlossen ist und indem die Gateelektroden 14 an den Gateanschluss G gekoppelt sind.
Der MOSFET kann als n-leitender MOSFET oder als p-leitender MOSFET ausgebildet sein. In einem n-leitenden MOSFET sind das Sourcegebiet 12, das Driftgebiet 11 und das Draingebiet 17 n-dotiert, während das Bodygebiet 13 p-dotiert ist. In einem p-leitenden MOSFET sind das Sourcegebiet 13, das Driftgebiet 11 und das Draingebiet 17 p-dotiert, während das Bodygebiet 13 n-dotiert ist. Die MOSFETs können durch Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotenzials an den Gateanschluss G ein- und ausgeschaltet werden. Im Ein-Zustand des MOSFET erzeugt die Gateelektrode 14 einen leitenden Kanal (einen Inversionskanal) entlang des Gatedielektrikums 15 zwischen dem Sourcegebiet 12 und dem Driftgebiet 11. Der MOSFET umfasst außerdem eine Bodydiode. Diese Bodydiode 13 wird durch das Bodygebiet 13, das Driftgebiet 11 und das Draingebiet 17 gebildet, wobei ein pn-Übergang dieser Bodydiode zwischen dem Bodygebiet 13 und dem Driftgebiet 11 gebildet ist. Wenn der MOSFET in einem Ein-Zustand ist, überbrückt der leitende Kanal entlang des Gatedielektrikums 15 den pn-Übergang, so dass die Bodydiode in diesem Betriebszustand nicht aktiv ist. Wenn der MOSFET allerdings ausgeschaltet wird, so dass kein leitender Kanal entlang des Gatedielektrikums 14 zwischen dem Sourcegebiet 12 und dem Driftgebiet 11 vorhanden ist, kann die Bodydiode rückwärts gepolt werden und dadurch als Sperrschichtkondensator wirken. In einem n-leitenden MOSFET ist die Bodydiode rückwärts gepolt, wenn eine positive Spannung zwischen dem Drainanschluss D und dem Sourceanschluss S angelegt wird, und in einem p-leitenden MOSFET ist die Bodydiode rückwärts gepolt, wenn eine positive Spannung zwischen dem Sourceanschluss S und dem Drainanschluss D angelegt wird.
Optional umfasst der MOSFET (jede Transistorzelle 10 des MOSFET) ein Kompensationsgebiet 16, das von einem Dotierungstyp komplementär zu dem Typ des Driftgebiets 11 ist und das sich in dem Driftgebiet 11 in Richtung des Draingebiets 17 erstreckt. Gemäß einem Beispiel ist jedes Kompensationsgebiet 16 an ein Bodygebiet 13 gekoppelt. Die Kompensationsgebiete 16 helfen in herkömmlicher Weise, die Sperrspannungsfestigkeit des MOSFET bei einem gegebenen Einschaltwiderstand des MOSFET zu erhöhen. Die Kompensationsgebiete 16 führen außerdem zu einem großen pn-Übergang zwischen dem Driftgebiet 11 und dem Bodygebiet 13, so dass die Bodydiode eines MOSFET mit Kompensationsgebieten 16 (der als Superjunction-MOSFET bezeichnet wird) in der Lage ist, eine größere Menge elektrischer Ladung zu speichern wie ein MOSFET ohne Kompensationsgebiete. Gemäß einem Beispiel entspricht eine gesamte Dotierstoffladung in den Kompensationsgebieten im Wesentlichen einer gesamten Dotierstoffladung in dem Driftgebiet 11.
Die Kapazität eines Sperrschichtkondensators, wie beispielsweise einer in 8 gezeigten Bipolardiode oder einer in 10 gezeigten Bodydiode eines MOSFET, ist abhängig von einer Spannung, die den pn-Übergang des Sperrschichtkondensators rückwärts polt, wobei die Kapazität abnimmt, wenn die rückwärts polende Spannung zunimmt. 12 veranschaulicht schematisch in einem logarithmischen Maßstab die Kapazität eines Sperrschichtkondensators abhängig von einer Spannung VC, die einen pn-Übergang des Sperrschichtkondensators rückwärts polt. Bezug nehmend auf 12 ist die Kapazität bei einer niedrigen Spannung VC relativ hoch und nimmt ab, wenn die Spannung V zunimmt. In anderen Worten, die Kapazität C nimmt ab, wenn sich das Verarmungsgebiet weiter in dem Sperrschichtkondensator ausbreitet.
Bei der zuvor erläuterten elektronischen Schaltung ist der Verwendung eines Sperrschichtkondensators bezüglich Betriebsverlusten während des Vorladebetriebs vorteilhaft. Dies ist nachfolgend erläutert. Während der Kondensator 4 im Vorladebetrieb allmählich geladen wird, werden die ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 in jedem Schaltzyklus entladen. Die zum Laden der ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 benötigte Energie ist abhängig von dem Strom, der in die zugehörigen kapazitiven Elemente 221, 222 fließt, und ist abhängig von der Spannung über dem kapazitiven Elementen 221, 222. Bei einem kapazitiven Element, das eine hohe Kapazität bei einer niedrigen Spannung besitzt, kann ein relativ hoher Strom fließen, wenn die Spannung gering ist, während der Strom abnehmen kann, wenn die Spannung zunimmt. Damit kann eine relativ große Menge elektrischer Ladung in dem zugehörigen kapazitiven Element 221, 222 (eine entsprechende Menge elektrischer Ladung wird in dem Kondensator 4 gespeichert), gespeichert werden, wozu eine relativ geringe Energiemenge benötigt wird. Die maximale Kapazität eines Superjunction-MOSFET mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 600 V und einem Einschaltwiderstand von 19 Milliohm (mΩ) ist beispielsweise zwischen 100 und einigen 100 Nanofarad (nF).
13 veranschaulicht schematisch die Spannung V221 über einem der ersten und zweiten kapazitiven Elemente (das zweite kapazitive Element 222 in diesem Beispiel) zu Beginn eines Halbzyklus in einer Schalt-Schaltung 2, in der erste und zweite kapazitive Elemente 221, 222, die als Sperrschichtkondensatoren mit einer nicht-linearen Kapazität realisiert sind, verwendet werden. 13 zeigt außerdem das Steuersignal S221 des Schalters (des ersten Schalters 221 in diesem Beispiel), der in diesem Halbzyklus eingeschaltet ist.
Bezug nehmend auf 13 steigt der Kondensatorstrom I4 zu Beginn des Halbzyklus im Wesentlichen linear an. Dieser im Wesentlichen lineare Anstieg des Kondensatorstroms I4 ist durch die (parasitäre) Induktivität 51 verursacht. Obwohl der Strom I4 im Wesentlichen linear ansteigt, steigt die Spannung V222 nicht linear an, sondern steigt zu Beginn langsam an und steigt dann rasch an. Dies ist aufgrund der nicht-linearen Kapazität des kapazitiven Elements 222. Wenn die Spannung V222 über dem kapazitiven Element 222 einen maximalen Pegel erreicht, wird der Strom durch den ersten Schalter 211 Null und der Kondensatorstrom I4 entspricht einem Strom durch die Induktivität 51 und das Freilaufelement 52. Der maximale Pegel der Spannung V222 entspricht im Wesentlichen der Eingangsspannung V3 (wenn eine Durchlassspannung über dem Freilaufelement vernachlässigt wird). In dieser Freilaufphase nimmt der Kondensatorstrom I4 zu und ein Betrag einer Spannung V51 über der Induktivität 51 entspricht im Wesentlichen der Kondensatorspannung V4, wobei diese Spannung entgegengesetzte Vorzeichen besitzen, so dass V51 = –V4. Der Kondensatorstrom I4 nimmt auf Null ab, wenn die Induktivität 51 entmagnetisiert wurde. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung V51 über der Induktivität 51 Null, das Freilaufelement 52 wird rückwärts gepolt und die Spannung V222 über dem kapazitiven Element 222 nimmt auf V3–V4 ab. Schwingungen der Spannung V222 können auftreten, wenn der Spannungspegel auf V3–V4 absinkt. Allerdings sind solche Oszillationen, die aus parasitären Induktivitäten und Kapazitäten resultieren können, in 13 nicht dargestellt.
Bezug nehmend auf die vorangehende Erläuterung kann die Ein-Dauer Ton1 zu dem Zeitpunkt enden, zu dem der Kondensatorstrom I4 beginnt durch das Freilaufelement zu fließen, das ist, wenn die Spannung V222 den maximalen Pegel erreicht. Alternativ kann die Ein-Dauer Ton1 enden, wenn der Strom durch das Freilaufelement auf Null abgesunken ist. Es ist allerdings auch möglich, die Ein-Dauer Ton1 so einzustellen, dass sie eine feste Zeitdauer oder eine Zeitdauer, die zunimmt, wenn die Kondensatorspannung V4 zunimmt, besitzt.
14 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der elektronischen Schaltung. Bei diesem Beispiel sind die ersten und zweiten Schalter in Reihe zwischen einen der Eingangsknoten, wie beispielsweise den ersten Eingangsknoten 241, und einen der Ausgangsknoten, wie beispielsweise den ersten Ausgangsknoten 251, der Schalt-Schaltung geschaltet. Wie bei den zuvor erläuterten Beispielen unterstützen die ersten und zweiten Schalter 211, 212 ein Laden des Kondensators 4 im Vorladebetrieb und tragen außerdem zu einem hohen Maß an Sicherheit der Schalt-Schaltung 2 bei. Jeder dieser Schalter 211, 212 besitzt eine Sperrspannungsfestigkeit, die wenigstens einen maximalen Spannungspegel der Eingangsspannung V3 entspricht. Wenn es also erwünscht ist, die Leistungsquelle 3 von dem Kondensator 4 und der Last Z zu trennen und wenn einer dieser Schalter 211, 212 ausfällt, ist der andere Schalter in der Lage, die Leistungsquelle 3 sich von dem Kondensator 4 und der Last Z zu trennen.
Die 15 und 16 veranschaulichen ein weiteres Beispiel der Schalt-Schaltung 2. Bei diesem Beispiel ist ein erstes Gleichrichterelement 521, wie beispielsweise eine Diode, in Reihe zu dem ersten kapazitiven Element 221 geschaltet, und eine Reihenschaltung mit dem ersten kapazitiven Element 221 und dem ersten Gleichrichterelement 521 ist parallel zu dem ersten Schalter 211 geschaltet. Außerdem ist ein zweites Gleichrichterelement 522, wie beispielsweise eine Diode, in Reihe zu dem zweiten kapazitiven Element 222 geschaltet, und eine Reihenschaltung mit dem zweiten kapazitiven Element 222 und dem zweiten Gleichrichterelement 522 ist parallel zu dem zweiten Schalter 212 geschaltet. Der erste und zweite Schalter 211, 212, die ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 und die ersten und zweiten Gleichrichterelemente 521, 522 sind so verschaltet, dass das zweite kapazitive Element 222 durch das zweite Gleichrichterelement 522 in einem Halbzyklus geladen werden kann, in dem der zweite Schalter 212 aus ist und der erste Schalter 211 ein ist, und in einem nachfolgenden Halbzyklus, in dem der zweite Schalter 212 ein ist und der erste Schalter 211 aus ist, entladen werden kann. Außerdem sind der erste und zweite Schalter 211, 212, die ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 und die ersten und zweiten Gleichrichterelemente 521, 522 so verschaltet, dass das erste kapazitive Element 221 durch das erste Gleichrichterelement 521 in einem Halbzyklus geladen werden kann, in dem der erste Schalter 211 aus ist und der zweite Schalter 212 ein ist, und in einem nachfolgenden Halbzyklus, in dem der erste Schalter 211 ein ist und der zweite Schalter 212 aus ist durch das zweite Gleichrichterelement 522 entladen werden kann. Hierzu ist bei dem in 15 gezeigten Beispiel das erste kapazitive Element 221 über das zweite Gleichrichterelement 522 an einen der Ausgangsknoten, wie beispielsweise den zweiten Ausgangsknoten 252, gekoppelt, und das zweite kapazitive Element 222 ist über das erste Gleichrichterelement 521 an den anderen der Ausgangsknoten, wie beispielsweise den ersten Ausgangsknoten 251, gekoppelt. Außerdem ist eine Reihenschaltung mit den ersten und zweiten kapazitiven Elementen 221, 222 zwischen die Eingangsknoten 241, 242 gekoppelt, und eine Reihenschaltung mit den ersten und zweiten Gleichrichterelementen 521, 522 ist parallel zu einer Reihenschaltung mit der Induktivität 51 und dem Kondensator 4 geschaltet. Damit funktioniert die Reihenschaltung mit den ersten und zweiten Gleichrichterelementen 521, 522 wie ein Freilaufelement (Freilaufschaltung), die den durch die Induktivität 51 getriebenen Kondensatorstrom I4 übernimmt, wenn eines der ersten und zweiten kapazitiven Elemente auf die Versorgungsspannung V3 aufgeladen wurde.
Die ersten und zweiten kapazitiven Elemente können als Kondensatoren mit einem Kondensatordielektrikum realisiert werden (vergleiche 15). Allerdings ist es Bezug nehmend auf 16 auch möglich, diese Kondensatoren als Sperrschichtkondensatoren zu realisieren. Der erste und zweite Schalter 211, 212 kann gemäß einem der zuvor erläuterten Beispiele realisiert werden. Gemäß einem Beispiel umfasst wenigstens einer der ersten und zweiten Schalter 211, 212 einen MOSFET, wie beispielsweise einen Superjunction-MOSFET. Allerdings ist keines der in 15 gezeigten ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 eine Bodydiode dieses MOSFET. Diese Bodydiode (in 15 nicht dargestellt) ist parallel zu einer der Reihenschaltungen mit einem der ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 und einem der ersten und zweiten Gleichrichterelemente 521, 522 gekoppelt.
Eine Betriebsart der in den 15 und 16 gezeigten elektronischen Schaltungen in Vorladebetrieb ist nachfolgend erläutert. In einem ersten Halbzyklus, in dem der erste Schalter 211 eingeschaltet ist und der zweite Schalter 212 ausgeschaltet ist, ist eine Reihenschaltung mit dem ersten Schalter 211, dem Kondensator 4, dem zweiten Gleichrichterelement 522 und dem zweiten kapazitiven Element 222 zwischen die Eingangsknoten 241, 242 geschaltet, so dass ein Strom von der Leistungsquelle 1 durch den ersten Schalter 211, den Kondensator 4, das zweite Gleichrichterelement 522 und das zweite kapazitive Element 222 fließt. Auf diese Weise bilden der Kondensator 4 und das zweite kapazitive Element 221 einen kapazitiven Spannungsteiler und werden in der gleichen Weise, wie sie anhand von 2 erläutert wurde, geladen. In diesem ersten Halbzyklus wird das erste kapazitive Element entladen (zu Beginn der Vorladephase werden die ersten und zweite kapazitiven Elemente 221, 222 durch die Leistungsquelle 3 geladen, wobei V221 im Wesentlichen V222 entspricht, wenn die Kapazitäten dieser kapazitiven Elemente 221, 222 im Wesentlichen gleich sind), da das zweite kapazitive Element 222 geladen wird, so dass eine Spannung V221 + V222 über der Reihenschaltung mit den ersten und zweiten kapazitiven Elementen 221, 222 der Versorgungsspannung V3 entspricht.
In einem nachfolgenden zweiten Halbzyklus, in dem der zweite Schalter 212 eingeschaltet ist und der erste Schalter 211 ausgeschaltet ist, ist eine Reihenschaltung mit dem zweiten Schalter 212, dem Kondensator 4, dem ersten Gleichrichterelement 521 und dem ersten kapazitiven Element 221 zwischen die Eingangsknoten 241, 242 gekoppelt, so dass ein Strom von der Leistungsquelle 3 durch das erste kapazitive Element 221, das erste Gleichrichterelement 521, den Kondensator 4 und den zweiten Schalter 212 fließt. Auf diese Weise bilden der Kondensator 4 und das erste kapazitive Element 221 einen kapazitiven Spannungsteiler und werden in der gleichen Weise, wie anhand zuvor von 2 erläutert, geladen. In diesem zweiten Halbzyklus wird das zweite kapazitive Element 222 entladen, da das erste kapazitive Element 221 geladen wird, so dass eine Spannung V221 + V222 über der Reihenschaltung mit den ersten und zweiten kapazitiven Elementen 221, 222 der Versorgungsspannung V3 entspricht. In diesem Beispiel werden die ersten und zweiten kapazitiven Elemente 221, 222 in den Kondensator 4 (oder die Leistungsquelle 3) entladen, so dass diese Schalt-Schaltung bei niedrigen Verlusten betrieben werden kann.
Zusätzlich zu dem in den 15 und 16 gezeigten ersten und zweiten kapazitiven Elementen 221, 222 kann die Schalt-Schaltung ein drittes kapazitives Element 231, das direkt parallel zu dem ersten Schalter 211 gekoppelt ist (in der gleichen Weise wie das in 2 gezeigte erste kapazitive Element 221), und ein viertes kapazitives Element 232, das direkt parallel zu dem zweiten Schalter 212 gekoppelt ist (in der gleichen Weise wie das in 2 gezeigte zweite kapazitive Element 222), enthalten. Das vierte kapazitive Element 232 ist parallel zu dem zweiten kapazitiven Element 222 geschaltet, wenn der erste Schalter 211 ein ist und der zweite Schalter 212 aus ist, und das dritte kapazitive Element 231 ist parallel zu dem ersten kapazitiven Element 221 geschaltet, wenn der zweite Schalter 212 ein ist und der erste Schalter 211 aus ist. Die Funktion des dritten kapazitiven Elements 231 entspricht der Funktion des in 2 gezeigten ersten kapazitiven Elements und die Funktion des vierten kapazitiven Elements 232 entspricht der Funktion des in 2 gezeigten zweiten kapazitiven Elements.
Außer bei dem Beispiel, in dem die Schalter 211, 212 und die zugehörigen kapazitiven Elemente 221, 222 durch einen MOSFET mit einer Bodydiode gebildet sind, ist es auch möglich, jedem der ersten und zweiten Schalter 211, 212 als Relais zu realisieren.
Obwohl die Gleichrichterelemente 52, 521, 522 in den hierin erläuterten Ausführungsbeispielen als Bipolardioden dargestellt sind, können andere Arten von Gleichrichterelementen, wie beispielsweis Schottkydioden oder als Diode verschaltete Transistoren ebenso verwendet werden.
Selbstverständlich können Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.

Claims

Verfahren, das aufweist: abwechselndes Einschalten eines ersten Schalters, der in Reihe zu einem Kondensator geschaltet ist und parallel zu einem ersten kapazitiven Element geschaltet ist, und eines zweiten Schalters, der in Reihe zu dem Kondensator geschaltet ist und parallel zu einem zweiten kapazitiven Element geschaltet ist, wobei eine Reihenschaltung mit dem ersten Schalter, dem Kondensator und dem zweiten Schalter an Versorgungsknoten zum Erhalten einer Versorgungsspannung gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das abwechselnde Einschalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters das Einschalten nur eines von dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter zu einem Zeitpunkt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, bei dem das abwechselnde Einschalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Schaltzyklen aufweist, bei dem jeder der mehreren Schaltzyklen aufweist: das Einschalten des ersten Schalters für eine erste Ein-Dauer und, nach der ersten Ein-Dauer, das Einschalten des zweiten Schalters für eine zweite Ein-Dauer.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die erste Ein-Dauer und die zweite Ein-Dauer im Wesentlichen gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die erste Ein-Dauer und die zweite Ein-Dauer im Wesentlichen konstante Zeitdauern sind.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem jeder der mehreren Schaltzyklen weiterhin aufweist: eine erste Totzeit nach der ersten Ein-Dauer und vor der zweiten Ein-Dauer und eine zweite Totzeit nach der zweiten Ein-Dauer und vor der ersten Ein-Dauer eines nachfolgenden Schaltzyklus.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Detektieren eines Spannungspegels einer Spannung über dem Kondensator und Einschalten des ersten Schalters und des zweiten Schalters, wenn der Spannungspegel einen vordefinierten Pegel erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der vordefinierte Pegel höher als 80 % eines Spannungspegels der Versorgungsspannung ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Induktivität in Reihe zu dem Kondensator geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem wenigstens ein Gleichrichterelement parallel mit einer Reihenschaltung, die den Kondensator und die Induktivität aufweist, geschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eines von dem ersten kapazitiven Element und dem zweiten kapazitiven Element einen Sperrschichtkondensator aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem wenigstens einer von dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter einen MOSFET aufweist, wobei der Sperrschichtkondensator durch ein Bodygebiet und ein Driftgebiet des MOSFET gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein erstes Gleichrichterelement in Reihe zu dem ersten kapazitiven Element geschaltet ist und eine Reihenschaltung mit dem ersten Gleichrichterelement und dem ersten kapazitiven Element parallel zu dem ersten Schalter geschaltet ist und bei dem ein zweites Gleichrichterelement in Reihe zu dem zweiten kapazitiven Element geschaltet ist und eine Reihenschaltung mit dem zweiten Gleichrichterelement und dem zweiten kapazitiven Element parallel zu dem zweiten Schalter gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das erste kapazitive Element über das zweite Gleichrichterelement an den Kondensator gekoppelt ist und bei dem das zweite kapazitive Element über das erste Gleichrichterelement an den Kondensator gekoppelt ist.
Elektronische Schaltung, die aufweist: einen Eingang, der dazu ausgebildet ist, an eine Leistungsquelle gekoppelt zu werden, und einen Ausgang, der dazu ausgebildet ist, an einen Kondensator gekoppelt zu werden; einen ersten Schalter, der parallel zu einem ersten kapazitiven Element geschaltet ist und der zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet ist, einen zweiten Schalter, der parallel zu einem zweiten kapazitiven Element geschaltet ist und der zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet ist, und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den ersten Schalter und den zweiten Schalter abwechselnd einzuschalten.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 15, bei der die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, nur einen von dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter zu einem Zeitpunkt einzuschalten.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 15 oder 16, bei der die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, den ersten Schalter und den zweiten Schalter in mehreren zeitlich aufeinander folgenden Ansteuerzyklen anzusteuern und bei der die Steuerschaltung in jedem Schaltzyklus dazu ausgebildet ist, den ersten Schalter für eine erste Ein-Dauer einzuschalten und, nach der ersten Ein-Dauer, den zweiten Schalter für eine zweite Ein-Dauer einzuschalten.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 17, bei der die erste Ein-Dauer und die zweite Ein-Dauer im Wesentlichen gleich sind.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 17, bei der die erste Ein-Dauer und die zweite Ein-Dauer im Wesentlichen konstante Zeitdauern sind.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 17, bei der die Steuerschaltung in jedem Ansteuerzyklus weiterhin dazu ausgebildet ist, eine erste Totzeit nach der ersten Ein-Dauer und vor der zweiten Ein-Dauer und eine zweite Totzeit nach der zweiten Ein-Dauer und vor der ersten Ein-Dauer eines nachfolgenden Schaltzyklus zu erzeugen.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 15–20, bei der die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, einen Spannungspegel einer Spannung am Ausgang zu detektieren und den ersten Schalter und den zweiten Schalter einzuschalten, wenn der Spannungspegel einen vordefinierten Pegel erreicht hat.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 21, bei der der vordefinierte Pegel höher ist als 80 % eines Spannungspegels am Eingang.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 15–22, bei der wenigstens eines von dem ersten kapazitiven Element und dem zweiten kapazitiven Element einen Sperrschichtkondensator aufweist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 23, bei der wenigstens einer von dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter einen MOSFET aufweist, wobei der Sperrschichtkondensator durch ein Bodygebiet und ein Driftgebiet des MOSFET gebildet ist.
Schalt-Schaltung, die aufweist: Mittel zum abwechselnden Einschalten eines ersten Schalters, der in Reihe zu einem Kondensator geschaltet ist und parallel zu einem ersten kapazitiven Element geschaltet ist, und eines zweiten Schalters, der in Reihe zu dem Kondensator geschaltet ist und parallel zu einem zweiten kapazitiven Element geschaltet ist, wobei eine Reihenschaltung mit dem ersten Schalter, dem Kondensator und dem zweiten Schalter an Versorgungsknoten zum Erhalten einer Versorgungsspannung gekoppelt ist.