DE102015115037A1

DE102015115037A1 - Multizellen-Leistungswandlungsverfahren und Multizellen-Leistungswandler

Info

Publication number: DE102015115037A1
Application number: DE102015115037.9A
Authority: DE
Inventors: Johann Kolar; Matthias Kasper; Gerald Deboy
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2016-03-10
Also published as: JP2016059273A; CN105406704A; CN105406704B; US9762134B2; US20160072394A1

Abstract

Ein Verfahren umfasst das Wandeln von Leistung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen aufweist und das selektive Betreiben wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einem Leistungsreferenzsignal.

Description

Diese Beschreibung betrifft allgemein Leistungswandlungsverfahren und Leistungswandler.
Leistungswandlung ist ein wichtiges Thema bei vielen verschiedenen elektronischen Anwendungen. Ein wichtiger Aspekt bei fast jeder Art von Leistungswandlung ist es, die Leistung effizient zu wandeln, das heißt, Verluste, die im Zusammenhang mit der Leistungswandlung auftreten können, so gering wie möglich zu halten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren das Wandeln von Leistung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst und das selektive Betreiben wenigstens einer Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einem Pegel eines Leistungsreferenzsignals.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren, das Empfangen einer periodischen Spannung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst, und das selektive Betreiben wenigstens einer Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einer Änderung eines Spannungspegels des periodischen Signals derart, dass innerhalb einer Periode des periodischen Signals die Anzahl der aktiven Wandlerzellen sich ändert, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung sich ändert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Leistungswandlerschaltung wenigstens einen Leistungswandler, wobei der Leistungswandler mehrere Wandlerzellen aufweist, und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb abhängig von einem Pegel eines Leistungsreferenzsignals zu betreiben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Leistungswandlerschaltung einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen aufweist und der dazu ausgebildet ist, eine periodische Spannung zu erhalten, und einen Controller. Der Controller ist dazu ausgebildet, wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen selektiv in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb abhängig von einer Änderung der periodischen Spannung derart zu betreiben, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung die Anzahl der aktiven Wandlerzellen sich ändert, wenn sich der Spannungspegel der periodischen Spannung ändert.
Beispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zum Veranschaulichen bestimmter Prinzipien, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis dieser Prinzipien notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
1 veranschaulicht eine Leistungswandlerschaltung mit zwei Leistungswandlern.
2A–2C zeigen Zeitdiagramme, die einige unterschiedliche Arten von Leistungswandlungsverfahren veranschaulichen.
3A–3C zeigen Zeitdiagramme, die einige unterschiedliche Arten von Leistungswandlungsverfahren veranschaulichen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer ISOP-(Input Serial, Output Parallel)-Topologie.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer ISOS-(Input Serial, Output Serial)-Topologie.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer IPOS-(Input Parallel, Output Serial)-Topologie.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer IPOP-(Input Parallel, Output Parallel)-Topologie.
8 zeigt zwei Wandlerzellen einer Leistungswandlerschaltung, von denen eine eine isolierende Topologie und eine eine nicht-isolierende Topologie besitzt.
9 zeigt zwei Wandlerzellen einer Leistungswandlerschaltung, von denen eine eine isolierende Topologie und eine eine nicht-isolierende Topologie besitzt.
10 zeigt zwei Wandlerzellen einer Leistungswandlerschaltung, die beide eine nicht-isolierende Topologie besitzen.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellen-Leistungswandlers mit einer IS-(Input Serial)-Topologie.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in dem in 12 dargestellten Multizellen-Leistungswandler.
14 zeigt ein Ausführungsbeispiel des in 13 dargestellten Controllers weiter im Detail.
15 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Eingangsspannung des in 12 dargestellten Multizellen-Leistungswandlers und eines zugehörigen Modulationsindex.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zellencontrollers einer Wandlerzelle in dem in 12 dargestellten Multizellen-Leistungswandler.
17 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart des in 16 dargestellten Controllers veranschaulichen.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines PWM-Controllers in dem in 17 dargestellten Zellencontroller.
19A–19B zeigen Zeitdiagramme, die eine Betriebsart des in 12 dargestellten Multizellen-Leistungswandlers bei verschiedenen Modulationsindizes veranschaulichen.
20 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Eingangsspannungssignalverlaufs des in 12 dargestellten Multizellen-Leistungswandlers und einer zugehörigen Gesamt-Zelleneingangsspannung.
21 veranschaulicht wie Zellencontroller in einzelnen Wandlerzellen des in 12 gezeigten Multizellen-Leistungswandlers synchronisiert werden können.
22 zeigt eine Modifikation des in 18 dargestellten PWM-Controllers.
23 zeigt Zeitdiagramme, die eine andere Betriebsart des in 12 dargestellten Multizellen-Leistungswandlers veranschaulichen.
24 zeigt eine Wandlerzelle eines Multizellen-Leistungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
25A–25B zeigen Zeitdiagramme, die eine Betriebsart der in 24 dargestellten Wandlerzelle veranschaulichen.
26A–26B zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines Zellencontrollers in der in den 25A–25B dargestellten Wandlerzelle.
27 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Eingangsspannungssignalverlaufs eines in 12 dargestellten Multizellen-Leistungswandlers, wenn dieser mit einer in 24 dargestellten Wandlerzelle realisiert ist, und einer zugehörigen Gesamt-Zelleneingangsspannung.
28 zeigt eine Modifikation des in 14 dargestellten Hauptcontrollers.
29 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellen-Leistungswandlers mit einer IP-(Input Parallel)-Topologie.
30 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Controllers in einer der in 29 dargestellten Wandlerzellen.
31 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellen-Leistungswandlers mit einer OP-(Output Parallel)-Topologie.
32A–32B zeigen zwei Ausführungsbeispiele einer Wandlerzelle, die in dem in 31 dargestellten Multizellen-Leistungswandler verwendet werden können.
33 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in dem in 31 dargestellten Multizellen-Leistungswandler.
34 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellen-Leistungswandlers mit einer OS-(Output Serial)-Topologie.
35 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers des in 34 dargestellten Multizellen-Leistungswandlers.
36 zeigt weiter im Detail ein Ausführungsbeispiel des in 35 dargestellten Hauptcontrollers.
37 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellen-Leistungswandlers mit einer OP-(Output Parallel)-Topologie.
38 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellen-Leistungswandlers mit einer IP-(Input Parallel)-Topologie.
39 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in dem in 38 dargestellten Multizellen-Leistungswandler.
40 veranschaulicht schematisch die Effizienz einer Wandlerzelle basierend auf dem Leistungspegel der gewandelten Leistung.
41A–41B zeigen Zeitdiagramme, die das Aktivieren und Deaktivieren von Wandlerzellen (Phasenabwurf) in einem Multizellen-Leistungswandler mit OP-Topologie veranschaulichen.
42 veranschaulicht schematisch, wie eine Anzahl von inaktiven Wandlerzellen in einem Multizellen-Leistungswandler mit OP-Topologie abhängig von einer Ausgangsleistung festgelegt werden kann.
43 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel zum Betreiben eines Multizellenwandlers mit OP-Topologie.
44 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem Multizellen-Leistungswandlers, der eine Phasenabwurf-Funktionalität besitzt.
45A–45B zeigen Zeitdiagramme, die das Aktivieren und Deaktivieren von Wandlerzellen (Phasenabwurf) in einem Multizellen-Leistungswandler mit IP-Topologie veranschaulichen.
46 veranschaulicht schematisch, wie eine Anzahl von inaktiven Wandlerzellen in einem Multizellen-Leistungswandler mit IP-Topologie abhängig von einer Ausgangsleistung festgelegt werden kann.
47 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel zum Betreiben eines Multizellenwandlers mit IP-Topologie.
48 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem Multizellen-Leistungswandler mit einer Phasenabwurf-Funktionalität.
49 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem Multizellen-Leistungswandler mit einer Phasenabwurf-Funktionalität.
50 zeigt Zeitdiagramme, die eine Betriebsart eines IS- oder OS-Multizellenwandlers in einem intermittierenden Betrieb veranschaulichen.
51 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem IS-Multizellenwandler, der Funktionalität für einen intermittierenden Betrieb besitzt.
52 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem IS-Multizellenwandler, der eine Funktionalität für einen intermittierenden Betrieb besitzt.
53 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart eines IP- oder OP-Multizellenwandlers in einem intermittierenden Betrieb veranschaulichen.
54 zeigt Zeitdiagramme, die eine Betriebsart eines IP- oder OP-Multizellenwandlers in einem intermittierenden Betrieb veranschaulichen.
55 zeigt einen Abschnitt einer Leistungswandlerschaltung, die einen Ausgangkondensator aufweist.
56 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Betreiben eines Multizellenwandlers mit einer OP-Topologie in einem intermittierenden Betrieb.
57 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel zum Betreiben eines Multizellenwandlers mit einer IP-Topologie in einem intermittierenden Betrieb.
58 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem Multizellenwandler mit OP-Topologie.
59 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem Multizellenwandler mit IP-Topologie.
60 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellenwandlers, der eine Filterzelle aufweist.
61 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in 60 dargestellten Filterzelle.
62 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in dem in 60 gezeigten Multizellenwandler.
63 zeigt Zeitdiagramme, die eine Betriebsart des in 60 dargestellten Multizellenwandlers veranschaulichen.
64 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Betreiben des in 60 dargestellten Multizellenwandlers.
65 zeigt Zeitdiagramme, die eine Betriebsart des in 60 dargestellten Multizellenwandlers veranschaulichen.
66 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellenwandlers, der eine Filterzelle aufweist.
67 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in 66 dargestellten Filterzelle.
68 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in dem in 66 dargestellten Multizellenwandler.
69 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Betreiben des in 66 dargestellten Multizellenwandlers.
70 zeigt zwei Wandlerzellen eines Multizellenwandlers und eine Schalt-Schaltung, die die Zelleneingänge entweder in Reihe oder parallel schaltet.
71 zeigt Zeitdiagramme, die eine Betriebsart der in 70 dargestellten Wandlerzellen veranschaulichen.
72 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem Multizellenwandler mit zwei Wandlerzellen, die umgeordnet werden können, wie sie in 70 dargestellt sind.
73 zeigt zwei Wandlerzellen eines Multizellenwandlers und einer Schalt-Schaltung, die die Zelleneingänge entweder in Reihe oder parallel schaltet.
74 zeigt Zeitdiagramme, die eine Betriebsart der in 73 dargestellten Wandlerzellen veranschaulichen.
75 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem Multizellenwandler mit zwei Wandlerzellen, die umgeordnet werden können, wie sie in 73 dargestellt sind.
76A–76B veranschaulichen eine ungleiche Verteilung von Leistungsanteilen bzw. Stromanteilen in einem Multizellenwandler.
77 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers, der dazu ausgebildet ist, eine Verteilung von Leistungs- bzw. Stromanteilen in einem Multizellenwandler mit einer IP-Topologie zu regeln.
78 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers, der dazu ausgebildet ist, eine Verteilung von Leistungs- bzw. Stromanteilen in einem Multizellenwandler mit einer OP-Topologie zu regeln.
79A–79B zeigen Zeitdiagramme, die einen Betrieb eines Multizellenwandlers mit einer IS- oder OS-Topologie derart, dass Zwischenkreisspannungen unterschiedliche Spannungspegel besitzen, veranschaulichen.
80 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers, der dazu ausgebildet ist, einen Multizellenwandler, wie er in den 79A–79B dargestellt ist, zu betreiben.
81 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Halbbrücke in einer Wandlerzelle eines Multizellenwandlers.
82 zeigt Zeitdiagramme, die einen PWM-Betrieb der in 81 dargestellten Halbbrücke veranschaulichen.
83 veranschaulicht Verluste, die in der in 81 dargestellten Halbbrücke bei unterschiedlichen Duty-Cycles eines PWM-Betriebs bei einigen unterschiedlichen Designs der Halbbrücke auftreten.
84 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Optimieren eines Betriebs eines Multizellen-Leistungswandlers durch unterschiedliches Betreiben der einzelnen Wandlerzellen.
85 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem IS-Multizellenwandler mit einer Optimierungsfunktionalität, wie sie in 84 veranschaulicht ist.
86 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers in einem OS-Multizellenwandler mit einer Optimierungsfunktionalität, wie sie in 84 veranschaulicht ist.
87 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brückenschaltung in einem Multizellenwandler.
88 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die einen Multizellenwandler und einen Einzelzellenwandler umfasst.
89 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die einen Multizellenwandler umfasst, der mehrere Gleichspannungen von unterschiedlichen Leistungsquellen erhält.
90 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die einen Multizellenwandler und mehrere Einzelzellenwandler, die an den Multizellenwandler gekoppelt sind, umfasst.
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung spezielle Ausführungsbeispiele, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.
Nachfolgend sind einige Ausführungsbeispiele von Leistungswandlungsverfahren und Leistungswandlerschaltungen anhand der Zeichnungen erläutert. Diese Leistungswandlerschaltungen umfassen wenigstens einen Leistungswandler mit mehreren Leistungswandlerzellen. Ein Leistungswandler, der mehrere Leistungswandlerzellen umfasst, wird nachfolgend als Multizellen-Leistungswandler oder Multizellenwandler bezeichnet. Ein Leistungswandlungsverfahren, welches wenigstens einen Multizellenwandler verwendet, wird als Multizellen-Leistungswandlungsverfahren bezeichnet.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine an einem Eingang IN1, IN2 erhaltene Eingangsleistung P_IN in eine an einem Ausgang OUT1, OUT2 bereitgestellte Ausgangsleistung P_OUT zu wandeln. Die Eingangsleistung P_IN ist definiert als das Produkt eines an dem Eingang IN1, IN2 erhaltenen Eingangsstroms I_IN und einer Eingangsspannung V_IN zwischen einem ersten Eingangsknoten IN1 und einem zweiten Eingangsknoten IN2 des Eingangs, so dass P_IN = V_IN·I_IN. Die Ausgangsleistung P_OUT ist definiert als das Produkt eines an dem Ausgang OUT1, OUT2 bereitgestellten Ausgangsstroms I_OUT und einer Ausgangsspannung V_OUT zwischen einem ersten Ausgangsknoten OUT1 und einem zweiten Ausgangsknoten OUT2 des Ausgangs, so dass P_OUT = V_OUT·I_OUT. Eine Last Z (in 1 in gestrichelten Linien dargestellt) kann die durch den zweiten Leistungswandler 20 bereitgestellte Ausgangsleistung P_OUT erhalten.
Die Leistungswandlerschaltung umfasst einen ersten Wandler 10, der dazu ausgebildet ist, die Eingangsleistung an dem Eingang IN1, IN2 zu erhalten, und einen zweiten Leistungswandler 20, der dazu ausgebildet ist, die Ausgangsleistung an dem Ausgang OUT1, OUT2 bereitzustellen. Wenigstens einer von dem ersten Leistungswandler 10 und dem zweiten Leistungswandler 20 umfasst mehrere Leistungswandlerzellen, die nachfolgend kurz als Wandlerzellen bezeichnet werden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der erste Leistungswandler 10 mehrere Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1, und der zweite Leistungswandler 20 umfasst mehrere Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3. Diese Wandlerzellen sind in 1 nur schematisch veranschaulicht. Der erste Leistungswandler 10 und der zweite Leistungswandler 20 sind durch mehrere Kondensatoren 11 ₁–11 _N2 verbunden. Diese Kondensatoren 11 ₁–11 _N2 werden nachfolgend auch als Zwischenkreiskondensatoren (engl.: DC link capacitors) bezeichnet. Kapazitäten der einzelnen Zwischenkreiskondensatoren sind abhängig von verschiedenen Aspekten, wie beispielsweise einer Signalform der Eingangsspannung und/oder der Ausgangsspannung oder einer Nennleistung der Leistungswandlerschaltung, um nur einige zu nennen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Kapazitäten der Zwischenkreiskondensatoren ausgewählt aus einem Bereich zwischen einigen Mikrofarad (µF), wie beispielsweise 2µF, und einigen Millifarad (mF), wie beispielsweise 9mF.
Bezug nehmend auf 1 kann der erste Leistungswandler 10 eine erste Anzahl N1 von Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 umfassen, eine zweite Anzahl N2 von Kondensatoren 11 ₁–11 _N2 kann den ersten Leistungswandler 10 und den zweiten Leistungswandler 20 verbinden, und der zweite Leistungswandler 20 kann eine dritte Anzahl N3 von Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 umfassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die erste Anzahl N1, die zweite Anzahl N2 und die dritte Anzahl N3 gleich, so dass N1 = N2 = N3 = N.
Abhängig davon, wie der erste Leistungswandler und der zweite Leistungswandler 20 implementiert sind, können verschiedene Arten von Leistungswandlungsverfahren durch die Leistungswandlerschaltung durchgeführt werden. Einige dieser verschiedenen Arten von Leistungswandlungsverfahren sind unten anhand der 2A–3C erläutert. Jede dieser 2A–3C veranschaulicht schematisch Zeitdiagramme der Eingangsspannung V_IN und der Ausgangsspannung V_OUT.
Bezug nehmend auf 2A kann die Eingangsspannung V_IN eine gleichgerichtete Sinusspannung sein und die Ausgangsspannung V_OUT kann eine Gleichspannung mit einem Spannungspegel niedriger als eine Spitzenspannung der Eingangsspannung V_IN sein. Bezug nehmend auf 2B kann die Eingangsspannung V_IN eine Sinusspannung sein und die Ausgangsspannung V_OUT kann eine Gleichspannung mit einem Spannungspegel niedriger als die Amplitude der Eingangsspannung V_IN sein. Eine gleichgerichtete Sinusspannung, wie sie in 2A dargestellt ist, kann erhalten werden durch Gleichrichten einer Sinusspannung, wie sie in 2B dargestellt ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Sinusspannung eine Netzspannung mit 110V_EFF oder 220V_EFF und einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz. Das in 2B dargestellte Leistungswandlungsverfahren kann in einer Vielzahl von verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine Last Z mit einer Gleichstromleistung (engl.: DC power) von einem Spannungsnetz versorgt werden soll. Beispiele solcher Anwendungen umfassen Telekommunikationsvermittlungen, Computer, oder ähnliche. Bezug nehmend auf 2C kann jede der Eingangsspannung V_IN und der Ausgangsspannung V_OUT eine Gleichspannung sein, wobei ein Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN höher ist als ein Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT.
Bezug nehmend auf 3A kann die Ausgangsspannung V_OUT eine gleichgerichtete Sinusspannung sein und die Eingangsspannung V_IN kann eine Gleichspannung mit einem Spannungspegel niedriger als eine Spitzenspannung der Ausgangsspannung V_OUT sein. Bezug nehmend auf 3B kann die Ausgangsspannung V_OUT eine Sinusspannung sein und die Eingangsspannung V_IN kann eine Gleichspannung mit einem Spannungspegel niedriger als die Amplitude der Ausgangsspannung V_OUT sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die in 3B dargestellte Sinusspannung eine Netzspannung mit 120V_EFF oder 220V_EFF und einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz. Die Art von Leistungswandlung, wie sie in 3B dargestellt ist, kann bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Leistung von einer Gleichstromleistungsquelle (engl.: DC power source), wie beispielsweise einem Photovoltaik-Paneel, einer Batterie, oder ähnlichem, an ein Spannungsnetz geliefert werden soll. Bezug nehmend auf 3C kann jede der Eingangsspannung V_IN und der Ausgangsspannung V_OUT eine Gleichspannung sein, wobei ein Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN niedriger ist als ein Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT.
Bei den in den 2A–2C dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT niedriger als der Spannungspegel oder der effektive Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN. Nachfolgend wird eine Leistungswandlerschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine dieser Arten von Leistungswandlung durchzuführen, als Leistungswandlerschaltung mit Tiefsetzcharakteristik bezeichnet. Bei den in den 3A–3C dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN niedriger als der Spannungspegel oder der effektive Spannungspegel der Ausgangsspannung. Nachfolgend wird eine Leistungswandlerschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine dieser Arten von Leistungswandlung durchzuführen, als Leistungswandlerschaltung mit Hochsetzcharakteristik bezeichnet.
Vier verschiedene Leistungswandlerschaltungen des in 1 gezeigten Typs sind unten anhand der 4–7 erläutert. Bei jedem dieser Ausführungsbeispiele umfasst jeder von dem ersten Leistungswandler 10 und dem zweiten Leistungswandler 20 mehrere Wandlerzellen. Außerdem gilt bei jedem dieser Ausführungsbeispiele: N1 = N2 = N3 = N, so dass jede der mehreren Wandlerzellen in dem ersten Leistungswandler 10 mit einer der mehreren Wandlerzellen in dem zweiten Leistungswandler 20 durch einen Zwischenkreiskondensator verbunden ist. Dies ist allerdings nur ein Beispiel. Andere Beispiele, bei denen nur einer von den ersten und zweiten Leistungswandlern 10, 20 mehrere Wandlerzellen umfasst oder bei denen sich wenigstens zwei von N1, N2 und N3 unterscheiden, sind weiter unten erläutert. Die in den 4–7 dargestellten Leistungswandlerschaltungen unterscheiden sich darin, wie die Wandlerzellen des ersten Leistungswandlers 10 an den Eingang IN1, IN2 angeschlossen sind und wie die Wandlerzellen des zweiten Leistungswandlers 20 an den Ausgang OUT1, OUT2 angeschlossen sind.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer ISOP-(Input Serial, Output Parallel)-Topologie. Bei dieser Leistungswandlerschaltung sind die Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 des ersten Leistungswandlers am Eingang IN1, IN2 in Reihe geschaltet und die Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 des zweiten Leistungswandler 20 sind am Ausgang OUT1, OUT2 parallel geschaltet. Dies ist nachfolgend erläutert.
Die Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 des ersten Leistungswandlers 10 sind nachfolgend auch als erste Wandlerzellen bezeichnet. Jede dieser ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 umfasst einen Zelleneingang und einen Zellenausgang. Der Zellenausgang jeder Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 ist an einen der mehreren Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 angeschlossen, nämlich an den Zwischenkreiskondensator, der der jeweiligen ersten Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 zugeordnet ist. Die Zelleneingänge der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 sind am Eingang IN1, IN2 der Leistungswandlerschaltung in Reihe geschaltet. Das heißt, ein erster Zelleneingangsknoten einer der mehreren ersten Wandlerzellen (der Wandlerzelle 1 ₁ bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel) ist an den ersten Eingangsknoten IN1 angeschlossen. Ein zweiter Zelleneingangsknoten einer anderen der mehreren ersten Wandlerzellen (der ersten Wandlerzelle 1 _N1 bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel) ist an den zweiten Eingangsknoten IN2 der Leistungswandlerschaltung angeschlossen. Die anderen ersten Wandlerzellen (die in 4 dargestellten Wandlerzellen 1 ₂, 1 ₃) haben jeweils den ersten Zelleneingangsknoten an den zweiten Zelleneingangsknoten einer anderen ersten Wandlerzelle angeschlossen und haben ihren zweiten Zelleneingangsknoten an den ersten Zelleneingangsknoten einer anderen ersten Wandlerzelle angeschlossen. Mit anderen Worten, die Zelleneingänge der einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 bilden eine Kaskade zwischen den Eingangsknoten IN1, IN2 der Leistungswandlerschaltung.
Die Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 des zweiten Leistungswandlers 20 sind nachfolgend auch als zweite Wandlerzellen bezeichnet. Jede dieser zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 umfasst einen Zelleneingang und einen Zellenausgang. Der Zelleneingang jeder Wandlerzelle 2 ₁–2 _N1 ist an einen der mehreren Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen. Die Zellenausgänge der zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 sind am Ausgang OUT1, OUT2 der Leistungswandlerschaltung parallel geschaltet. Das heißt, ein erster Zellenausgangsknoten jeder der zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 ist an einen ersten Ausgangsknoten OUT1 der Leistungswandlerschaltung angeschlossen und der zweite Zellenausgangsknoten jeder der zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 ist an den zweiten Ausgangsknoten OUT2 der Leistungswandlerschaltung angeschlossen.
Bei der in 4 dargestellten Leistungswandlerschaltung mit der ISOP-Topologie erhält jede der in Reihe geschalteten ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 einen Anteil oder Teil der Eingangsspannung V_IN als Zelleneingangsspannung V1₁–V1_N1. Das heißt, eine Summe der Zelleneingangsspannungen V1₁–V1_N1 entspricht der Eingangsspannung V_IN,
Ein Zelleneingangsstrom jeder ersten Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 ist gleich dem Eingangsstrom I_IN. Außerdem stellt jede der parallel geschalteten zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 einen Zellenausgangsstrom I2₁–I2_N3 zur Verfügung, der ein Anteil oder Teil des Ausgangsstroms I_OUT ist. Das heißt, eine Summe der Zellenausgangsströme I2₁–I2_N3 entspricht dem Ausgangsstrom I_OUT,
Eine Zellenausgangsspannung jeder der zweiten Wandlerzellen entspricht der Ausgangsspannung V_OUT der Leistungswandlerschaltung.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer ISOS-(Input Serial, Output Serial)-Topologie. Wie bei der in 4 dargestellten Leistungswandlerschaltung sind die ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 am Eingang IN1, IN2 in Reihe geschaltet. Die in 5 dargestellte Leistungswandlerschaltung unterscheidet sich von der in 4 dargestellten Leistungswandlerschaltung dadurch, dass die zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 am Ausgang OUT1, OUT2 in Reihe geschaltet sind. Dies ist nachfolgend erläutert.
Bezug nehmend auf 5 ist ein erster Zellenausgangsknoten einer der mehreren zweiten Wandlerzellen (die Wandlerzelle 2 ₁ bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel) an den ersten Ausgangsknoten OUT1 angeschlossen. Ein zweiter Zellenausgangsknoten einer anderen der mehreren zweiten Wandlerzellen (die zweite Wandlerzelle 2 _N3 bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel) ist an den zweiten Ausgangsknoten OUT2 der Leistungswandlerschaltung angeschlossen. Die anderen zweiten Wandlerzellen (die in 5 dargestellten Wandlerzellen 2 ₂, 2 ₃) haben jeweils den ersten Zellenausgangsknoten an den zweiten Zellenausgangsknoten einer anderen zweiten Wandlerzelle angeschlossen und haben ihren zweiten Zellenausgangsknoten an den ersten Zellenausgangsknoten einer anderen zweiten Wandlerzelle angeschlossen. Mit anderen Worten, die Zellenausgänge der einzelnen zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 bilden eine Kaskade zwischen den Ausgangsknoten OUT1, OUT2 der Leistungswandlerschaltung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Zellenausgangsspannung V3₁–V3_N3 jeder der mehreren zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 ein Anteil der Ausgangsspannung V_OUT der Leistungswandlerschaltung. Das heißt
Ein Zellenausgangsstrom jeder der mehreren zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 ist gleich dem Ausgangsstrom der Leistungswandlerschaltung.
Bei der in 5 dargestellten Leistungswandlerschaltung ist, wie bei der in 4 dargestellten Leistungswandlerschaltung, der Zellenausgang jeder der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N3 an einen der mehreren Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 angeschlossen, und der Zelleneingang jeder der zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 ist an einen der Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 angeschlossen, wobei an jeden der Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 nur eine erste Wandlerzelle und nur eine zweite Wandlerzelle angeschlossen ist.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer IPOS-(Input Parallel, Output Serial)-Topologie. Wie bei der in 5 dargestellten Leistungswandlerschaltung sind die zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 am Ausgang OUT1, OUT2 in Reihe geschaltet. Die in 6 dargestellte Leistungswandlerschaltung unterscheidet sich von der in 5 dargestellten Leistungswandlerschaltung dadurch, dass die ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N3 am Eingang IN1, IN2 parallel geschaltet sind. Das heißt, jede der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 hat ihren ersten Zelleneingangsknoten an den ersten Eingangsknoten IN1 der Leistungswandlerschaltung angeschlossen und hat ihren zweiten Zelleneingangsknoten an den zweiten Eingangsknoten IN2 der Leistungswandlerschaltung angeschlossen. Damit erhält jede der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 die Eingangsspannung V_IN als eine Zelleneingangsspannung, und ein Zelleneingangsstrom I0₁–I0_N1 jeder der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 ist ein Anteil oder Teil des Eingangsstroms I_OUT, so dass
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer IPOP-(Input Parallel, Output Parallel)-Topologie. Bei dieser Leistungswandlerschaltung sind die ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 am Eingang IN1, IN2 parallel geschaltet und die zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 sind am Ausgang parallel geschaltet. Bezüglich der Parallelschaltung der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 wird auf 6 und die zugehörige Beschreibung Bezug genommen, und bezüglich der Parallelschaltung der zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 wird auf 4 und die zugehörige Beschreibung Bezug genommen.
Jede der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 und der zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 ist mit einer Leistungswandlertopologie realisiert und ist dazu ausgebildet, eine Zelleneingangsleistung am Zelleneingang zu erhalten und eine Zellenausgangsleistung am Zellenausgang zur Verfügung zu stellen. Jede der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 erhält ihre Zelleneingangsleistung vom Eingang IN1, IN2. Die Zellenausgangsleistung jeder der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 ist die Leistung, die die jeweilige erste Wandlerzelle an den an den Zellenausgang angeschlossenen Zwischenkreiskondensator bzw. an die an den Zellenausgang angeschlossene zweite Wandlerzelle liefert. Die Zelleneingangsleistung jeder der mehreren zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 ist die Leistung, die die jeweilige zweite Wandlerzelle von dem Zwischenkreiskondensator, an den sie angeschlossen ist bzw. von der ersten Wandlerzelle, an die sie angeschlossen ist, erhält. Jede der zweiten Wandlerzellen liefert ihre Zellenausgangsleistung an den Ausgang OUT1, OUT2. Die Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 sind in der Lage, Energie zu speichern, so dass der Leistungspegel der Zellenausgangsleistung einer der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 und der Leistungspegel der Zelleneingangsleistung der zugehörigen zweiten Wandlerzelle unterschiedlich sein können. Nachfolgend wird das Wort "zugehörig" dazu verwendet, die Beziehung zwischen einer ersten Wandlerzelle, dem an diese erste Wandlerzelle angeschlossenen Zwischenkreiskondensator und der an diese erste Wandlerzelle und diesen Zwischenkreiskondensator angeschlossenen zweiten Wandlerzelle zu beschreiben.
Die Art der Wandlertopologie, die in den ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 und den zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 realisiert ist, ist beispielsweise abhängig von der Art der Leistungswandlung, die die Leistungswandlerschaltung durchführt. Allgemein können die Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1, 2 ₁–2 _N3 mit einer isolierenden Leistungswandlertopologie oder mit einer nicht-isolierenden Leistungswandlertopologie realisiert sein. Im ersten Fall umfasst die jeweilige Wandlerzelle einen Transformator, der den Zelleneingang und den Zellenausgang galvanisch trennt. Im zweiten Fall sind der Zelleneingang und der Zellenausgang der Wandlerzelle nicht galvanisch getrennt. Dies ist unten anhand der 8–10 erläutert. Jede dieser Figuren zeigt eine erste Wandlerzelle 1 _i, den Zwischenkreiskondensator 11 _i der ersten Wandlerzelle 1 _i und eine an die erste Wandlerzelle 1 _i angeschlossene zweite Wandlerzelle 2 _i. Die erste Wandlerzelle 1 _i und die zweite Wandlerzelle 2 _i repräsentieren ein beliebiges Paar einer ersten Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 und einer an die erste Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 angeschlossenen Wandlerzelle 2 ₁–2 _N3 in einer beliebigen der zuvor erläuterten Leistungswandlerschaltungen.
Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Wandlerzelle 1 _i mit einer isolierenden Wandlertopologie realisiert. Dies ist durch das Transformatorsymbol in dem Schaltungsblock, der die erste Wandlerzelle 1 _i repräsentiert, schematisch veranschaulicht. Die zweite Wandlerzelle 2 _i ist mit einer nicht-isolierenden Wandlertopologie realisiert. In einer Leistungswandlerschaltung, in der die ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit einer isolierenden Wandlertopologie realisiert sind, und die zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 mit einer nicht-isolierenden Wandlertopologie realisiert sind, wie dies in 8 dargestellt ist, sorgen die ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 für eine galvanische Isolation zwischen dem Eingang IN1, IN2 und dem Ausgang OUT1, OUT2 der Leistungswandlerschaltung.
Bei dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Wandlerzelle 1 _i mit einer nicht-isolierenden Wandlertopologie realisiert. Dies ist durch das Transformatorsymbol in dem Schaltungsblock, der die zweite Wandlerzelle 2 _i repräsentiert, schematisch veranschaulicht. Die erste Wandlerzelle 1 _i ist mit einer nicht-isolierenden Wandlertopologie realisiert. In einer Leistungswandlerschaltung, in der die ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit einer nicht-isolierenden Wandlertopologie realisiert sind, und die zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 mit einer isolierenden Wandlertopologie realisiert sind, wie dies in 9 dargestellt ist, sorgen die zweiten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 für eine galvanische Isolation zwischen dem Eingang IN1, IN2 und dem Ausgang OUT1, OUT2.
Bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist keine von der ersten Leistungswandlerschaltung 1 _i und der zweiten Leistungswandlerschaltung 2 _i mit einer isolierenden Wandlertopologie realisiert. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) ist sowohl die erste Leistungswandlerschaltung 1 _i, als auch die zweite Leistungswandlerschaltung 2 _i mit einer isolierenden Wandlertopologie realisiert.
Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele des ersten Leistungswandlers 10 und Betriebsarten dieser Ausführungsbeispiele erläutert. Nachfolgend wird ein erster Multizellen-Leistungswandler 10 mit in Reihe geschalteten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 als IS-(Input Serial)-Wandler oder Leistungswandler mit einer IS-Topologie bezeichnet. Entsprechend wird ein erster Multizellen-Leistungswandler 10 mit parallel geschalteten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 als IP-(Input Parallel)-Wandler oder Leistungswandler mit einer IP-Topologie bezeichnet. Ein zweiter Multizellen-Leistungswandler mit in Reihe geschalteten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 wird als OS-(Output Serial)-Wandler oder Leistungswandler mit einer OS-Topologie bezeichnet. Entsprechend wird ein zweiter Multizellen-Leistungswandler 20 mit parallel geschalteten Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 als OP-(Output Parallel)-Wandler oder Leistungswandler mit einer OP-Topologie bezeichnet. Im Zusammenhang mit einem der ersten und zweiten Leistungswandler 10, 20 sind "in Reihe geschaltete Wandlerzellen" Wandlerzellen, bei denen entweder deren Zelleneingänge in Reihe geschaltet sind (in dem ersten Wandler 10) oder deren Zellenausgänge in Reihe geschaltet sind (in dem zweiten Wandler 20), und "parallel geschaltete Wandlerzellen" sind Wandlerzellen, bei denen entweder deren Zelleneingänge parallel geschaltet sind (in dem ersten Wandler 10) oder deren Zellenausgänge parallel geschaltet sind (in dem zweiten Wandler 20).
Zunächst wird ein Ausführungsbeispiel eines ersten Leistungswandlers 10 mit einer IS-Topologie erläutert, der dazu ausgebildet ist, als eine Eingangsspannung V_IN eine gleichgerichtete Sinusspannung, wie in 2A dargestellt, zu erhalten und mehrere Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N1 an den einzelnen Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 (wobei bei diesem Ausführungsbeispiel N1 = N2) zur Verfügung zu stellen. Bezug nehmend auf 11, kann eine solche Eingangsspannung V_IN mit einem gleichgerichteten sinusförmigen Signalverlauf aus einer sinusförmigen Netzspannung VGRID durch einen Brückengleichrichter 100 mit vier Gleichrichterelementen 101–104 erhalten werden. Diese Gleichrichterelemente können Dioden sein, wie in 11 dargestellt. Allerdings können auch andere Gleichrichterelemente, wie beispielsweise Schalter, die als synchrone Gleichrichterelemente betrieben werden, ebenso verwendet werden. Diese Gleichrichterelemente 101–104 sind in einer Brückenkonfiguration verschaltet und erhalten die Netzspannung VGRID als eine Eingangsspannung und liefern die gleichgerichtete Sinusspannung als eine Ausgangsspannung. Diese Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 100 ist die Eingangsspannung V_IN der Leistungswandlerschaltung, von der in 11 nur der Eingang IN1, IN2 dargestellt ist.
Die Netzspannung VGRID kann eine Sinusspannung mit 110V_EFF oder 230V_EFF sein. Im ersten Fall ist eine Spitzenspannung der gleichgerichteten Eingangsspannung V_IN etwa 160V und im zweiten Fall ist die Spitzenspannung etwa 320V. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Netzspannung eine Mittelspannung mit einer Spitzenspannung von bis zu einigen Kilovolt (kV).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leistungswandler 10 mit den mehreren ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 dazu ausgebildet, die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 aus der Eingangsspannung V_IN derart zu erzeugen, dass ein Spannungspegel einer Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT höher ist als der Spannungspegel der Spitzenspannung der Eingangsspannung V_IN.
Die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT entspricht der Summe der einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2, das heißt:
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT zwischen dem 1,1-fachen und dem 1,3-fachen der Spitzenspannung. Im Fall einer aus einer 220V_EFF Sinusspannung erhaltenen Eingangsspannung V_IN ist die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT beispielsweise etwa 400V.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines ersten Leistungswandlers 10, der eine IS-Topologie besitzt und dazu ausgebildet ist, die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT mit einem höheren Spannungspegel als dem Spitzenspannungspegel der Eingangsspannung V_IN zu erzeugen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen ersten Wandlerstufen 1 ₁–1 _N1 jeweils mit einer Hochsetzstellertopologie realisiert, die eine Art einer nicht-isolierenden Wandlertopologie ist. In 12 ist nur eine der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1, nämlich die erste Wandlerzelle 1 ₁, im Detail dargestellt. Die anderen ersten Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1 sind mit derselben Topologie realisiert. Die im Zusammenhang mit der ersten Wandlerzelle 1 ₁ gemachte Erläuterung gilt damit entsprechend für die anderen ersten Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1.
Bezug nehmend auf 12 umfassen die ersten Wandlerzellen 1 eine Halbbrücke 12 mit einem Low-Side-Schalter 12 _L und einem High-Side-Schalter 12 _H. Der High-Side-Schalter 12 _H ist optional und kann durch ein Gleichrichterelement, wie beispielsweise eine Diode ersetzt werden. Bezug nehmend auf 12 kann der High-Side-Schalter mit einem elektronischen Schalter und einem parallelen Gleichrichterelement realisiert werden. Der elektronische Schalter wird als Synchrongleichrichter betrieben, der jedes Mal dann einschaltet, wenn das parallele Gleichrichterelement leitend ist. Damit funktioniert der High-Side-Schalter 12 _H wie ein aktives Gleichrichterelement. Allerdings sind Verluste, die in dem High-Side-Schalter 12 _H auftreten, wenn der Schalter eingeschaltet ist, geringer als Verluste, die in einem vergleichbaren passiven Gleichrichterelement, wie beispielsweise einer Diode auftreten. Der Low-Side-Schalter 12 _L kann ebenfalls mit einem elektronischen Schalter und einem parallelen Gleichrichterelement realisiert werden. Allerdings ist das Gleichrichterelement in diesem Fall optional. Der High-Side-Schalter 12 _H und der Low-Side-Schalter 12 _L können als elektronische Schalter realisiert werden. Beispiele dieser Schalter umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors), Bipolar-Sperrschichttransistoren (BJTs, Bipolar Junction Transistors), HEMTs (High Electron Mobility Transistors), GaN-HEMTs, oder ähnliche. Einige Arten dieser elektronischen Schalter, wie beispielsweise MOSFETs, umfassen eine integrierte Diode (Bodydiode), die als das in 12 dargestellte Gleichrichterelement verwendet werden kann.
Bezug nehmend auf 12 ist der Low-Side-Schalter 12 _L zwischen Zelleneingangsknoten der ersten Wandlerzelle 1 ₁ geschaltet. Damit bilden der Low-Side-Schalter 12 _L der ersten Wandlerzelle 1 ₁ und die entsprechenden Low-Side-Schalter (nicht dargestellt) in den anderen ersten Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1 eine Reihenschaltung, die zwischen die Eingangsknoten des Eingangs IN1, IN2 geschaltet ist. Der High-Side-Schalter 12 _H und der Zwischenkreiskondensator 11 ₁ der ersten Wandlerzelle 1 ₁ bilden eine Reihenschaltung, wobei diese Reihenschaltung parallel zu dem Low-Side-Schalter 12 _L geschaltet ist.
Die erste Leistungswandlerschaltung 10 umfasst außerdem wenigstens eine Spule 15, wie beispielsweise eine Drossel. Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel teilen sich die einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N die Spule 15. Das heißt, es gibt eine Spule, die in Reihe zu dem Low-Side-Schalter 12 _L in der ersten Wandlerzelle 1 ₁ und den entsprechenden Low-Side-Schaltern in den anderen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 geschaltet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) umfasst jede Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 eine Spule, die zwischen einen Zelleneingangsknoten und den dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter in der jeweiligen Wandlerzelle gemeinsamen Schaltungsknoten geschaltet ist.
Bezug nehmend auf 12 umfasst die erste Wandlerzelle 1 ₁ außerdem einen Controller 14, der dazu ausgebildet ist, den Betrieb des Low-Side-Schalters 12 _L und des High-Side-Schalters zu steuern. Wenn der High-Side-Schalter 12 _H durch ein passives Gleichrichterelement ersetzt ist, steuert der Controller 14 nur den Betrieb des Low-Side-Schalters 12 _L.
Der Low-Side-Schalter 12 _L erhält ein Ansteuersignal S12_L von dem Controller 14, wobei das Ansteuersignal S12_L den Low-Side-Schalter 12 _L entweder ein- oder ausschaltet. Entsprechend erhält der High-Side-Schalter 12 _H ein Ansteuersignal S12_H von dem Controller 14, wobei das Ansteuersignal S12_H den High-Side-Schalter 12 _H entweder ein- oder ausschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel steuert der Controller 14 den Low-Side-Schalter 12 _L und den High-Side-Schalter 12 _H derart an, dass sie nicht im selben Zeitpunkt eingeschaltet sind, um zu verhindern, dass der Zwischenkreiskondensator 11 ₁ über diese Schalter 12 _L, 12 _H entladen wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden der Controller 14 in der ersten Wandlerzelle 1 ₁ und die entsprechenden Controller in den anderen Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1 durch einen Controller 4 des ersten Leistungswandlers 10 gesteuert. Dieser Controller 4 wird nachfolgend auch als Hauptcontroller des ersten Leistungswandlers 10 bezeichnet. Betriebsarten dieses Hauptcontrollers 4 und mögliche Realisierungen sind unten erläutert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Hauptcontroller dazu ausgebildet, die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT über den Controller 14 in der ersten Wandlerzelle 1 ₁ und die entsprechenden Controller in den anderen Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1 zu steuern (regeln). Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Hauptcontroller 4 weiterhin dazu ausgebildet, einen Stromsignalverlauf des Eingangsstroms I_IN derart zu regeln, dass der Signalverlauf des Eingangsstroms I_IN im Wesentlichen dem Signalverlauf der Eingangsspannung V_IN entspricht. Eine Phasendifferenz zwischen dem Signalverlauf der Eingangsspannung V_IN und dem resultierenden Signalverlauf des Eingangsstroms I_IN kann Null sein, oder sich von Null unterscheiden. Das Regeln des Eingangsstroms I_IN so, dass er denselben Signalverlauf wie die Eingangsspannung V_IN besitzt, kann helfen, den Leistungsfaktor (engl.: power factor) der am Eingang IN1, IN2 erhaltenen Eingangsleistung P_IN zu regeln. Ein erster Leistungswandler 10, der dazu ausgebildet ist, den Signalverlauf des Eingangsstroms I_IN so zu regeln, dass er im Wesentlichen gleich dem Signalverlauf der Eingangsspannung V_IN ist, wird als erster Leistungswandler 10 mit einer PFC-(Power Factor Correction)-Funktionalität oder, kurz, als erster PFC-Leistungswandler 10 bezeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 4, der dazu ausgebildet ist, die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT und den Stromsignalverlauf des Eingangsstroms I_IN zu regeln, ist in 13 dargestellt. Bezug nehmend auf 13 umfasst der Hauptcontroller 4 einen Eingangsreferenzstromcontroller 41 und einen Wandlerzellencontroller 42, der auch als Modulationsindexcontroller bezeichnet wird. Der Eingangsreferenzstromcontroller 41 ist dazu ausgebildet, ein Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} zu erzeugen. Das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} repräsentiert den gewünschten Strompegel (Sollwert) des Eingangsstroms I_IN, der benötigt wird, um die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT derart zu regeln, dass ein Spannungspegel der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT einem vordefinierten Spannungspegel entspricht. Ein Pegel dieses Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} kann über der Zeit variieren, wenn die Eingangsspannung V_IN variiert. Der Eingangsreferenzstromcontroller 41 erhält ein Eingangsspannungssignal V_{IN_M}, das den momentanen Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN repräsentiert. Dieses Eingangsspannungssignal V_{IN_M} kann durch Messen der Eingangsspannung V_IN oder auf andere Weise erhalten werden. Der Eingangsreferenzstromcontroller 41 erhält außerdem Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M}. Jedes dieser Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M} repräsentiert eine der Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2. Diese Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M} können erhalten werden durch Messen der einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2. Der Eingangsreferenzstromcontroller 41 erhält ein Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF}. Dieses Referenzsignal V2_{TOT_REF} repräsentiert den gewünschten (vordefinierten) Spannungspegel der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT. Der Eingangsreferenzstromcontroller 41 berechnet das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} basierend auf diesen Eingangssignalen. Da der Eingangsreferenzstromcontroller 41 den Strompegel des Eingangsstromreferenzsignals I_{IN_REF} derart erzeugt, dass die Gesamt-Zwischenkreisspannung den durch das Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF} definierten gewünschten Pegel annimmt, kann der Eingangsreferenzstromcontroller 41 in dem vorliegenden Beispiel, ebenso wie in anderen unten erläuterten Ausführungsbeispielen, auch als Zwischenkreisspannungscontroller bezeichnet werden.
Der Modulationsindexcontroller 42 erhält das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} und ein Eingangsstromsignal I_{IN_M}. Das Eingangsstromsignal I_{IN_M} repräsentiert den momentanen Strompegel des Eingangsstroms I_IN. Dieses Eingangsstromsignal I_{IN_M} kann erhalten werden durch Messen des Eingangsstroms I_IN oder auf andere Weise. Der Modulationsindexcontroller 42 gibt ein Steuersignal m aus, das durch den Controller 14 ₁–14 _N1 in den einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 erhalten wird. Bezug nehmend auf 12 erhält jeder der Controller (genauer, der Controller in jeder der Wandlerzellen) ein Steuersignal m₁–m_N1 von dem Hauptcontroller 4. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erhalten die einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 dasselbe Steuersignal m, so dass m = m₁ = m₂ = m₃ = m_N1. Details zu diesem Steuersignal m, das nachfolgend auch als Modulationsindex m bezeichnet wird, sind unten erläutert. Bevor auf den Modulationsindex m näher eingegangen wird, werden Ausführungsbeispiele des Eingangsreferenzstromcontrollers 41 und des Wandlerzellencontrollers 42 anhand von 14 erläutert. Der Modulationsindexcontroller 42 dient dazu, den Eingangsstrom I_IN zu regeln. Damit kann der Modulationsindexcontroller 42 auch als (Eingangs-)Stromcontroller bezeichnet werden.
Im Zusammenhang mit 14 wird der Eingangsreferenzstromcontroller 41 kurz als Stromcontroller bezeichnet. Bezug nehmend auf 14, kann der Stromcontroller 41 ein Fehlerfilter 411 enthalten, das die Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M} und das Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF} erhält. Das Fehlerfilter 411 erzeugt ein Fehlersignal V2_ERR, das abhängig ist von einer Differenz zwischen dem Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF} und der Summe der einzelnen Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M}. Die Summe dieser Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M} repräsentiert die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT. Das Fehlerfilter kann die Differenz
berechnen und diese Differenz filtern, um das Fehlersignal V2_ERR zu erzeugen. Das Filter kann eines von einem Proportional-(P)-Verhalten, einem Proportional-Integral-(PI)-Verhalten und einem Proportional-Integral-Differential-(PID)-Verhalten besitzen. Ein Multiplizierer 412 erhält das Fehlersignal V2_ERR und das Gesamt-Zwischenkreisspannungssignal V2_{TOT_REF} und liefert das Produkt dieser Signale V2_ERR, V2_{TOT_REF} als ein Ausgangssignal A. Ein optionaler Dividierer 413 erhält das Multipliziererausgangssignal A und ein Signal B, wobei das Signal B abhängig ist vom Quadrat des Spitzenspannungspegels V_{IN_MAX} der Eingangsspannung V_IN. Bei dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel gilt:
Ein Ausgangssignal C des Dividierers 413 gleicht dem Quotienten A/B der Dividierereingangssignale A, B. Ein weiterer Multiplizierer 414 erhält das Dividiererausgangssignal C und das Eingangsspannungssignal V_{IN_M} und ist dazu ausgebildet, die Momentanpegel dieser Signale C und V_{IN_M} zu multiplizieren. Der weitere Multiplizierer 414 liefert das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} als ein Ausgangssignal.
Wie anhand von 13 erläutert, definiert das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} den gewünschten Strompegel des Eingangsstroms I_IN. Wenn die Eingangsspannung V_IN zeitlich variiert, variiert auch das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} zeitlich. Dies ist ein Ergebnis des Erzeugens des Eingangsstromreferenzsignals I_{IN_REF} durch Multiplizieren des Eingangsspannungssignals V_{IN_M} mit dem Ausgangssignal C des Dividierers 413. Der Dividierer 413 kann weggelassen werden. In diesem Fall erhält der weitere Multiplizierer 414 das Ausgangssignal A von dem Multiplizierer 412 als ein Eingangssignal. Unter der Annahme, dass das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} ein periodisches Signal mit einer durch das Eingangsspannungssignal V_{IN_M} definierten Frequenz ist, ist eine Amplitude des Eingangsstromreferenzsignals I_{IN_REF} definiert durch eine Amplitude des Eingangsspannungssignals V_{IN_M} und durch eines von dem Dividiererausgangssignal C und dem Multipliziererausgangssignal A. Diese Signale C und A sind abhängig von der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT. Das Fehlerfilter 411 ist dazu ausgebildet, das Fehlersignal V2_ERR derart zu erzeugen, dass ein Signalpegel des Fehlersignals V2_ERR zunimmt, wenn die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT unter den durch das Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF} definierten Pegel fällt, um so den Pegel des Multipliziererausgangssignals A und die Amplitude des Eingangsstromreferenzsignals I_{IN_REF} zu erhöhen und um so die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT so zu regeln, dass ein Spannungspegel der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT im Wesentlichen dem durch das Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF} definierten Pegel entspricht. Entsprechend verringert das Fehlerfilter 411 einen Pegel des Fehlersignals V2_ERR, wenn der Spannungspegel der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT den durch das Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF} definierten Spannungspegel übersteigt, um so die Amplitude des Eingangsstromreferenzsignals I_{IN_REF} zu reduzieren und einem weiteren Anstieg der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT entgegenzuwirken.
Der optionale Dividierer 413 kann bei solchen Anwendungen verwendet werden, bei denen die Amplitude der Eingangsspannung V_IN variieren kann.
Der Dividierer 413 funktioniert gemäß dem Feed-Forward-Prinzip und hilft, die Amplitude des Eingangsstroms I_IN durch Reduzieren der Amplitude des Eingangsstromreferenzsignals I_{IN_REF} zu reduzieren, wenn die Amplitude der Eingangsspannung V_IN ansteigt. Auf diese Weise ist die durchschnittliche Eingangsleistung, welche die durchschnittliche Eingangsleistung über eine Periode der Eingangsspannung V_IN ist, im Wesentlichen unabhängig von der Amplitude der Eingangsspannung V_IN und ist im Wesentlichen definiert durch das Fehlersignal V2_ERR und das Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF}.
Bezug nehmen auf 14 umfasst der Modulationsindexcontroller 42 ein erstes Filter 422, das das Eingangsstromsignal I_{IN_M} erhält. Ein Subtrahierer 421 erhält das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} und das Filterausgangssignal 422. Dieser Subtrahierer 421 subtrahiert den momentanen Signalpegel des Filterausgangssignals I_{IN_F} von dem momentanen Pegel des Eingangsstromreferenzsignals I_{IN_REF}. Ein Ausgangssignal I_{IN_ERR} des Subtrahierers 421 repräsentiert einen Stromfehler. Das heißt, der Subtrahierer gibt ein Signal I_{IN_ERR} aus, das eine momentane Differenz zwischen dem gewünschten Eingangsstrompegel und dem tatsächlichen Eingangsstrompegel repräsentiert. Ein zweites Filter 423 erhält dieses Stromfehlersignal I_{IN_ERR} und liefert den Modulationsindex m. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzt das erste Filter 422 eine Tiefpasscharakteristik. Das zweite Filter 423 kann eine von einer P-, PI- und einer PID-Charakteristik besitzen.
Es kann gezeigt werden, dass der Modulationsindex m auch ein periodisches Signal, im Wesentlichen mit derselben Frequenz wie die Eingangsspannung V_IN ist, wenn die Eingangsspannung V_IN eine periodische Spannung ist, wie beispielsweise eine gleichgerichtete Sinusspannung mit einer Frequenz von 100 Hz oder 120 Hz. 15 veranschaulicht schematisch die Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_IN und dem Modulationsindex m. Da Bezug nehmend auf 14 das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} durch Multiplizieren des Eingangsspannungssignals V_{IN_M} mit einem der Signale C oder A, die von der Gesamt-Zwischenkreisspannung abhängig sind, erhalten wird, repräsentiert der in 15 gezeigte Signalverlauf, der die Eingangsspannung V_IN repräsentiert, auch das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} (wenn angenommen wird, dass der Spannungspegel der Gesamt-Zwischenkreisspannung V_TOT sich während der in 15 veranschaulichten Zeitdauer nicht ändert). Bezug nehmend auf 15 kann eine Phasenverschiebung Φ zwischen der Eingangsspannung V_IN beziehungsweise dem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} einerseits und dem Modulationsindex m andererseits vorhanden sein. Diese Phasendifferenz Φ, die höchstens einige Grad beträgt, kann basierend auf der Differenz zwischen dem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} und dem gefilterten Eingangsstromsignal I_{IN_F} und auf der Spannung V15 über der Spule 15 (vergleiche 11) variieren. Außerdem kann gezeigt werden, dass eine Amplitude des variierenden Modulationsindex m abhängig ist von der Amplitude der Eingangsspannung V_IN, wobei die Amplitude des Modulationsindex m zunimmt, wenn die Amplitude der Eingangsspannung V_IN zunimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Hauptcontroller 4 dazu ausgebildet, den Modulationsindex m als normiertes Signal mit einem Wert zwischen 0 und 1 zu erzeugen, wobei der Modulationsindex m eine Amplitude von 1 nur in solchen Fällen besitzt, in denen eine Amplitude der Eingangsspannung V_IN der Gesamt-Zwischenkreisspannung V_TOT entspricht.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Controllers 14 in der in 12 dargestellten Wandlerzelle 1 ₁. Jeder der Controller (in 12 nicht dargestellt) in den anderen Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1 kann gemäß dem in 16 dargestellten Controller 14 realisiert sein. Bezug nehmend auf 16 ist der Controller 14 dazu ausgebildet, einen Duty-Cycle d₁ basierend auf dem von dem Zellencontroller 42 erhaltenen Modulationsindex m₁ zu erzeugen. Bei dem in 16 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Berechnen des Duty-Cycles das Berechnen des Duty-Cycles d wie folgt: d₁ = 1 – m₁ (8).
Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass jede der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 denselben Modulationsindex m von dem Hauptcontroller enthält, so dass in dem Controller jeder der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 der selbe Duty-Cycle d = 1 – m berechnet wird.
Wie der Modulationsindex m₁ kann der Duty-Cycle d₁ zwischen 0 und 1 variieren. Wie der Modulationsindex m₁ kann der Duty-Cycle d₁ zeitlich variieren und kann zwischen 0 und 1 variieren. Ein PWM-Controller 142 erhält den Duty-Cycle oder, genauer, ein Signal, das den Duty-Cycle d₁ repräsentiert, und erzeugt das Ansteuersignal S12_L für den Low-Side-Schalter 12 _L und, optional, das Ansteuersignal S12_H für den High-Side-Schalter 12 _H basierend auf dem Duty-Cycle d₁.
Eine Betriebsweise des in 16 dargestellten PWM-Controllers 142 wird anhand von 17 erläutert, in der Zeitdiagramme des durch den Low-Side-Schalter 12 _L erhaltenen Ansteuersignals S12_L und des durch den High-Side-Schalter 12 _H erhaltenen Ansteuersignals S12_H dargestellt sind. Jedes dieser Ansteuersignale S12_L, S12_H kann einen Ein-Pegel, der den jeweiligen Schalter einschaltet, und einen Aus-Pegel, der den jeweiligen Schalter ausschaltet, annehmen. Lediglich zum Zweck der Erläuterung ist in 17 ein Ein-Pegel als ein hoher Signalpegel und ein Aus-Pegel als ein niedriger Signalpegel gezeichnet.
Bezug nehmend auf 17 ist der PWM-Controller 142 dazu ausgebildet, den Low-Side-Schalter 12 _L zyklisch einzuschalten. Der PWM-Controller 142 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, den Low-Side-Schalter 12 _L periodisch einzuschalten. In 17 bezeichnet Tp die Dauer eines Ansteuerzyklus des Low-Side-Schalters 12 _L. Die Zeitperiode Tp ist durch eine Schaltfrequenz fp, mit Tp = 1/fp, definiert. Die Schaltfrequenz fp ist beispielsweise eine Frequenz, die aus einem Frequenzbereich zwischen 18 kHz und einigen 100 kHz ausgewählt ist. In 17 bezeichnet Ton eine Ein-Zeit des Low-Side-Schalters 12 _L, welches eine Zeitperiode innerhalb eines Ansteuerzyklus ist, in der der Low-Side-Schalter 12 _L eingeschaltet ist. Der Duty-Cycle d₁ definiert die Dauer dieser Ein-Zeit relativ zu der Dauer Tp eines Ansteuerzyklus, wobei d₁ = Ton/Tp (9).
Damit nimmt die Ein-Zeit relativ zu der Zeitdauer Tp eines Ansteuerzyklus zu, wenn der Duty-Cycle d₁ zunimmt, und umgekehrt.
Bezug nehmend auf 17 kann der PWM-Controller 142 den High-Side-Schalter 12 _H komplementär zum Ein- und Ausschalten des Low-Side-Schalters 12 _L ein- und ausschalten. Das heißt, der PWM-Controller 142 kann dazu ausgebildet sein, den High-Side-Schalter 12 _H einzuschalten, wenn der Low-Side-Schalter 12 _L ausgeschaltet wird, und umgekehrt. Zwischen dem Ausschalten des Low-Side-Schalters 12 _L und dem Einschalten des High-Side-Schalters 12 _H und zwischen dem Ausschalten des High-Side-Schalters R_H und dem Wiedereinschalten des Low-Side-Schalters kann eine Verzögerungszeit vorhanden sein. Allerdings sind solche Verzögerungszeiten in 17 nicht dargestellt. Während solcher Verzögerungszeiten leitet das Gleichrichterelement des High-Side-Schalters 12 _H. Wenn der High-Side-Schalter 12 _H durch ein Gleichrichterelement ersetzt wird, leitet das Gleichrichterelement "automatisch", wenn der Low-Side-Schalter 12 _L im Aus-Zustand ist.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel des PWM-Controllers 142 in dem in 16 dargestellten Controller 14. Bezug nehmend auf 18 kann der PWM-Controller 142 einen Taktgenerator 143 umfassen, der ein erstes Taktsignal CLK1 erzeugt. Eine Frequenz dieses ersten Taktsignals CLK1 kann höher sein, als die Schaltfrequenz fp. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt die Frequenz des ersten Taktsignals CLK1 wenigstens einige MHz. Ein Frequenzteiler 144, der mit einem Zähler oder ähnlichem realisiert sein kann, erhält das erste Taktsignal CLK1 und erzeugt ein zweites Taktsignal CLK2. Das zweite Taktsignal CLK2 definiert die Schaltfrequenz fp. Dieses zweite Taktsignal CLK2 ist in 17 ebenfalls veranschaulicht. Bezug nehmend auf 17 kann das Ansteuersignal S12_L des Low-Side-Schalters 12 _L jedes Mal dann einen Ein-Pegel annehmen, wenn ein Signalimpuls des zweiten Taktsignals CLK2 auftritt. Ein Latch, wie beispielsweise ein RS-Flip-Flop 145 kann das zweite Taktsignal CLK2 an einem Setzeingang S erhalten. Ein Eingang eines ersten Treibers 146 ist an einen nicht-invertierenden ersten Ausgang Q des Flip-Flops 145 gekoppelt und erzeugt das Ansteuersignal S12_L des Low-Side-Schalters 12 _L basierend auf dem Ausgangssignal an dem ersten Ausgang Q des Flip-Flops 145. Ein optionaler zweiter Treiber 147 erzeugt das Ansteuersignal S12_H des High-Side-Schalters 12 _H basierend auf einem Ausgangssignal an einem zweiten invertierenden Ausgang Q' des Flip-Flops 145. Um die Ein-Zeit Ton des Low-Side-Schalters 12 _L einzustellen, erhält ein Timer 148 das zweite Taktsignal CLK2, das Duty-Cycle-Signal d und das erste Taktsignal CLK1. Der Timer 145 ist dazu ausgebildet, das Flip-Flop 145 zurückzusetzen, um zu bewirken, dass das Ansteuersignal S12_L den Aus-Pegel zu einer vordefinierten Zeitdauer nach einem Signalimpuls des zweiten Taktsignals CLK2 annimmt, wobei diese Zeitdauer durch den Duty-Cycle d definiert ist.
Es sei erwähnt, dass 18 nur eine von mehreren möglichen Realisierungen des PWM-Controllers 142 zeigt. Selbstverständlich ist die Realisierung des PWM-Controllers 142 nicht auf das spezielle in 18 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Es kann gezeigt werden, dass der wie zuvor erläutert erzeugt Modulationsindex annähernd dem Folgenden entspricht: m = V_IN/V2_TOT (10), wobei V_IN den momentanen Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN und V2_TOT die (gewünschte) Gesamt-Zwischenkreisspannung repräsentiert. Dies ist jedoch nur eine Annäherung. Bezug nehmend auf das, was oben im Zusammenhang mit den 13 und 14 ausgeführt ist, ist der Modulationsindex m nicht nur abhängig von der Eingangsspannung V_IN, sondern kann außerdem basierend auf der Differenz zwischen dem Strompegel des Eingangsstroms I_IN und dem Referenzeingangsstrom I_{IN_REF} variieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erhalten der Controller 14 in der ersten Wandlerzelle 1 ₁ und die entsprechenden Controller in den anderen Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1 denselben Modulationsindex m von dem Hauptcontroller 4, und die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 werden zeitversetzt (engl.: interleaved) betrieben. Dies wird anhand der 19A und 19B erläutert. Die 19A und 19B zeigen Zeitdiagramme des Ansteuersignals S12_L des Low-Side-Schalters 12 _L in der ersten Wandlerzelle 1 ₁ und Zeitdiagramme der Ansteuersignale S12_L2–S12_LN1 der entsprechenden Low-Side-Schalter in den anderen Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1. In den 19A und 19B sind diese Ansteuersignale S12_L-S12_LN1 bei zwei verschiedenen Duty-Cycles d dargestellt, nämlich d = 0,625 in 19A und d = 0,125 in 19B. Das zeitversetzte Betreiben der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 bedeutet, dass die Ansteuerzyklen der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit einem Zeitversatz Tp/N1 beginnen. Hier, ebenso wie bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen, bezeichnet N1 die Anzahl der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1. Wenn beispielsweise N1 = 4, ist der Zeitversatz Tp/4, wie in den 19A und 19B dargestellt. Beispielsweise gibt es eine Verzögerungszeit von Tp/4 zwischen dem Beginn der Ein-Zeit des Ansteuersignals S12_L in der Wandlerzelle 1 ₁ und dem Beginn der Ein-Zeit des Ansteuersignals S12_L2 in der Wandlerzelle 1 ₂, gibt es eine Verzögerungszeit Tp/4 zwischen dem Beginn der Ein-Zeit des Ansteuersignals S12_L2 in der Wandlerzelle 1 ₂ und dem Beginn der Ein-Zeit des Ansteuersignals S12_L3 in der Wandlerzelle 1 ₃ und gibt es eine Verzögerungszeit Tp/4 zwischen dem Beginn der Ein-Zeit des Ansteuersignals S12_L3 in der Wandlerzelle 1 ₃ und dem Beginn der Ein-Zeit des Ansteuersignals S12_LN1 in der Wandlerzelle 1 ₁. Das zeitversetzte Betreiben der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 führt zu einer Gesamt-Schaltfrequenz von N1·fp. Diese höhere Gesamt-Schaltfrequenz kann helfen, eine Welligkeit (engl.: ripples) des Eingangsstroms I_IN zu reduzieren, die aus dem getakteten Betrieb des ersten Leistungswandlers 10 oder, genauer, aus einem getakteten Betrieb der einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 resultieren können.
Bezug nehmend auf 12 und die zugehörige Beschreibung kann ein Strompegel des Eingangsstroms I_IN eingestellt werden durch Modulieren einer Spannung V15 über der Spule 15. Der Spannungspegel dieser Spannung V15 ist abhängig von dem Momentanwert der Eingangsspannung V_IN, den Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 und den Betriebszuständen der einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1. Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass die einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 im Wesentlichen gleich sind und dass die Anzahl N2 der Zwischenkreiskondensatoren gleich der Anzahl N1 der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 ist (N1 = N2). In diesem Fall ist jede der Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 gleich V2_TOT/N1. Außerdem sei angenommen, dass jede Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 einen Ein-Zustand, welches ein Betriebszustand ist, in dem der jeweilige Low-Side-Schalter 12 _L eingeschaltet ist, und einen Aus-Zustand, in dem der jeweilige Low-Side-Schalter 12 _L ausgeschaltet ist, annehmen kann. Damit repräsentieren in den in den 19A und 19B gezeigten Zeitdiagrammen die Ein-Zeiten der Ansteuersignale 12 _L–12 _LN1 der Low-Side-Schalter die Ein-Zeiten der einzelnen ersten Wandlerzellen.
Unter der Annahme, dass elektrische Widerstände der einzelnen Low-Side-Schalter (von denen in 12 nur der Low-Side-Schalter 12 _L der ersten Wandlerzelle 1 ₁ gezeigt ist) in den ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 vernachlässigt werden können, ist die Zelleneingangsspannung V1₁–V1_N1 am Zelleneingang der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 Null, wenn die Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 im Ein-Zustand ist, und gleicht der Zwischenkreisspannung (V2_TOT/N1) der jeweiligen Wandlerzelle, wenn die Wandlerzelle im Aus-Zustand ist. Die Spulenspannung V15 ist gegeben durch V15 = V_IN – V1_TOT (11), wobei V1_TOT die Gesamtspannung an den Zelleneingängen der einzelnen ersten Wandlerzellen repräsentiert, das heißt
Wenn jede der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 eine Spule umfasst (nicht dargestellt) sind die Zelleneingangsspannungen V1₁–V1_N1 die Spannungen über den einzelnen Low-Side-Schaltern. V15 ist dann die Gesamtspannung über den mehreren Spulen.
Das Betreiben (Ansteuern) der einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 basierend auf dem Modulationsindex m, wie zuvor anhand der 13–19B erläutert, bewirkt, dass die Spulenspannung V15 im Wesentlichen zwischen V_IN – (k·V2_TOT/N1) und V_IN – ((k + 1)·V2_TOT/N1) variiert, wobei k abhängig ist von dem Modulationsindex m und gleich der Anzahl der ersten Wandlerzellen ist, die zur selben Zeit im Aus-Zustand sind. k kann erhalten werden durch
wobei Round[.] eine mathematische Funktion ist, die das Ergebnis der Operation in den eckigen Klammern auf die nächstniedrigere ganze Zahl rundet, V_IN der momentane Pegel der Eingangsspannung V_IN ist und m der Modulationsindex ist. Wenn beispielsweise der momentane Pegel der Eingangsspannung V_IN unterhalb des Pegels einer Zwischenkreisspannung (V2_TOT/N1) ist, dann ist k = 0, so dass die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT zwischen 0 und V2_TOT/N1 variiert, bis die Eingangsspannung V_IN V2_TOT/N1 erreicht. Auf diese Weise "folgt" die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT dem Momentanwert der Eingangsspannung V_IN. Mit anderen Worten: Die Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 erzeugen (modulieren) die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT derart, dass die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT der Eingangsspannung V_IN "folgt". Auf diese Weise kann die Spannung V15 über der Spule 15 geregelt werden. Dies ist nachfolgend anhand der 12 und 19A erläutert.
Bei dem in 19A dargestellten Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit einem Duty-Cycle von d = 0,625 betrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Modulationsindex m 0,375, was anzeigt, dass der Momentanwert der Eingangsspannung V_IN im Vergleich zu der (gewünschten) Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT relativ niedrig ist. Bezug nehmend auf die obige Gleichung ist k = 1, wenn m = 0,375 und wenn N1 = 4 Wandlerzellen vorhanden sind (k = Round[0.375·4] = Round[1.5] = 1), so dass bei n = 0,375 die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT zwischen V2_TOT/N1 und 2·V2_TOT/N1 variiert. Das heißt, entweder eine oder zwei Wandlerzellen sind zum selben Zeitpunkt im Aus-Zustand bzw. entweder drei oder zwei Wandlerzellen sind zum selben Zeitpunkt im Aus-Zustand. Wenn drei erste Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 im Ein-Zustand sind, ist die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT(N1 – 3)·V2_TOT/N1. Das heißt, bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel mit N1 = 4 ist die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT V2_TOT/N1. Wenn zwei der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 im Ein-Zustand betrieben werden, ist die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT(N1 – 2)·V2_TOT/N1. Die Spulenspannung V15 ist in diesen zwei Fällen V15 = V_IN – (N1 – 3)·V2_TOT/N1 (14A) V15 = V_IN – (N1 – 2)·V2_TOT/N1 (14B).
Ein Modulationsindex von m = 0,375 zeigt an, dass der Momentanwert der Eingangsspannung V_IN im Wesentlichen 0,375·V2_TOT entspricht, so dass die Spulenspannung V15 positiv ist, wenn drei der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 im Ein-Zustand sind, und negativ ist, wenn zwei der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 im Ein-Zustand sind. Damit nimmt im ersten Fall der Spulenstrom I_IN zu, während er im zweiten Fall abnimmt. In solchen Zeitperioden, in denen die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT geringer ist als der Momentanwert der Eingangsspannung V_IN, wird Energie induktiv in der Spule 15 gespeichert, und in solchen Zeitperioden, in denen der Momentanspannungspegel der Eingangsspannung V_IN unterhalb der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT ist, wird die in der Spule 15 gespeicherte Energie an die Zwischenkreiskondensatoren solcher erster Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 übertragen, die im Aus-Zustand sind. Da jede der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 in einem Ansteuerzyklus ein- und ausgeschaltet werden, werden die Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 der einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 gleich geladen, wenn die einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 vom Hauptcontroller 4 denselben Modulationsindex m erhalten.
Bezug nehmend auf das in 19B dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht ein Duty-Cycle von d = 0,125 einem Modulationsindex von m = 0,875. In diesem Fall ist der Momentanspannungspegel der Eingangsspannung V_IN nahe der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT. Bei m = 0,875 und N = 4 ist k = 3, so dass drei oder vier Wandlerzellen zum selben Zeitpunkt im Aus-Zustand sind. Entsprechend variiert die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT zwischen (N1 – 1)·V2_TOT/N1, wenn drei der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 im Aus-Zustand sind (nur eine ist im Ein-Zustand), und V2_TOT, wenn jede der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 im Aus-Zustand ist (keine ist im Ein-Zustand).
20 veranschaulicht schematisch eine Periode der Eingangsspannung V_IN und der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT während dieser einen Periode der Eingangsspannung V_IN. Das in 20 dargestellte Ausführungsbeispiel basiert auf dem ersten Leistungswandler 10 mit N1 = 4 ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 und N2 = 4 Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2. Wie anhand von 20 ersichtlich ist, schaltet die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT abhängig von dem Momentanspannungspegel der Eingangsspannung V_IN zwischen zwei Spannungspegeln. Der Unterschied zwischen diesen zwei Spannungspegeln ist im Wesentlichen V2_TOT/N1. In 20 markieren die gestrichelten Linien solche Momentanspannungspegel der Eingangsspannung V_IN, bei denen sich die zwei Pegel ändern, zwischen denen die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT umschaltet. Die Duty-Cycles d und die Modulationsindizes m, die dem durch die gestrichelten Linien markierten Momentanspannungspegel der Eingangsspannung V_IN zugeordnet sind, sind in 20 ebenfalls dargestellt. Es sei erwähnt, dass der in 20 dargestellte Signalverlauf der Gesamt-Zwischenkreisspannung durch Betreiben der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit demselben (oder im Wesentlichen demselben) Modulationsindex m erhalten werden kann. Bezug nehmend auf die unten stehende Erläuterung ist es allerdings auch möglich, die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit unterschiedlichen Modulationsindizes zu betreiben und einen Signalverlauf zu erhalten, wie er in 20 dargestellt ist.
21 zeigt ein Beispiel, wie der Controller 14 in der ersten Wandlerzelle 1 ₁ und entsprechende Controller in den anderen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 synchronisiert werden können, damit die Controller die einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 wie anhand der 19A und 19B erläutert zeitversetzt betreiben. In 21 bezeichnet das Bezugszeichen 14 den Controller in der ersten Wandlerzelle 1 ₁, wie dies in 12 dargestellt ist, und die Bezugszeichen 14 ₂–14 _N1 bezeichnen entsprechende Controller in den anderen ersten Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1. Bei den in den 19A und 19B dargestellten Ausführungsbeispielen beginnen die Ansteuerzyklen der einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 in einer vordefinierten Reihenfolge. In diesem Fall können die einzelnen Controller, wie in 21 gezeigt, synchronisiert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel leitet der Controller 14 der ersten Wandlerzelle 1 ₁ das zweite Taktsignal CLK2 (welches in der ersten Wandlerzelle 1 ₁ dazu verwendet wird, den Beginn der Ein-Zeit zu definieren) an den Controller 14 ₂ der ersten Wandlerzelle 1 ₂ weiter, die Bezug nehmend auf die 19A und 19B als nächstes an der Reihe ist, den zugehörigen Ansteuerzyklus zu beginnen. Der Controller 14 ₂ leitet sein zweites Taktsignal CLK22 (welches in der ersten Wandlerzelle 1 ₂ dazu verwendet wird, den Beginn der Ein-Zeit zu definieren) an den Controller 14 ₃ weiter, welcher sein zweites Taktsignal CLK23 (welches in der ersten Wandlerzelle 1 ₃ dazu verwendet wird, den Beginn der Ein-Zeit zu definieren) an den Controller 14 _N1 weiterleitet. Die zweiten Taktsignale CLK2–CLK2₃ werden von einem Controller zu dem anderen Controller über Isolationsbarrieren 16 ₁–16 ₃ übertragen, die Transformatoren, Optokoppler, oder ähnliche umfassen können und die die Controller 14–14 _N1 galvanisch isolieren.
Wenn die einzelnen Controller 14 ₁–14 _N1 wie in 21 dargestellt, synchronisiert werden, kann der Controller 14 der ersten Wandlerzelle 1 ₁ wie anhand der 16 und 18 erläutert, realisiert werden. Die PWM-Controller 142 in den anderen Controllern 14 ₂–14 _N1 können wie in 22 dargestellt, realisiert werden. Der in 22 dargestellte PWM-Controller 142 ist eine Modifikation des in 18 dargestellten PWM-Controllers 142. Der in 22 dargestellte PWM-Controller unterscheidet sich von dem in 18 dargestellten dadurch, dass anstelle des Frequenzteilers 144 ein weiteres Verzögerungselement 149 vorhanden ist, welches das zweite Taktsignal CLK2_i-1 von einem anderen Controller erhält und das zweite Taktsignal CLK2_i basierend auf dem erhaltenen zweiten Taktsignal CLK2_i-1 und den gewünschten Zeitversatz (Tp/4 in den 19A und 19B) zwischen den Ansteuerzyklen der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 erzeugt. In 22 bezeichnet CLK2_i-1 das durch den jeweiligen Controller erhaltene zweite Taktsignal. Wenn beispielsweise der in 22 dargestellte PWM-Controller der PWM-Controller des in 21 dargestellten Controllers 14 ₁ ist, dann ist CLK2_i-1 das von dem Controller 14 ₂ erhaltene Taktsignal CLK2 und CLK22 ist das in der Wandlerzelle 1 ₂ verwendete Steuersignal, um den Beginn und das Ende der Ein-Zeit zu steuern.
Der zuvor erläuterte zeitversetzte Betrieb der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1, bei dem die einzelnen Wandlerzellen mit demselben Duty-Cycle betrieben werden, ist nur eine Möglichkeit zum Betreiben der in Reihe geschalteten ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird jede der Wandlerzellen derart pulsweitenmoduliert (PWM) (bei der Schaltfrequenz fp) betrieben, dass jede Wandlerzelle in jedem Ansteuerzyklus für eine bestimmte Zeitperiode im Ein-Zustand und für eine bestimmte Zeitperiode im Aus-Zustand ist. Das heißt, die einzelnen Wandlerzellen werden bei derselben Betriebsart betrieben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in einem Ansteuerzyklus nur eine der ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 pulsweitenmoduliert basierend auf dem Modulationsindex betrieben, während die anderen ersten Wandlerzellen entweder im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand während der gesamten Dauer eines Ansteuerzyklus sind. Damit wird jede der Wandlerzellen in einer von drei unterschiedlichen Betriebsarten betrieben, dem PWM-Betrieb, dem Ein-Zustand (Ein-Betrieb) und dem Aus-Zustand (Aus-Betrieb). Ein Ein-Zustand einer Wandlerzelle während eines Ansteuerzyklus entspricht einem Duty-Cycle von 1 (und einem Modulationsindex von 0), der zugehörigen Wandlerzelle, und ein Aus-Zustand einer Wandlerzelle während eines Ansteuerzyklus entspricht einem Duty-Cycle von 0 (und einem Modulationsindex von 1) der zugehörigen Wandlerzelle. Das heißt, das Betreiben einer Wandlerzelle pulsweitenmoduliert und das Betreiben der anderen Zellen entweder im Ein-Zustand oder im Aus- Zustand entspricht dem Betreiben der einzelnen Wandlerzellen bei unterschiedlichen Duty-Cycles beziehungsweise Modulationsindizes. Allgemein sind die Modulationsindizes m₁–m_N1 der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 so gewählt, dass
wobei N1 = N2, V_IN der Momentanpegel der Eingangsspannung V_IN ist, m_i der Modulationsindex einer Wandlerzelle ist, V2_i die zugehörige Zwischenkreisspannung ist, m der Gesamt-Modulationsindex des Leistungswandlers ist und V2_TOT der Spannungspegel der Gesamt-Zwischenkreisspannung ist. Wenn die einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 im Wesentlichen gleich und gleich V2_TOT/N1 sind, dann gilt
Das Betreiben der einzelnen Wandlerzellen bei unterschiedlichen Modulationsindizes wird anhand von 23 erläutert. 23 zeigt Zeitdiagramme der Ansteuersignale S12_L–S12_LN1 der Low-Side-Schalter in den einzelnen ersten Wandlerzellen, wobei die Signalpegel der Ansteuersignale S12_L–S12_LN1 wie oben erläutert den Betriebszustand der einzelnen ersten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 repräsentieren.
Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass m = 0.625 und N1 = 4. Da 4·0,625 = 2,5 = 1 + 1 + 0 + 0,5, kann ein Gesamt-Modulationsindex von m = 0,625 des Leistungswandlers 10 erhalten werden durch Betreiben von zwei Wandlerzellen bei einem Modulationsindex von 1 (bei einem Duty-Cycle von 0), einer Wandlerzelle bei einem Modulationsindex von 0 (bei einem Duty-Cycle von 1) und einer Wandlerzelle bei einem Modulationsindex von 0,5 (bei einem Duty-Cycle von 0,5). Dies ist in 23 veranschaulicht. In einem in 23 dargestellten ersten Ansteuerzyklus gilt m₁ = 0,5, m₂ = m₃ = 1 und m_N1 = 0, das heißt, die Wandlerzelle wird pulsweitenmoduliert bei einem Duty-Cycle von d₁ = 0.5 (= 1 – m₁ = 1 – 0.5) betrieben, Wandlerzellen 1 ₂ und 1 ₃ sind im Aus-Zustand und Wandlerzelle 1 _N1 ist im Ein-Zustand. In einem nächsten Ansteuerzyklus können die Modulationsindizes 1, 1, 0 und 0,5 den Wandlerzellen auf andere Weise zugeordnet werden (wie in 23 dargestellt). Es ist jedoch auch möglich, jede der Wandlerzellen mit demselben Modulationsindex für mehrere Ansteuerzyklen zu betreiben.
Der Gesamt-Duty-Cycle des ersten Leistungswandlers 10, wie beispielsweise der Duty-Cycle d = 0,375 in 23, bezeichnet den durchschnittlichen Duty-Cycle jeder der ersten Wandlerzellen, das heißt
wobei d_i den jeweiligen Duty-Cycle jeder ersten Wandlerzelle bezeichnet. Bei den in den 19A und 19B dargestellten Ausführungsbeispielen haben die einzelnen Wandlerzellen denselben Duty-Cycle und denselben Modulationsindex, welches der Gesamt-Duty-Cycle beziehungsweise der Gesamt-Modulationsindex ist.
24 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wandlerzelle 1 _i, die in einem Multizellenwandler mit IS-Topologie der in 12 dargestellten Art verwendet werden kann, wenn der Multizellenwandler eine sinusförmige Spannung als Eingangsspannung V_IN erhält. Das heißt, jede der in 12 dargestellten Wandlerzellen kann durch eine Wandlerzelle der in 24 dargestellten Art ersetzt werden. In 24 bezeichnet V1_I die Zelleneingangsspannung, V2_i bezeichnet die Zwischenkreisspannung des zugehörigen Zwischenkreiskondensators 11 _i, i1_i bezeichnet den Zellenausgangsstrom (welches der Strom in den Schaltungsknoten ist, an den der Zwischenkreiskondensator 11 _i angeschlossen ist).
Bezugnehmend auf 24 umfasst die Wandlerzelle 1 _i eine Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken 17, 18. Jede Halbbrücke 17, 18 umfasst einen High-Side-Schalter 17 _H, 18 _H und einen Low-Side-Schalter 17 _L, 18 _L. Laststrecken des High-Side-Schalters 17 _H, 18 _H und des Low-Side-Schalters 17 _L, 18 _L jeder Halbbrücke 17, 18 sind in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltungen jeweils parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 11 _I geschaltet sind. Jede Halbbrücke 17, 18 umfasst einen Abgriff, welches ein Schaltungsknoten ist, der den Laststrecken des High-Side-Schalters 17 _H, 18 _H bzw. des Low-Side-Schalters 17 _L, 18 _L der jeweiligen Halbbrücke 17, 18 gemeinsam ist. Ein erster Zelleneingangsknoten der ersten Wandlerzelle 1 _i ist an dem Abgriff der ersten Halbbrücke 17 angeschlossen und ein zweiter Zelleneingangsknoten der ersten Wandlerzelle 1 _i ist an den Abgriff der zweiten Halbbrücke 18 angeschlossen. Die in 24 dargestellte Topologie wird nachfolgend als Vollbrückentopologie bezeichnet.
Ein erster Wandler 10 mit einer IS-Topologie und realisiert mit ersten Wandlerzellen des in 24 dargestellten Typ kann unmittelbar eine von einem Spannungsnetz bereitgestellte sinusförmige Spannung verarbeiten, so dass eine Gleichrichterschaltung 100 (vgl. 11), die Verluste verursachen kann, nicht erforderlich ist. Die Wandlerzelle 1 _i mit der Vollbrückentopologie kann auf verschiedene Arten betrieben werden. Zwei dieser Betriebsarten sind unten anhand der 25A und 25B erläutert. In dieser 25A und 25B sind Zeitdiagramme der Eingangsspannung V_IN während einer Periode der Eingangsspannung V_IN und von Ansteuersignalen S17_H–S18_L der High-Side- und Low-Side-Schalter 17 _H–18 _L schematisch veranschaulicht.
Bezugnehmend auf 25A arbeitet die Wandlerzelle 1 _i während der positiven Halbwelle und der negativen Halbwelle der sinusförmigen Eingangsspannung V_IN unterschiedlich. Allerdings ist innerhalb jeder Halbwelle der Betrieb der Wandlerzelle 1 _i sehr ähnlich zu dem Betrieb einer der in 12 dargestellten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1, die jeweils einen elektronischen Schalter und ein Gleichrichterelement umfassen. Während jeder Halbwelle werden die zwei Schalter einer der zwei Halbbrücken 17, 18 pulsweitenmoduliert betrieben, während die zwei Schalter der anderen der zwei Halbbrücken während der Dauer der Halbwelle in einem vordefinierten Betriebszustand sind. Das heißt, die zwei Schalter der einen Halbbrücke werden mit der oben erläuterten Schaltfrequenz fp geschaltet, während die zwei Schalter der anderen Halbbrücke in einer Halbwelle nur einmal (zu Beginn) geschaltet werden. Während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN ist der High-Side-Schalter 18 _H der zweiten Halbbrücke 18 im Aus-Zustand und der Low-Side-Schalter 18 _L ist im Ein-Zustand. Während dieser positiven Halbwelle arbeitet der Low-Side-Schalter 17 _L der ersten Halbbrücke 17 in einem PWM-Betrieb, wie das Schaltelement 12 in dem in 12 dargestellten Wandler 1 ₁, und der High-Side-Schalter 17 _H der ersten Halbbrücke 17 arbeitet wie der in 12 dargestellte High-Side-Schalter (Gleichrichterelement) 13. Das heißt, der High-Side-Schalter 17 _H arbeitet ebenfalls pulsweitenmoduliert, jedoch komplementär zu dem Low-Side-Schalter 17 _L. Während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung V_IN ist der High-Side-Schalter 17 _H der ersten Halbbrücke 17 im Aus-Zustand und der Low-Side-Schalter 17 _L der ersten Halbbrücke 17 ist im Ein-Zustand. Der Low-Side-Schalter 18 _L der zweiten Halbbrücke 18 wird, wie das Schaltelement 12 des in 12 dargestellten Wandlers 1 ₁, pulsweitenmoduliert betrieben. Der High-Side-Schalter 18 _H arbeitet wie der in 12 dargestellte High-Side-Schalter 13. Das heißt, der High-Side-Schalter arbeitet pulsweitenmoduliert komplementär zu dem Low-Side-Schalter. Durch komplementäres Betreiben der Schalter einer Halbbrücke im PWM-Betrieb sind die zwei Schalter nicht zur selben Zeit eingeschaltet. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die zwei High-Side-Schalter 17 _H, 18 _H durch Gleichrichterelemente, wie beispielsweise Dioden, ersetzt werden.
Bei dem in 25 dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet die erste Halbbrücke 17 in einer Halbwelle (der positiven Halbwelle bei diesem Ausführungsbeispiel) pulsweitenmoduliert, und die zweite Halbbrücke 18 arbeitet in der anderen Halbwelle (der negativen Halbwelle bei diesem Ausführungsbeispiel) pulsweitenmoduliert. Bei einer anderen, anhand von 25B erläuterten Betriebsart arbeitet nur eine der zwei Halbbrücken 17, 18 pulsweitenmoduliert, während die andere Halbbrücke bei der Frequenz der Eingangsspannung V_IN arbeitet, so dass die andere Halbbrücke nur einmal in jeder Halbwelle schaltet. Diese Betriebsart wird nachfolgend als Totem-Pole-Modulation bezeichnet. Die Totem-Pole-Modulation erlaubt es, die im PWM-Betrieb betriebene Halbbrücke hinsichtlich Schaltverlusten zu optimieren und die andere Halbbrücke hinsichtlich Leitungsverlusten zu optimieren. Lediglich zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass die erste Halbbrücke 17 im PWM-Betrieb arbeitet, wobei die Schaltfrequenz 18kHz oder höher sein kann, und dass die zweite Halbbrücke 8 bei der zweifachen Frequenz der Eingangsspannung V_IN arbeitet.
Bezugnehmend auf 25B arbeitet die Wandlerzelle 1 _i während der positiven Halbwelle wie oben anhand von 25A erläutert. Das heißt, der Low-Side-Schalter 17 _L arbeitet pulsweitenmoduliert basierend auf dem Modulationsindex m_i bzw. dem Duty-Cycle d_i(= 1 – ni) der Wandlerzelle 1 _i, und der High-Side-Schalter 17 _H schaltet komplementär. Der High-Side-Schalter 18 _H der zweiten Halbbrücke 18 ist aus und der zugehörige Low-Side-Schalter 18L ist ein. Während der negativen Halbwelle sind die Ansteuermuster der einzelnen Schalter im Verglich zu der positiven Halbwelle "invertiert“. Das heißt, der High-Side-Schalter 17 _H arbeitet pulsweitenmoduliert basierend auf dem Modulationsindex m_i bzw. dem Duty-Cycle d_i der Wandlerzelle 1 _i, und der Low-Side-Schalter 17 _L schaltet komplementär. Der High-Side-Schalter 18 _H der zweiten Halbbrücke 18 ist Ein und der zugehörige Low-Side-Schalter 18 _L ist Aus.
Bezugnehmend auf 24 steuert ein Controller 19 den Betrieb der Halbbrücken 17, 18. Dieser Controller 19 erzeugt die Ansteuersignale S17_H, S17_L, S18_H, S18_L für die einzelnen High-Side- und Low-Side-Schalter 17 _H–18 _L.
Wie der oben zuvor anhand von 12 erläuterte Controller 14 steuert der Controller 19 die einzelnen Schalter 17 _H–18 _L basierend auf dem von dem Hauptcontroller 4 erhaltenen Modulationsindex mi. Der Hauptcontroller 14 kann wie zuvor anhand der 13 und 14 erläutert implementiert werden. Wenn die Eingangsspannung V_IN eine Wechselspannung ist, wie beispielsweise eine in 23 dargestellte Sinusspannung, ist das Modulationsindexsignal m bzw. m_i, das durch den Hauptcontroller erzeugt wird, ein Wechselsignal, das zwischen –1 und +1 variieren kann.
Die 26A und 26B zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines Controllers 19, der dazu ausgebildet ist, die Halbbrücken 17, 18 in der in 24 dargestellten Wandlerzelle 1 _i basierend auf dem Modulationsindex m zu steuern. 26A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Controllers, der dazu ausgebildet ist, die zwei Halbbrücken gemäß dem in 25A dargestellten Modulationsschema zu steuern und 26B zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Controllers, der dazu ausgebildet ist, die zwei Halbbrücken 17, 18 gemäß dem in 25B dargestellten Modulationsschema.
Bezugnehmend auf 26A umfasst der Controller 19 einen ersten PWM-Controller 191, der ein erstes Duty-Cycle-Signal d17 erhält und den High-Side-Schalter 17 _H und den Low-Side-Schalter 17 _L der ersten Halbrücke 17 basierend auf diesem Duty-Cycle d17 ansteuert. Der Controller 19 umfasst außerdem einen zweiten PWM-Controller 192, der ein zweites Duty-Cycle-Signal d18 erhält und dazu ausgebildet ist, den High-Side-Schalter 18 _H und den Low-Side-Schalter 18 _L der zweiten Halbbrücke 18 basierend auf dem zweiten Duty-Cycle d18 anzusteuern. Der Controller 19 ist dazu ausgebildet, die ersten und zweiten Duty-Cycles d17, d18 wie folgt zu erzeugen: d17 = 1 – m_i, wenn m_i > 0 (19A) d17 = 1, wenn m_i ≤ 0 (19B) d18 = 1 + m_i, wenn m_i < 0 (19C) d18 = 1, wenn m_i ≥ 0 (19D).
Damit ist während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN und der positiven Halbwelle des Modulationsindex (der im Wesentlichen in Phase mit der Eingangsspannung V_IN ist) der Low-Side-Schalter 18 _L ein (d18 = 1), der High-Side-Schalter 18 _H ist aus, der Low-Side-Schalter 17 _L der ersten Habbrücke 17 wird ein- und ausgeschaltet, wobei der Duty-Cycle d17 durch den Modulationsindex m_i definiert ist, und der High-Side-Schalter 17 _H wird komplementär zu dem Low-Side-Schalter 17 _L ein- und ausgeschaltet. Während der negativen Halbwelle ist der Low-Side-Schalter 17 _L der ersten Halbbrücke 17 ein (d17 = 1), der High-Side-Schalter 17 _H ist aus, der Low-Side-Schalter 18 _L der zweiten Halbbrücke wird mit dem durch den Modulationsindex m_i definierten Duty-Cycle d18 ein- und ausgeschaltet, und der High-Side-Schalter 18H wird komplementär zu dem Low-Side-Schalter 18L ein- und ausgeschaltet.
Der erste Duty-Cycle d17 kann erzeugt werden durch Multiplizieren des Modulationsindex m_i – 1 durch einen ersten Multiplizierer 193, Addieren von +1 zu dem Ergebnis durch einen den ersten Multiplizierer 193 nachgeschalteten Addierer, und durch Begrenzen des Ausgangssignals des Addierers 194 auf einen Bereich zwischen 0 und +1 durch einen Begrenzer 195. Der erste Duty-Cycle d17 ist am Ausgang des Begrenzers 195 verfügbar. Der zweite Duty-Cycle d18 kann erzeugt werden durch Addieren von eins zu dem Modulationsindex m_i durch einen zweiten Addierer 196, und Begrenzen eines Ausgangssignals des zweiten Addierers 196 auf einen Signalbereich zwischen 0 und 1 durch einen zweiten Begrenzer 197. Der zweite Duty-Cycle d18 ist am Ausgang des zweiten Begrenzers 197 verfügbar.
Der in 26 dargestellte Controller 19 ist dazu ausgebildet, die ersten und zweiten Duty-Cycles d17, d18 wie folgt zu erzeugen: d17 = 1 – m_i, wenn m_i > 0 (20A) d17 = –m_i, wenn m_i ≤ 0 (20B) d18 = 0, wenn m_i < 0 (20C) d18 = 1, wenn m_i ≥ 0 (20D).
Damit ist während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN und der positiven Halbwelle des Modulationsindex (der im Wesentlichen in Phase mit der Eingangsspannung V_IN ist) der Low-Side-Schalter 18 _L ein (d18 = 1), der High-Side-Schalter 18 _H ist aus, der Low-Side-Schalter 17 _L der ersten Halbbrücke 17 wird ein- und ausgeschaltet, wobei der Duty-Cycle d17 durch den Modulationsindex m definiert ist, und der High-Side-Schalter 17 _H wird komplementär zu dem Low-Side-Schalter 17 _L ein- und ausgeschaltet. Während der negativen Halbwelle ist der Low-Side-Schalter 18 _L aus (d18 = 0), der High-Side-Schalter 18H ist ein, der High-Side-Schalter 17 _H der ersten Halbbrücke 17 wird mit dem durch den Modulationsindex m_i definierten Duty-Cycle d17 ein- und ausgeschaltet, und der Low-Side-Schalter 17 _L wird komplementär zu dem High-Side Schalter 17 _H ein- und ausgeschaltet.
Der zweite Duty-Cycle d18 kann erzeugt werden durch einfaches Detektieren der Polarität des Modulationsindex m_i unter Verwendung eines Schwellendetektors 198, der den Modulationsindex mit 0 vergleicht. Der zweite Duty-Cycle d18, der am Ausgang des Schwellendetektors 198 zur Verfügung steht, ist 1, wenn der Duty-Cycle m_i oberhalb von 0 ist, und ist 0, wenn der Modulationsindex m_i unterhalb von 0 ist. Der erste Duty-Cycle kann erhalten werden durch Subtrahieren des Modulationsindex m_i von dem Ausgangssignal des ersten Schwellendetektors, das heißt von dem zweiten Duty-Cycle, unter Verwendung eines Subtrahierers. Das heißt, d17 = 1 – d18 bei diesem Ausführungsbeispiel. Jeder der in den 26A und 26B dargestellten ersten und zweiten PWM-Controller 191, 192 kann wie der zuvor anhand der 18 und 22 erläuterte PWM-Controller 142 realisiert werden. Im Fall des PWM-Controllers 191 entspricht der in 18 dargestellte Duty-Cycle d₁ dem ersten Duty-Cycle d17, das in 18 dargestellte Ansteuersignal S12_L entspricht dem Ansteuersignal S17L des Low-Side-Schalters, und das Ansteuersignal S12_H entspricht dem Ansteuersignal S17H des High-Side-Schalters. Entsprechend entspricht im Fall des zweiten PWM-Controllers 192 der in 18 dargestellte Duty-Cycle d₁ dem zweiten Duty-Cycle d18, das Ansteuersignal S12_L entspricht dem Ansteuersignal S18L des Low-Side-Schalters, und das Ansteuersignal S12_H entspricht dem Ansteuersignal S18H des High-Side-Schalters.
Bezugnehmend auf die voranstehende Erläuterung arbeitet ein erster Leistungswandler 10, der eine Eingangswechselspannung erhält und der erste Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 des anhand der 24–26 erläuterten Typs umfasst, während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN wie der in 12 dargestellte erste Leistungswandler 10, und arbeitet während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung V_IN auf ähnliche Weise, wobei während der negativen Halbwelle die ersten Wandlerzellen die Zwischenkreiskondensatoren, wie beispielsweise den in 24 dargestellten Zwischenkreiskondensator 11 _i derart an den Zelleneingang anschließen, dass die Zelleneingangsspannung, wie beispielsweise die in 24 dargestellte Spannung V1, negativ ist.
Eine Betriebsart des ersten Leistungswandlers 10 während einer Periode der Eingangsspannung V_IN ist in 27 veranschaulicht. Während der positiven Halbwelle ist der Betrieb wie anhand von 20 erläutert. Während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung V_IN variiert die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT zwischen negativen Spannungspegeln, wobei eine Differenz zwischen zwei dieser Spannungspegel gleich V2_TOT/N2 ist. Während der negativen Halbwelle sind das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} und, entsprechend, der Eingangsstrom I_IN negativ. Die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 sind allerdings positiv. Die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 können in der derselben Betriebsart wie anhand der 19A, 19B erläutert oder auf andere Arten, wie anhand von 23 erläutert, arbeiten.
Ein erster Leistungswandler 10 mit einer IS-Topologie ist nicht darauf beschränkt, eine gleichgerichtete Sinusspannung oder eine Sinusspannung als die Eingangsspannung V_IN zu erhalten. Der Leistungswandler 10 könnte auch mit einer Gleichspannung als Eingangsspannung V_IN betrieben werden. In diesem Fall erzeugt der erste Leistungswandler mehrere Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2, die jeweils einen Spannungspegel aufweisen können, der niedriger ist, als ein Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN. Dennoch kann der Pegel der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT höher sein als der Spannungspegel der Eingangsspannung. Der Signalverlauf einer Gleichspannung als Eingangsspannung V_IN ist schematisch in 2C veranschaulicht. Ein Multizellenwandler, der mit in 12 dargestellten Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 realisiert ist, kann eine positive Spannung als Eingangsspannung V_IN erhalten, und ein Multizellenwandler, der mit in 24 dargestellten Wandlerzellen realisiert ist, kann entweder eine positive Spannung oder eine negative Spannung als Eingangsspannung erhalten.
Wenn der erste Leistungswandler 10 nur mit einer Gleichspannung als Eingangsspannung V_IN betrieben wird, kann der Hauptcontroller 4 wie in 28 dargestellt vereinfacht werden. Der in 28 dargestellte Hauptcontroller 4 basiert auf den in 14 dargestellten Hauptcontroller und unterscheidet sich von dem in 14 dargestellten Hauptcontroller dadurch, dass der weitere Multiplizierer 414 weggelassen ist. Das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} entspricht dem Ausgangssignal A des Multiplizierers 412 bzw. dem Ausgangssignal C des optionalen Dividierers 413. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Eingangssignal B des optionalen Dividierers V_{IN_MAX}, welches den Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN bezeichnet.
29 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multizellenwandlers 10, bei dem die Zelleneingänge der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 am Eingang IN1, IN2 des Multizellenwandlers parallel geschaltet sind. Das heißt, ein erster Zelleneingangsknoten jeder Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 ist an den ersten Eingangsknoten IN1 angeschlossen, und ein zweiter Zelleneingangsknoten jeder Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 ist an den zweiten Eingangsknoten IN2 angeschlossen, so dass jede der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 die Eingangsspannung V_IN erhält. Die in 29 dargestellte Topologie des Multizellenwandlers wird nachfolgend als IP-(Input Parallel)Topologie bezeichnet.
Bei dem in 29 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit einer Vollbrückentopologie realisiert, wobei nur die Wandlerzelle 1 ₁ im Detail dargestellt ist. Allerdings kann eine Hochsetzwandler-Topologie, wie sie in 12 dargestellt ist, ebenso verwendet werden. Der in 29 dargestellte Multizellenwandler mit der IP-Topologie unterscheidet sich von dem in 12 dargestellten Multizellenwandler mit der IS-Topologie dadurch, dass bei dem in 29 dargestellten Wandler jede der mehreren Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 eine Spule aufweist. Wie in der Zelle 1 ₁ dargestellt ist, ist die Spule 15 ₁ in jeder Zelle zwischen einen Zelleneingangsknoten, wie beispielsweise den ersten Zelleneingangsknoten, und die Brückenschaltung mit den zwei Halbbrücken 17, 18 geschaltet. Zelleneingangsspannungen V1₁–V1_N1 dieser Wandlerzellen sind die Spannungen zwischen den Abgriffen der Halbbrücken. Dies steht in Übereinstimmung mit der in 24 dargestellten Wandlerzelle 1 _i.
Bei dem in 29 dargestellten Multizellen-Leistungswandler 10 mit der IP-Topologie ist jede erste Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 dazu ausgebildet, ihre Zwischenkreisspannung V2₁–V2_N1 zu steuern (regeln). Hierzu umfasst jede dieser Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 einen Controller, wobei in 29 nur der Controller 4 ₁ der Wandlerzelle 1 ₁ dargestellt ist. Jeder dieser Controller kann gemäß dem in den 13 und 14 dargestellten Hauptcontroller 4 realisiert sein, mit dem Unterschied, dass die Controller in den einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 nicht Signale erhalten, die jede der Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 repräsentieren, sondern nur ein Signal, das die Zwischenkreisspannung der jeweiligen Wandlerzelle repräsentiert, und ein Signal, das den gewünschten Pegel der Wandlerzelle repräsentiert. Ein Ausführungsbeispiel des Controllers 4 ₁ in der Wandlerzelle 1 ₁ ist in 30 dargestellt. Die Controller in den anderen Wandlerzellen können entsprechend realisiert werden.
Der in 30 dargestellte Controller 4 ₁ basiert auf dem in 14 dargestellten Hauptcontroller 4 und unterscheidet sich von dem in 14 dargestellten Hauptcontroller dadurch, dass er den Modulationsindex m₁ nur für eine Wandlerzelle 1 ₁ ausgibt. Außerdem wird dieser Modulationsindex m₁ basierend auf dem Zwischenkreisspannungssignal V21_M der jeweiligen Wandlerzelle, dem Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{1_REF} der jeweiligen Wandlerzelle und optional dem momentanen Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN berechnet. In dem in 30 dargestellten Controller 4 ₁ habe die den Komponenten des in 14 dargestellten Controllers 4 entsprechenden Komponenten dieselben Bezugszeichen, zu welchen ein tiefgestellter Index "1“ hinzugefügt wurde. Hinsichtlich des Betriebs des Controllers 4 ₁ wird auf die Beschreibung der 14 Bezug genommen. Der in 30 dargestellte Multiplizierer 414 ₁ kann weggelassen werden, wenn die Eingangsspannung V_IN des Multizellenwandlers 10 eine Gleichspannung ist. In diesem Fall entspricht das Eingangssignal B des Dividierers V_{IN_MAX}.
Wie anhand der in 29 dargestellten Wandlerzelle 1 ₁ ersichtlich ist, erhält der Schaltercontroller (19 in Zelle 1 ₁) jeder Wandlerzelle 1 ₁–1 _N1 den Modulationsindex (n₁ in der Zelle 1 ₁) von dem zugehörigen Controller (4 ₁ in Zelle 1 ₁) und steuert die Schalter (17 _H–18 _L in Zelle 1 ₁) in der Wandlerzelle basierend auf dem Modulationsindex m₁. Die einzelnen Hauptcontroller 4 ₁ können in den Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 realisiert werden. Im Fall einer digitalen Implementierung des Hauptcontrollers 4 ₁ und des Schaltercontrollers 19 einer Wandlerzelle 1 ₁ können der Hauptcontroller 4 ₁ und der Schalter 19 in einem Signalprozessor implementiert werden.
31 zeigt ein Ausführungsbeispiel der zweiten Wandlerstufe 20 mit einer OP-Topologie, das heißt, einer Topologie bei der die Zellenausgänge der einzelnen Wandlerzellen 2 ₁-2 _N3 am Ausgang OUT1, OUT2 parallel geschaltet sind. In 31 ist nur eine Wandlerzelle, nämlich die Wandlerzelle 2 ₁ im Detail dargestellt. Die anderen Wandlerzellen 2 ₂–2 _N3 können entsprechend realisiert werden.
Die Wandlerzelle 1 ₁ ist mit einer Sperrwandlertopologie realisiert. Das heißt, die Wandlerzelle 2 ₁ umfasst eine Reihenschaltung mit einem elektronischen Schalter 202 und einer Primärwicklung 201 _P eines Transformators 201, wobei diese Reihenschaltung parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 11 ₁ geschaltet ist, um die Zwischenkreisspannung V2₁ zu erhalten. Eine Sekundärwicklung 201 _S ist induktiv mit der Primärwicklung 201 _P gekoppelt. Eine Gleichrichterschaltung 203 ist an die Sekundärwicklung 201 _S gekoppelt und liefert den Zellenausgangsstrom I2₁ an den Zellenausgang bzw. den Ausgang OUT1. Ein PWM(Pulsweitenmodulations)-Controller 204 erhält ein Ausgangsstromsignal I2_{1_M} und das Ausgangsstromreferenzsignal I2_{1_REF}. Das Ausgangsstromsignal I2_{1_M} repräsentiert den momentanen Strompegel (Istwert) des Ausgangsstroms I2₁. Das Ausgangsstromreferenzsignal I2_{1_REF} repräsentiert einen gewünschten Strompegel des Ausgangsstroms I2₁. Dieses Ausgangsstromreferenzsignal I2_{1_REF} kann über der Zeit variieren, da sich der Leistungsverbrauch der Last ändern kann. Bei dieser Topologie sorgt der Transformator 219 für eine galvanische Trennung zwischen dem Zelleneingang und dem Zellenausgang.
Der PWM-Controller 204 ist dazu ausgebildet, ein PWM-Ansteuersignal S202 zu erzeugen, da es den elektronischen Schalter 202 ansteuert. Basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I2_{1_REF} und auf dem Ausgangsstromsignal I2_{1_M} steuert der PWM-Controller 201 einen Duty-Cycle des PWM-Ansteuersignals S202 derart, dass ein Strompegel des Ausgangsstroms I2₁ einen Strompegel besitzt, der wenigstens annäherungsweise gleich dem durch das Referenzsignal I2_{1_REF} definierten Strompegel ist. Die Schaltfrequenz des PWM-Ansteuersignals S202 kann im selben Bereich liegen, wie die oben erläuterte Schaltfrequenz in den Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1, das heißt, zwischen 18kHz und einigen 100kHz. Der Duty-Cycle ist ein Verhältnis zwischen der Ein-Zeit des elektronischen Schalters 202 in einem Ansteuerzyklus und der Dauer des Ansteuerzyklus. Die Ein-Zeit des elektronischen Schalters 202 ist die Zeit, für welche der elektronische Schalter 202 in einem Ansteuerzyklus eingeschaltet ist. Die Dauer eines Ansteuerzyklus des elektronischen Schalters 202 ist der Kehrwert der Schaltfrequenz.
Der elektronische Schalter 202, ebenso wie die anderen zuvor und nachfolgend erläuterten elektronischen Schalter können als herkömmliche elektronische Schalter realisiert sein, wie beispielsweise als MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET (Junction Field-Effect Transistor), Bipolarsperrschichttransistor (BJT, Bipolar Junction Transistor), HEMT (High Electron Mobility Transistor), insbesondere GaN HEMT, oder ähnliches.
32A zeigt eine andere Art einer Wandlerzelle, die in dem in 31 dargestellten Multizellenwandler 20 verwendet werden kann. Die in 32A dargestellte Wandlerzelle 2 _i (wobei i eine beliebige der Nummern 1 bis N3 bezeichnet) ist mit einer Dual Active Bridge-(DAB)-Topologie realisiert. Eine solche Topologie ist beschrieben in den 2a und 2b von Everts, J.; Krismer, F.; Van den Keybus, J.; Driesen, J.; Kolar, J.W., "Comparative evaluation of soft-switching, bidirectional, isolated AC/DC converter topologies," Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, pp.1067–1074, 5–9 Feb. 2012, die hierin vollständig durch Bezugnahme enthalten ist. 32 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wandlerzelle 2 _i, die mit einer "Vollbrücken-Vollbrücken-DAB-Topologie“ implementiert ist, wie sie in Everts et al. beschrieben ist.
Bezugnehmend auf 32A umfasst die Wandlerzelle 2 _i eine erste (Voll-)Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken, die jeweils einen High-Side-Schalter 211, 213 und einen Low-Side-Schalter 212, 214 umfassen. Die Halbbrücken der ersten Brückenschaltung sind zwischen die Zelleneingangsknoten zum Erhalten der jeweiligen Zwischenkreisspannung V2_i geschaltet. Eine Reihenschaltung mit einem induktiven Speicherelement 221 und einer Primärwicklung 219 _p eines Transformators 219 ist zwischen Ausgangsknoten der zwei Halbbrücken 211, 212 bzw. 213, 214 geschaltet. Ein Ausgangsknoten einer Halbbrücke ist ein Schaltungsknoten, der dem High-Side-Schalter 211, 213 und dem Low-Side-Schalter 212, 214 der Halbbrücke gemeinsam ist. Der Transformator 219 sorgt für eine galvanische Isolation zwischen dem Zelleneingang und dem Zellenausgang, wobei der Zellenausgang zwischen den Ausgang OUT1, OUT2 der Leistungswandlerschaltung geschaltet ist. Der Transformator 219 umfasst eine Sekundärwicklung 219 _S, die induktiv mit der Primärwicklung 219 _P gekoppelt ist. Ein weiteres induktives Speicherelement 220, das in 32A parallel zu der Primärwicklung 219 _P gezeichnet ist, repräsentiert die Magnetisierungsinduktivität des Transformators 219.
Eine zweite Brückenschaltung mit zwei Halbbrücken, die jeweils einen High-Side-Schalter 215, 217 und einen Low-Side-Schalter 216, 218 aufweisen, ist zwischen die Sekundärwicklung 219 _S und Zellenausgangsknoten des Zellenausgangs geschaltet. Jede dieser Halbbrücken 215, 216 bzw. 217, 218 umfasst einen Eingang, welcher ein Schaltungsknoten ist, der dem High-Side-Schalter 215, 217 und dem Low-Side-Schalter 216, 218 der jeweiligen Halbbrücke gemeinsam ist. Der Eingang einer ersten Halbbrücke 215, 216 der zweiten Brückenschaltung ist an einen ersten Knoten der Sekundärwicklung 219 _S angeschlossen, und der Eingang einer zweiten Halbbrücke 217, 218 der zweiten Brückenschaltung ist an einen zweiten Knoten der Sekundärwicklung 219 _S angeschlossen. Die Halbbrücken der zweiten Brückenschaltung sind jeweils zwischen die Zellenausgangsknoten geschaltet.
Die Schalter 211–214, 215–218 der ersten und zweiten in 32A dargestellten Brückenschaltungen können jeweils so realisiert sein, dass sie ein Gleichrichterelement (Freilaufelement), wie beispielsweise eine Diode, umfassen, das parallel zu dem Schalter geschaltet ist. Diese Schalter können als bekannte elektronische Schalter realisiert sein, wie beispielsweise als MOSFETs (Metal-Oxide Field-Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors), HEMTs (High-Electron-Mobility Transistors), oder ähnlichem. Wenn die Schalter 211–214, 215–218 jeweils als MOSFET implementiert sind, kann eine interne Bodydiode der MOSFETs als Gleichrichterelement verwendet werden, so dass kein zusätzliches Gleichrichterelement erforderlich ist.
Eine Steuerschaltung 222 steuert den Betrieb der zwei Brückenschaltungen. Hierzu erhält jeder der Schalter 211–214, 215–218 ein eigenes Ansteuersignal von der Steuerschaltung 24. Diese Ansteuersignale sind in 32A als S211–S214 und S215–S218 bezeichnet. Die Steuerschaltung erhält das Ausgangsstromsignal I2_{i_M} und das Ausgangsstromreferenzsignal I2_{i_REF} und ist dazu ausgebildet, die Schalter 211–214, 215–218 derart anzusteuern, dass der Strompegel des Ausgangsstroms OUT im Wesentlichen den durch das Referenzsignal I2_{i_REF} definierten Strompegel entspricht. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Schalter 211–214, 215–218 anzusteuern um dies zu erreichen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Duty-Cycle der einzelnen Schalter 211–214, 215–218 im Bereich von 50% moduliert. Hinsichtlich Details zum Steuern der Schalter wird auf F. Krismer, J. W. Kolar „Closed form solution for minimum conduction loss modulation of DAB converters", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, Issue 1, 2012, Bezug genommen, die durch Bezugnahme hierin vollständig enthalten ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 222 dazu ausgebildet, einen Zeitablauf des Einschaltens und Ausschaltens der einzelnen Schalter 211–214 der ersten Brücke so zu steuern, dass wenigstens einige der Schalter 211–214 eingeschaltet und/oder ausgeschaltet werden, wenn die Spannung über dem jeweiligen Schalter Null ist. Dies ist als Nullspannungsschalten (Zero Voltage Switching ZVS) bekannt.
32B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wandlerzelle 2 _i. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wandlerzelle 2 _i mit einer Tiefsetzwandler-Topologie realisiert. Die Wandlerzelle 2 _i umfasst eine Halbbrücke 241 mit einem High-Side-Schalter 241 _H und einem Low-Side-Schalter 241 _L. Die Halbbrücke 241 ist derart an den Zelleneingang angeschlossen, dass die zugehörige Zwischenkreisspannung V2_i über der Reihenschaltung mit dem High-Side-Schalter 241 _H und dem Low-Side-Schalter 241 _L abfällt. Eine Spule ist zwischen einen Abgriff der Halbbrücke 241 und einen der Zellenausgangsknoten geschaltet. Der Abgriff der Halbbrücke ist ein Schaltungsknoten, an den der High-Side-Schalter 241 _H und der Low-Side-Schalter 241 _L verbunden sind. Ein PWM-Controller 243 erhält das Ausgangsstromsignal I2_{i_M}, welches den Ausgangsstrom I2_i der Wandlerzelle 2 _i repräsentiert und das Ausgangsstromreferenzsignal I2_{i_REF}, welches den gewünschten Strompegel des Zellenausgangsstroms I2_i repräsentiert. Der Zellenausgangsstrom I2_i ist der Strom durch die Spule 242. Der Controller 243 ist dazu ausgebildet, PWM-Ansteuersignale S241_H, S241_L für die High-Side- und die Low-Side-Schalter 241 _H, 241 _L derart zu erzeugen, dass der Ausgangsstrom I2_i einen Strompegel hat, der im Wesentlichen gleich einem durch das Ausgangsstromreferenzsignal I2_{i_REF} repräsentierten Strompegel ist.
Bei der in 32B dargestellten Tiefsetz-Topologie wird der Strompegel des Ausgangsstroms I2_i durch Steuern des Duty-Cycle des High-Side-Schalters 241 _H gesteuert. Der Low-Side-Schalter wirkt als Freilaufelement, das komplementär zu dem High-Side-Schalter 241 _H schaltet.
Es sei erwähnt, dass die in den 31 und 32A–32B dargestellten Topologien der Wandlerzellen nur zwei von vielen möglichen Beispielen sind, wie die Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 realisiert werden können. Die in den 31 und 32A dargestellten Topologien umfassen jeweils einen Transformator 201 bzw. 219, der für eine galvanische Isolation zwischen den Zelleneingängen und den Zellenausgängen sorgt. Damit bewirken diese Transformatoren auch eine galvanische Isolation zwischen dem Eingang IN1, IN2 und dem Ausgang OUT1, OUT2 einer Leistungswandlerschaltung, die mit einem Multizellenwandler 20, wie er in 31 dargestellt ist, realisiert ist. Allerdings sind mögliche Realisierungen der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 nicht auf Topologien beschränkt, die einen Transformator aufweisen und die als isolierte Topologien bezeichnet werden können. Stattdessen können auch nicht-isolierte Topologien verwendet werden, welches Topologien ohne eine galvanische Isolation zwischen dem Zelleneingang und dem Zellenausgang sind. Ein Beispiel einer solchen nicht-isolierten Topologie ist die in 32B dargestellte Tiefsetzwandler-Topologie.
Bezugnehmend auf 31 umfasst der Multizellenwandler 20 einen Hauptcontroller 3, der die Ausgangsstromreferenzsignale I2_{1_REF}–I2N_{3_REF} erzeugt, die durch die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 erhalten werden. Ein Ausführungsbeispiel dieses Hauptcontrollers ist in 33 dargestellt. Der in 33 dargestellte Hauptcontroller 33 umfasst einen Ausgangsspannungscontroller, der ein Ausgangsspannungssignal V_{OUT_M} und ein Ausgangsspannungsreferenzsignal V_{OUT_REF} erhält. Das Ausgangsspannungssignal V_{OUT_M} repräsentiert einen momentanen Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT und das Ausgangsspannungsreferenzsignal V_{OUT_REF} repräsentiert den gewünschten Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT. Basierend auf diesen Signalen V_{OUT_REF}, V_{OUT_M}, insbesondere basierend auf einer Differenz zwischen diesen Signalen V_{OUT_REF}, V_{OUT_M}, erzeugt der Ausgangsspannungscontroller 31 ein Ausgangsstromsignal I_{OUT_REF}. Das Ausgangsstromsignal I_{OUT_REF} repräsentiert einen gewünschten Strompegel des Ausgangsstroms I_OUT. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liefern die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 gleiche Anteile des Ausgangsstroms I_OUT. In diesem Fall ist der Pegel jedes der durch die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 erhaltenen Ausgangsstromreferenzsignals I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} = I_{OUT_REF}/N3. Bei dem in 33 dargestellten Ausführungsbeispiel berechnet ein Dividierer 31‘ die Ausgangsstromreferenzsignale I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF}.
Der Multizellenwandler 20 hat eine Spannungsquellencharakteristik, wenn er mit einem in 33 dargestellten Hauptcontroller 3 realisiert ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Leistungswandler 20 dazu ausgebildet, die Ausgangsleistung P_OUT derart zu erzeugen, dass die Ausgangsspannung V_OUT im Wesentlichen konstant ist. Da der Leistungsverbrauch der Last Z variieren kann, ist der zweite Leistungswandler 20 bei diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, den Ausgangsstrom I_OUT zu variieren, um die Ausgangsspannung V_OUT im Wesentlichen konstant zu halten, dem Leistungsanforderungen der Last Z jedoch zu genügen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat der zweite Leistungswandler 20 eine Stromquellencharakteristik. Das heißt, der zweite Leistungswandler ist dazu ausgebildet, den Ausgangsstrom I_OUT zu regeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Ausgangsspannungscontroller 31 weggelassen werden. In diesem Fall kann das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} durch einen (nicht dargestellten) zentralen Controller bereitgestellt werden, ähnlich dem zentralen Controller, der das Ausgangsspanungsreferenzsignal V_{OUT_REF} bereitstellt. Grundsätzlich kann der zweite Leistungswandler dazu ausgebildet sein, eines von der Ausgangsspannung V_OUT und dem Ausgangsstrom zu regeln. Dies gilt entsprechend für jeden der unten erläuterten zweiten Leistungswandler 20, die dazu ausgebildet sind, einen Gleichstrom zu liefern.
34 zeigt ein Ausführungsbeispiel des zweiten Leistungswandlers 20 mit einer OS-(Output Serial)-Topologie. In 34 ist die Wandlerzelle 2 ₁ im Detail dargestellt. Die anderen Wandlerzellen 2 ₂–2 _N3 können entsprechend realisiert werden. Die in 34 dargestellte OS-Topologie ist ähnlich der in 12 dargestellten IS-Topologie. Wie der in 12 dargestellte IS-Wandler hat der in 33 dargestellte OS-Wandler eine Spule, die in Reihe zu den Zellenausgängen der einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 geschaltet ist. Die Reihenschaltung mit den Zellenausgängen und der Spule 24 ist zwischen die Ausgangsknoten OUT1, OUT2 geschaltet.
Bei dem in 34 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 mit einer Vollbrückentopologie realisiert, die oben im Detail anhand der Wandlerzelle 1 _i der IS-Topologie in 24 erläutert ist. Bezugnehmend auf 34 umfasst die Wandlerzelle 21 eine erste Halbbrücke 231 mit einem High-Side-Schalter 231 _H und einem Low-Side-Schalter 231 _L und eine zweite Halbbrücke 232 mit einem High-Side-Schalter 232 _H und einem Low-Side-Schalter 232 _L. Ein Controller 233 betreibt diese Schalter 231 _H–232 _L durch Erzeugen von Ansteuersignalen S231_H–S232_L für diese Schalter 231 _H–232 _L basierend auf einem von dem Hauptcontroller 5 erhaltenen Modulationsindex m₁. Anders als bei der in 24 dargestellten Wandlerzelle 1 _i wird ein Zellenausgang der Wandlerzelle 2₁ durch Abgriffe der zwei Halbbrücken gebildet. Der Zelleneingang, wo die Zwischenkreisspannung V2₁ erhalten wird, ist durch die Schaltungsknoten gebildet, an denen die zwei Halbbrücken 231, 232 parallel geschaltet sind. Der Controller kann die Vollbrücke gemäß einem der oben anhand der 26A und 26B erläuterten Modulationsschemas ansteuern.
Der in 34 dargestellte Leistungswandler 20 mit der OS-Topologie kann so betrieben werden, dass er einen Ausgangsstrom I_OUT an ein an die Ausgangsknoten OUT1, OUT2 angeschlossenes Spannungsnetz liefert. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung V_OUT am Ausgang OUT1, OUT2 durch das Spannungsnetz definiert. Mit anderen Worten, der Leistungswandler 20 erhält die Ausgangsspannung V_OUT am Ausgang und liefert den Ausgangsstrom I_OUT am Ausgang. Der momentane Pegel der Ausgangsleistung ist durch den momentanen Pegel der Ausgangsspannung V_OUT und den momentanen Pegel des Ausgangsstroms definiert. Die Ausgangsspannung kann einen sinusförmigen Signalverlauf haben, wie schematisch in 34 dargestellt ist. In diesem Fall erzeugt der zweite Wandler 20 den Ausgangsstrom I_OUT derart, dass der Ausgangsstrom I_OUT im Wesentlichen in Phase mit der Ausgangsspannung V_OUT ist (oder dass eine vordefinierte Phasendifferenz vorhanden ist). Außerdem kann der zweite Wandler 20 die Amplitude des Ausgangsstroms I_OUT so erzeugen, dass die Zwischenkreisspannung einen vordefinierten Spannungspegel besitzt. Ein zweiter Leistungswandler 20, der dazu ausgebildet ist, den Signalverlauf des Ausgangsstroms I_OUT so zu regeln, dass er im Wesentlichen gleich dem Signalverlauf der Ausgangsspannung V_OUT ist, wird als zweiter Leistungswandler 20 mit einer PFC-(Power Factor Correction)-Funktionalität oder kurz, als zweiter PFC-Leistungswandler 20 bezeichnet.
Bei dem in 34 dargestellten Ausführungsbeispiel teilen sich die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 eine Spule, die in Reihe zu den Zellenausgängen geschaltet ist. Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel umfasst jede der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 eine zwischen einen Zellenausgangsknoten und den Abgriff der ersten Halbbrücke 231 geschaltete Spule. In jedem Fall funktionieren die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 als Tiefsetzwandler. Das heißt, die Zellenausgangsspannung jeder Wandlerzelle 2 ₁–2 _N3 ist geringer als die Zwischenkreisspannung V2₁–V2_N2 des zugehörigen Zwischenkreiskondensators 11 ₁–11 _N2. Die Topologie der in 34 dargestellten Wandlerzelle wird nachfolgend auch als Vollbrückentopologie (oder Vollbrücken-Tiefsetz-Topologie) bezeichnet.
Der in 34 dargestellte zweite Wandler 20 mit der OS-Topologie kann dazu betrieben werden, eine Wechselspannung, wie beispielsweise ein Sinusspannung, als Ausgangsspannung V_OUT aus den Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 zu erzeugen. Er kann jedoch auch dazu betrieben werden, eine gleichgerichtete Sinusspannung oder eine Gleichspannung als Ausgangsspannung zu erzeugen. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung V_OUT eine gleichgerichtete Sinusspannung oder eine Gleichspannung, die Wandlerzelle 2 ₁ kann vereinfacht werden durch Weglassen des High-Side-Schalters 232 _H der zweiten Halbbrücke 232 und durch Ersetzen des Low-Side-Schalters 232 _L durch einen Leiter. Die Wandlerzelle 2 ₁ (und jede der anderen Wandlerzellen 2 ₂–2 _N3) umfasst dann nur die erste Halbbrücke 231, wobei die ersten Halbbrücken der einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 in Reihe geschaltet sind. Eine solche modifizierte Topologie der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 wird nachfolgend als Tiefsetztopologie bezeichnet.
Es sei erwähnt, dass die Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 nicht darauf beschränkt sind, mit einer Vollbrücken-Tiefsetz-Topologie, wie sie in 34 dargestellt ist, oder mit einer oben erläuterten Tiefsetztopologie realisiert zu werden. Andere Topologien, insbesondere Modifikationen der in 34 dargestellten Topologie können ebenso verwendet werden. Eine solche Modifikation ist in 34 dargestellt. Diese Modifikation umfasst einen zusätzlichen Schalter 234, der zwischen den Zwischenkreiskondensator 11 ₁ und die Vollbrücke geschaltet ist. Eine solche modifizierte Topologie ist als H5-Topologie bekannt. Der weitere Schalter 234 kann synchron zu dem einen der Schalter, der in dem jeweiligen Modulationsschema im PWM-Betrieb arbeitet, ein- und ausgeschaltet werden. Eine andere Modifikation umfasst (nicht dargestellte) zusätzliche Schalter zwischen den Abgriffen der zwei Halbbrücken. Eine solche modifizierte Topologie ist als HERIC-Topologie bekannt.
Ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 5, der dazu ausgebildet ist, die Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 derart zu betreiben, dass der zweite Wandler 20 die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT regelt und den Ausgangsstrom I_OUT so erzeugt, dass er im Wesentlichen in Phase mit der Ausgangsspannung V_OUT ist, ist in den 35 und 36 dargestellt. 35 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Hauptcontrollers 5 und 36 zeigt ein Ausführungsbeispiel des in 35 dargestellten Hauptcontrollers weiter im Detail. Der in den 35 und 36 dargestellte Hauptcontroller 5 ist sehr ähnlich zu dem Hauptcontroller 4 des in den 13 und 14 dargestellten IS-Wandlers. Anstelle des Eingangsreferenzstromcontrollers 41 in dem Hauptcontroller 4 umfasst der in 35 dargestellte Hauptcontroller 5 einen Ausgangsreferenzstromcontroller 51, der ein Ausgangsspannungssignal V_{OUT_M} erhält, das den momentanen Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT repräsentiert. Der Ausgangsreferenzstromcontroller 51 erhält außerdem Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M}, die die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 repräsentieren, und ein Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF}. Das Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF} repräsentiert einen gewünschten Signalpegel der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT. Basierend auf diesen Signalen erzeugt der Ausgangsreferenzstromcontroller 51 ein Ausgangsreferenzsignal I_{OUT_REF}, das durch einen Modulationsindexcontroller 52 erhalten wird. Basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} und basierend auf einem Ausgangsstromsignal I_{OUT_M} erzeugt der Modulationsindexcontroller 52 einen Modulationsindex m. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die durch die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3, die in 34 dargestellt sind, erhaltenen Modulationsindizes m₁–m_N3 gleich dem durch den Modulationsindexcontroller 52 erzeugten Modulationsindex m. Das Ausgangsstromsignal I_{OUT_M} repräsentiert einen momentanen Strompegel des Ausgangsstroms.
36 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Ausgangsreferenzstromcontrollers 51 und des Modulationsindexcontrollers 52. Das Design und der Betrieb des Ausgangsreferenzstromcontrollers 51 ist ähnlich dem Design und dem Betrieb des Eingangsreferenzstromcontrollers 41 des in 14 dargestellten Hauptcontrollers 4, auf den Bezug genommen wird. Bezugnehmend auf 36 umfasst der Ausgangsreferenzstromcontroller 51 ein Fehlerfilter 511, das die Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N3_M} und das Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF} erhält und ein Fehlersignal V2_ERR aus diesen Signalen berechnet. Das Fehlerfilter 511 kann dieselbe Filtercharakteristik besitzen, wie anhand des in 14 dargestellten Fehlerfilters 411 erläutert.
Ein Multiplizierer 512 multipliziert das Fehlersignal V2_ERR mit dem Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignal V2_{TOT_REF}. Ein Ausgangssignal A des Multiplizierers 512 wird durch einen Dividierer 513 erhalten, welcher das Ausgangssignal A des Multiplizierers 512 durch einen Wert dividiert, der von der Amplitude der Ausgangsspannung V_OUT abhängig ist (bei diesem Ausführungsbeispiel: VOUT_MAX²/2). Ein Ausgangssignal C des Dividierers 513 wird durch einen weiteren Multiplizierer 514 erhalten, der das Dividiererausgangssignal C mit dem Ausgangsspannungssignal V_{OUT_M} multipliziert. Wie bei dem in 14 dargestellten Hauptcontroller 4 ist der Dividierer 513 in dem in 36 dargestellten Hauptcontroller 5 optional. Wenn der Dividierer 513 weggelassen ist, erhält der weitere Multiplizierer 514 das Ausgangssignal A von dem Multiplizierer 512.
Der in 34 dargestellte zweite Wandler 20 ist nicht darauf beschränkt, eine Leistung an ein Wechselspannungsnetz zu liefern. Der zweite Wandler 20 kann auch Leistung an ein Gleichspannungsnetz (einen Gleichspannungsbus) liefern, das die Ausgangsspannung V_OUT definiert. In diesem Fall kann das Multiplizieren des Dividiererausgangssignal C oder des Multipliziererausgangssignals A mit dem Ausgangssignal V_{OUT_M} nicht notwendig sein. In diesem Fall ist das Eingangssignal B des Dividierers V_{OUT_MAX} anstelle von V_{OUT_MAX} ²/2.
Der weitere Multiplizierer 514 gibt das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} aus. Wenn der weitere Multiplizierer 514 weggelassen wird, ist entweder das Ausgangssignal C des Dividierers 513 oder das Ausgangssignal A des Multiplizierers 512 das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF}.
Bezugnehmend auf 36 subtrahiert der Modulationsindexcontroller 52 ein gefiltertes Ausgangsstromsignal I_{OUT_F} von dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF}, um ein Ausgangsstromfehlersignal I_{OUT_ERR} zu erzeugen. Das gefilterte Ausgangsstromsignal I_{OUT_F} wird erhalten durch Filtern des Ausgangsstromsignals I_{OUT_M} durch ein erstes Filter 522. Der Modulationsindex m wird erhalten durch Filtern des Ausgangsstromfehlersignals I_{OUT_ERR} durch ein zweites Filter. Die ersten und zweiten Filter 522, 523 können realisiert werden, wie anhand der in 14 dargestellten Filter 422, 423 erläutert.
37 zeigt ein Ausführungsbeispiel des zweiten Wandlers 20 mit einer OP-Topologie. Dieser Wandler 20 basiert auf dem in 34 dargestellten Wandler 20 und unterscheidet sich von dem in 34 dargestellten Wandler dadurch, dass die Zellenausgänge der einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 am Ausgang OUT1 parallel geschaltet sind. Bei dem in 37 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst jede Wandlerzelle 2 ₁–2 _N3 eine Spule, was in der ersten Wandlerzelle 2 ₁ dargestellt ist, wo die Spule mit dem Bezugszeichen 24 ₁ bezeichnet ist. Außerdem umfasst jede Wandlerzelle 2 ₁–2 _N3 einen Controller, der den Modulationsindex der jeweiligen Wandlerzelle erzeugt. Dies ist in der ersten Wandlerzelle 2 ₁ dargestellt, wo der Controller mit dem Bezugszeichen 5 ₁ bezeichnet ist. Der Controller in jeder Wandlerzelle, wie beispielsweise der Controller 5 ₁ in der Wandlerzelle 2 ₁, kann dem in den 35 und 36 dargestellten Controller 5 entsprechen, mit dem Unterschied, dass der Controller (insbesondere das Fehlerfilter) einer Wandlerzelle nur das Zwischenkreisspannungssignal der jeweiligen Wandlerzelle und ein Zwischenkreisspannungsreferenzsignal der jeweiligen Wandlerzelle anstelle der Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N3_M} und des Gesamt-Zwischenkreisspannungsreferenzsignals V2_{TOT_REF} erhält.
38 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines ersten Leistungswandlers 10 mit einer IP-Topologie. Bei diesem Ausführungsbespiel sind die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit Dual-Active-Bridge-(DAB)-Topologie realisiert, wobei in 38 nur die Topologie der ersten Wandlerzelle 1 ₁ im Detail dargestellt ist. Bezugnehmend auf die Wandlerzelle 1 ₁ basiert die Zellentopologie auf der in 32 dargestellten Zellentopologie. Das heißt, die Zellentopologie umfasst zwei Vollbrücken, die jeweils zwei Halbbrücken umfassen, wobei jede Halbbrücke einen High-Side-Schalter 101, 103, 108, 110 und einen Low-Side-Schalter 102, 104, 109, 111 aufweist. Wie bei der in 32 dargestellten Zellentopologie ist eine Vollbrücke (die in 38 dargestellte Vollbrücke mit den Schaltern 101–104) an den Zelleneingang angeschlossen, und eine Vollbrücke (die in 38 dargestellte Vollbrücke mit den Schaltern 108–111) ist an den Zellenausgang angeschlossen. Eine Primärwicklung 105 _P eines Transformators 105 ist an Abgriffe der ersten Vollbrücke 101–104 angeschlossen, und eine Reihenschaltung mit einer Sekundärwicklung 105 _S und einer weiteren Spule ist an Abgriffe der zweiten Vollbrücke 108–111 angeschlossen. Eine weitere Spule 106, die parallel zu der Sekundärwicklung 105 _S gezeichnet ist, repräsentiert die Magnetisierungsinduktivität des Transformators 105. Ein Controller 112 steuert den Betrieb der einzelnen Schalter der Vollbrücken durch Erzeugen von Ansteuersignalen S101–S111 der Schalter derart, dass ein Zelleneingangsstrom I0₁ einen Strompegel besitzt, der durch ein Eingangsstromreferenzsignal I_{1_REF} definiert ist. Hierzu erhält der Controller 112 ein Eingangsstromsignal I0_{1_M}, das einen momentanen Strompegel des Eingangsstroms I0₁ repräsentiert, und das Eingangsstromreferenzsignal I0_{1_REF}. Ein Hauptcontroller 6 erzeugt die Eingangsstromreferenzsignale I0_{1_REF}–I0_{N1_REF} der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1.
Die in 38 dargestellte Wandlerzelle 1 ₁ (genauso wie die anderen Wandlerzellen 1 ₂–1 _N1) besitzt eine von einer Hochsetz- und einer Tiefsetz-Charakteristik. Das heißt, sie kann die Zwischenkreisspannung V2₁ mit einem höheren Spannungspegel oder mit einem niedrigeren Spannungspegel wie die Eingangsspannung V_IN erzeugen. Der in 38 dargestellte Wandler 10 ist nicht darauf beschränkt, mit Wandlerzellen realisiert zu werden, die eine DAB-Topologie aufweisen. Andere zuvor erläuterte Topologien, wie beispielsweise die Sperrwandlertopologie oder die Tiefsetztopologie können ebenso verwendet werden.
39 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Hauptcontrollers 6. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Hauptcontroller 6 einen Eingangsspannungscontroller 61, der ein Eingangsspannungssignal V_{IN_M} und ein Eingangsspannungsreferenzsignal V_{IN_REF} erhält und dazu ausgebildet ist, den Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN zu regeln. Der Eingangsspannungscontroller 61 erzeugt ein Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} basierend auf diesen Signalen. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht jedes der Eingangsstromreferenzsignale I0_{1_REF}–I0_{N1_REF}, das durch die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 erhalten wird, dem durch den Eingangsspannungscontroller 61 erzeugten Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF}. Das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} repräsentiert einen gewünschten Strompegel des Eingangsstroms I_IN. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erhalten die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 gleiche Anteile des Eingangsstroms I_IN. In diesem Fall ist der Pegel jedes der durch die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 erhaltenen Eingangsstromreferenzsignale I1_{1_REF}–I1_{N1_REF} gleich I_{IN_REF}/N1. Bei dem in 39 dargestellten Ausführungsbeispiel berechnet ein Dividierer 61‘ die Eingangsstromreferenzsignale I1_{1_REF}–I1_{N1_REF} basierend auf dem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF}.
Die Eingangsspannung V_IN wird beispielsweise bei solchen Anwendungen geregelt, bei denen die Eingangsleistung durch ein Solarpaneel mit mehreren Photovoltaik-(PV)-Zellen geliefert wird. Die Effizienz einer PV-Zelle, die Solarleistung erhält, ist abhängig von der Eingangsspannung, so dass es notwendig werden kann, die Eingangsspannung an dem PV-Paneel zu variieren, wenn die durch das Solarpaneel erhaltene Solarleistung variiert. Ein Betriebspunkt, bei dem eine PV-Zelle bei einer gegebenen Solarleistung ihre maximale Effizienz besitzt (die maximale Leistung liefert) wird als Maximalleistungspunkt (Maximum Power Point, MPP) bezeichnet. Der MPP kann gefunden werden durch Variieren der Spannung an der PV-Zelle bzw. dem Solarpaneel und durch Messen der von dem Solarpaneel erhaltenen Leistung. Dies ist allgemein bekannt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liefert ein MPP-Tracker (nicht dargestellt), der dazu ausgebildet ist, die an dem Eingang IN1, IN2 erhaltene Leistung zu messen, das Eingangsspannungsreferenzsignal V_{IN_REF}, um die Leistungsquelle, die die Eingangsspannung V_IN liefert, im MPP zu betreiben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erzeugt ein zentraler Controller (nicht dargestellt) das Eingangsspannungsreferenzsignal V_{IN_REF}.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erste Leistungswandler 10 dazu ausgebildet, den Eingangsstrom I_IN zu regeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Eingangsspannungscontroller 61 weggelassen werden. In diesem Fall kann das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} durch einen zentralen Controller (nicht dargestellt) bereitgestellt werden, ähnlich dem zentralen Controller, der das Eingangsspannungsreferenzsignal V_{IN_REF} bereitstellen kann.
Einige von mehreren verschiedenen Topologien des ersten Leistungswandlers 10 und des zweiten Leistungswandlers 20 sind oben beschrieben. Beim Design der Leistungswandlerschaltung kann die Art des ersten Leistungswandlers 10 und die Art des zweiten Leistungswandlers abhängig von der gewünschten Art der durch die Leistungswandlerschaltung durchgeführten Leistungswandlung ausgewählt werden. Einige von mehreren Kombinationen und deren möglichem Anwendungsbereich sind unter erläutert. Nachfolgend wird eine Leistungswandlerschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine periodische (wechselnde) Eingangsspannung (wie beispielsweise eine Sinusspannung oder eine gleichgerichtete Sinusspannung) zu erhalten und eine Ausgangsgleichspannung zu liefern, als AC/DC-Leistungswandlerschaltung bezeichnet, eine Leistungswandlerschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine Eingangsgleichspannung und eine periodische Ausgangsspannung zu erhalten, und dazu ausgebildet ist, einen Ausgangswechselstrom zu liefern, wird als DC/AC-Leistungswandlerschaltung bezeichnet, und eine Leistungswandlerschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine Eingangsgleichspannung zu erhalten und eine Ausgangsgleichspannung zu liefern, wird als DC/DC-Leistungswandlerschaltung bezeichnet.
Das Design und Betriebsarten eines Multizellen-Leistungswandlers, wie beispielsweise eines der zuvor erläuterten IS-, IP-, OS-, oder OP-Multizellen-Leistungswandler, bietet verschiedene Freiheitsgrade, die hinsichtlich einer Steigerung der Effizienz des Multizellenwandlers und der Leistungswandlerschaltung, in der er eingesetzt wird, verwendet werden können. Diese Freiheitsgrade umfassen die Anzahl der Wandlerzellen in einem Multizellenwandler, Betriebsarten der Wandlerzellen, die Art der Verbindung zwischen den Wandlerzellen, die Spannungspegel der Zwischenkreisspannungen, das Design der Wandlerzellen, usw. Einige dieser Freiheitsgrade und wie sie verwendet werden können, um die Effizienz eines Multizellenwandlers zu steigern, sind nachfolgend erläutert.
In einem Multizellenwandler, wie beispielsweise einem der zuvor erläuterten Multizellenwandler besitzt jede der mehreren Wandlerzellen eine maximale Nennleistung. Die maximale Nennleistung definiert die maximale Leistung, die die Wandlerzelle wandeln kann. Das heißt, die maximale Eingangsleistung die die Wandlerzelle erhalten kann oder die maximale Ausgangsleistung, die die Wandlerzelle bereitstellen kann.
Bezugnehmend auf 40 kann die Effizienz der einzelnen Wandlerzellen abhängig von einem Verhältnis zwischen der momentanen Leistung und der maximalen Leistung variieren. 40 veranschaulicht schematisch die Effizienz einer Wandlerzelle basierend auf diesem Verhältnis. Bezugnehmend auf 40 kann die Wandlerzelle ihre maximale Frequenz um etwa 50% der maximalen Leistung haben, wobei die Effizienz zu niedrigeren Leistungspegeln hin und zu höheren Leistungspegeln hin abnimmt.
Bezugnehmend auf die vorangehende Erläuterung können die einzelnen Wandlerzellen als getaktete Wandlerzellen realisiert sein. Das heißt, diese Wandlerzellen sind als getaktete Leistungswandler realisiert und umfassen jeweils wenigstens einen Halbleiterschalter, der bei einer Schaltfrequenz betrieben wird. Bei einem OP-Wandler oder einem IP-Wandler wird der getaktete Betrieb beispielsweise dazu verwendet, die Ausgangströme I2₁–I2_N3 bzw. die Eingangsströme I0₁–I0_N3 der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1, 2 ₁–2 _N3 zu regeln. Die Schaltfrequenz kann 18 kHz oder höher sein. Das Ein- und Ausschalten des wenigstens einen Halbleiterschalters in einer Wandlerzelle verursacht Verluste. Diese Verluste, die als Schaltverluste bezeichnet werden können, umfassen einen Anteil, der im Wesentlichen unabhängig von der Ausgangsleistung der jeweiligen Wandlerzelle ist. Diese konstanten Verluste, die aus Verlusten in Treibern, Mikrocontrollern, oder Ähnlichem resultieren, sind ein Grund dafür, dass die Effizienz der Wandlerzelle erheblich abnimmt, wenn die Ausgangsleistung abnimmt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die einzelnen Wandlerzellen in einem Multizellenwandler mit einer xP-Topologie aktiviert (in einem aktiven Betrieb betrieben werden) oder deaktiviert (in einem inaktiven Betrieb betrieben werden) werden, um den Multizellenwandler effizient zu betreiben, das heißt, die durch den Multizellenwandler erhaltene Leistung effizient zu wandeln. Ein Multizellenwandler mit einer xP-Topologie ist ein Multizellenwandler mit entweder einer IP-Topologie oder einer OP-Topologie. Das Deaktivieren wenigstens einer Wandlerzelle in einer xP-Topologie kann helfen, die Effizienz der anderen Wandlerzellen zu erhöhen. Dies wird für eine OP-Topologie anhand der 41A–44 und für eine IP-Topologie anhand der 45A–49 erläutert.
Die einzelnen Wandlerzellen in einer xP-Topologie können als "Phasen“ bezeichnet werden. Eine Betriebsart, bei der wenigstens eine dieser Wandlerzellen inaktiv ist, wird nachfolgend als "Phasenabwurf“-Betrieb bezeichnet. Im Phasenabwurf-Betrieb übernehmen aktive Wandlerzellen den Part der inaktiven Wandlerzellen, so dass die gesamte gewandelte Leistung nur abhängig von einem Leistungsreferenzsignal variiert. Das "Leistungsreferenzsignal“ definiert die Leistung, die durch den Multizellenwandler gewandelt werden soll.
Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass der Leistungsverbrauch der Last Z derart ist, dass jede der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 eines zweiten Leistungswandlers 20 mit einer OP-Topologie eine Ausgangsleistung liefert, die erheblich geringer ist als 50% von dessen maximaler Ausgangsleistung. Wenn eine der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 deaktiviert wird, so dass dessen Ausgangsleistung 0 wird, muss der Leistungspegel der anderen Wandlerzellen ansteigen, um den Leistungspegel der Ausgangsleistung P_OUT konstant zu halten.
Allerdings können die höheren Leistungspegel der anderen (aktiven) Wandlerzellen zu einer höheren Effizienz dieser aktiven Wandlerzellen führen.
"Das Betreiben einer Wandlerzelle im inaktiven Betrieb“ bedeutet, dass während des inaktiven Betriebs die durch die jeweilige Wandlerzelle erhaltene Eingangsleistung und die durch die jeweilige Wandlerzelle bereitgestellte Ausgangsleistung im Wesentlichen 0 ist. Dennoch kann der der inaktiven Wandlerzelle zugeordnete Zwischenkreiskondensator durch den ersten Leistungswandler 10 weiter geladen werden, wie weiter unten erläutert ist. Im aktiven Betrieb arbeiten die einzelnen Wandlerzellen getaktet bei einer Schaltfrequenz fp, wie oben erläutert. Während des inaktiven Betriebs kann die Zwischenkreisspannung der jeweiligen Wandlerzelle ansteigen, da der erste Wandler 10 den jeweiligen Zwischenkreiskondensator 11 ₁–11 _N2 weiter Leistung zuführen kann. Dies ist unabhängig von der speziellen Topologie des ersten Leistungswandlers 10. Die Zwischenkreisspannung der inaktiven Wandlerzelle kann ansteigen, bis die Wandlerzelle erneut aktiviert wird und Zelleneingangsleistung von dem jeweiligen Zwischenkreiskondensator erhält. Die Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 funktionieren als Puffer zwischen dem ersten Leistungswandler 10, der Eingangsleistung von dem Eingang IN1, IN2 erhält, und dem zweiten Leistungswandler 20, der die Ausgangsleistung P_OUT bereitstellt. Die Energiespeicherfähigkeit dieser Zwischenkreiskondensatoren 1 ₁₁–11 _N2 erlaubt es, die Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 zyklisch im inaktiven Betrieb zu betreiben, um die Effizienz des zweiten Leistungswandlers 20 zu erhöhen, wenn die Ausgangsleistung P_OUT niedrig ist (bei Niedriglastbedingungen).
41A zeigt ein erstes Betriebsszenario des zweiten Leistungswandlers 20. Bei diesem Szenario ist eine Wandlerzelle zu einer Zeit im inaktiven Betrieb. In 41A sind nur Deaktivierungszustände der einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 dargestellt. Das heißt, die einzelnen Zeitdiagramme zeigen nur, ob die jeweilige Wandlerzelle 2 ₁–2 _N3 aktiv oder inaktiv ist. Die in 41A dargestellten Kurven zeigen nicht die Leistungspegel des Leistungswandlers und zeigen nicht die Strompegel des Ausgangsstroms der jeweiligen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3. Gemäß einem weiteren Szenario, das in 41B dargestellt ist, können zwei der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 zu einer Zeit inaktiv sein. Allgemein können bis zu N3 – 1 Wandlerzellen zu einer Zeit inaktiv sein, was zu einer Zeit nur eine Wandlerzelle aktiv lässt. Einige verschiedene Kriterien können dazu verwendet werden, um zu entscheiden, welche der Wandlerzellen zu der Gruppe der N3 – K aktiven Wandlerzellen und der Gruppe der K inaktiven Wandlerzellen zu einer Zeit gehören und wie lang die einzelnen Wandlerzellen aktiv/inaktiv sind bevor eine nächste Entscheidung erfolgt. Dies ist unten weiter im Detail erläutert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Anzahl K von Wandlerzellen, die zu einer Zeit inaktiv sind, basierend auf einem von dem Ausgangsleistungsreferenzsignal P_{OUT_REF} und einem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} eingestellt. Dies ist in 42 veranschaulicht. Das Ausgangsleistungsreferenzsignal P_{OUT_REF} definiert einen gewünschten Leistungspegel der Ausgangsleistung P_OUT, der durch den zweiten Wandler 20 bereitgestellt werden soll. Falls die Ausgangsspannung V_OUT im Wesentlichen konstant ist, ist das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} ein Maß für den gewünschten Leistungspegel der Ausgangsleistung P_OUT. Anstelle des Ausgangsleistungsreferenzsignals P_{OUT_REF} kann der momentane Pegel der Ausgangsleistung P_OUT und anstelle des Ausgangsstromreferenzsignals I_{OUT_REF} kann der momentane Pegel des Ausgangsstroms I_OUT verwendet werden.
42 veranschaulicht K basierend auf dem Ausgangsleistungsreferenzsignal P_{OUT_REF} bzw. dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF}. Bei dem in 42 dargestellten Ausführungsbeispiel ist keine (K = 0) der Wandlerzellen inaktiv, wenn das Ausgangsleistungsreferenzsignal P_{OUT_REF} oberhalb einer ersten Schwelle P_{OUT_TH1} ist (wenn das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} oberhalb einer ersten Stromschwelle I_{OUT_TH1} ist). Eine (K = 1) Wandlerzelle ist deaktiviert (inaktiv) wenn das Ausgangsleistungsreferenzsignal P_{OUT_REF} zwischen der ersten Schwelle P_{OUT_TH1} und einer zweiten Schwelle P_{OUT_TH2} ist (wenn das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} zwischen der ersten Schwelle I_{OUT_TH1} und einer zweiten Stromschwelle I_{OUT_TH2} ist), zwei (K = 2) Wandlerzellen sind in-aktiv, wenn das Ausgangsleistungsreferenzsignal P_{OUT_REF} zwischen der zweiten Leistungsschwelle P_{OUT_TH2} und einer dritten Schwelle P_{OUT_TH3} ist (wenn das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} zwischen der zweiten Stromschwelle I_{OUT_TH2} und einer dritten Stromschwelle I_{OUT_TH3} ist), und so weiter. Die Differenz zwischen benachbarten Leistungsschwellen bzw. Stromschwellen kann im Wesentlichen gleich sein oder kann unterschiedlich sein.
43 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Festlegen der Anzahl K der zu deaktivierenden Wandlerzellen und zum Identifizieren der Zellen, die zu einer Zeit deaktiviert sind. Bezugnehmend auf 43 umfasst das Verfahren das Festlegen der Anzahl K der Zellen, die im inaktiven Betrieb betrieben werden sollen, basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} (1001). Das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} repräsentiert den gewünschten Ausgangsstrom I_OUT des zweiten Leistungswandlers 20. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird K basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} gemäß einer Kurve, wie sie in 40 dargestellt ist, festgelegt.
Bezugnehmend auf 43 umfasst das Verfahren außerdem das Identifizieren der K Wandlerzellen, die momentan die niedrigste Eingangsspannung (Zwischenkreisspannung) besitzen (1002). Eine solche Identifikation kann das Sortieren der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 basierend auf dem Spannungspegel ihrer Zwischenkreisspannungen 11 ₁–11 _N3 und das Auswählen der K Wandlerzellen, die die niedrigsten Zwischenkreisspannungen besitzen, umfassen. Diese K identifizierten Wandlerzellen werden im inaktiven Betrieb betrieben und die anderen Wandlerzellen werden im aktiven Betrieb betrieben (1003). Durch Betreiben der Wandlerzellen, die die niedrigsten Zwischenkreisspannungen haben, im inaktiven Betrieb und, entsprechend, durch Betreiben der anderen N3 – K Wandlerzellen, die die höchsten Zwischenkreisspannungen haben, im aktiven Betrieb kann verhindert werden, dass die einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 (vgl. beispielsweise 1) zu unterschiedlich werden. Bezugnehmend auf 43 wird das Festlegen der Anzahl K von Wandlerzellen (1001), das Identifizieren der K Zellen mit der niedrigsten Zwischenkreisspannung (1002) und das Betreiben der K identifizierten Zellen im inaktiven Betrieb (1003) wiederholt. Das Wiederholen dieser Prozessschritte 1001–1003 kann zeitbasiert oder ereignisbasiert sein. Das zeitbasierte Wiederholen dieser Prozessschritte 1001–1003 kann das regelmäßige Wiederholen dieser Schritte 1001–1003 umfassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Frequenz, mit der die Prozessschritte 1001–1003 wiederholt werden, kleiner als das 0,1-fache, oder sogar kleiner als das 0,01-fache der Schaltfrequenz. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Frequenz, mit der Prozessschritte 1001–1003 wiederholt werden, 500 Hz oder weniger.
Das ereignisbasierte Wiederholen dieser Prozessschritte 1001–1003 kann umfassen, diese Schritte 1001–1003 jedes Mal dann zu wiederholen, wenn ein vordefiniertes Ereignis auftritt. Beispiele solcher Ereignisse umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, ein Absinken einer Zwischenkreisspannung V2₁–V2_N2 unter eine vordefinierte erste Spannungsschwelle, und das Ansteigen einer Zwischenkreisspannung V2₁–V2_N2 über eine vordefinierte zweite Spannungsschwelle, die höher als die erste Schwelle ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die durch die Last am Ausgang entnommene Leistung gemessen und die Prozessschritte 1001–1003 werden wiederholt, wenn eine wesentliche Änderung des Leistungsverbrauchs der Last Z detektiert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Dauer, während der wenigstens eine Wandlerzelle inaktiv ist, wesentlich länger als die Periode eines Ansteuerzyklus der Wandlerzellen im aktiven Betrieb. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Dauer, während der wenigstens eine Wandlerzelle inaktiv ist, wenigstens das zehnfache der Periode des Ansteuerzyklus. Bezugnehmend auf das Voranstehende ist die Dauer Tp des Ansteuerzyklus der Kehrwert der Schaltfrequenz fp im aktiven Betrieb.
Bezugnehmend auf die obige Erläuterung umfasst der zweite Leistungswandler 20 einen Hauptcontroller 3, der dazu ausgebildet ist, den Betrieb der einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 zu steuern. 44 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Controllers 3, der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Wandlerzelle im inaktiven Betrieb zu betreiben. Der in 44 dargestellte Wandler 3 basiert auf dem Wandler 3, der in 33 dargestellt ist (auf deren Beschreibung Bezug genommen wird), und unterscheidet sich von dem in 33 dargestellten Wandler dadurch, dass er zusätzlich einen Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 umfasst. Der Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 erhält das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} von dem Ausgangsspannungscontroller 31 (der weggelassen werden kann, wenn der Ausgangsstrom I_OUT geregelt werden soll). Der Betrieb des Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controllers 32 basiert auf dem anhand von 43 erläuterten Verfahren. Der Aktivierungs-/Deaktivierungs-Controller 32 aktiviert/deaktiviert die einzelnen Wandlerzellen. Das heißt, der Controller 32 setzt basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} die Anzahl K der Wandlerzellen, die deaktiviert werden sollen, und wählt basierend auf den Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 der einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 die Zellen aus, die deaktiviert werden sollen. Zum Identifizieren der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3, die die niedrigste Zwischenkreisspannung haben, erhält der Controller 32 die Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M}, die die einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 repräsentieren. Diese Spannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M} können unter Verwendung herkömmlicher Spannungsmessschaltungen (in den Figuren nicht dargestellt) aus den einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 erhalten werden.
Bezugnehmend auf 44 erzeugt der Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 Stromreferenzsignale I2_{1_REF}–I2_{N3_REF}. Diese Referenzsignale I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} repräsentieren gewünschte Strompegel der Ausgangsströme I2₁–I2_N3 der einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3. Der Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 erzeugt die einzelnen Referenzsignale I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} derart, dass deren Summe dem Ausgangsstromreferenzsignal entspricht. Das heißt,
Auf diese Weise ist die gewandelte Leistung nur abhängig von dem Ausgangsleistungsreferenzsignal P_{OUT_REF} bzw. dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF}. Damit führt das Betreiben des Multizellenwandlers 20 im Phasenabwurf-Betrieb nicht zu wesentlichen Änderungen der gewandelten Leistung. Die gewandelte Leistung ist eine von der Eingangsleistung, die der zweite Wandler 20 von den Zwischenkreiskondensatoren bzw. dem ersten Wandler 10 erhält, und der an die Last gelieferten Ausgangsleistung. Das Stromreferenzsignal der wenigstens einen Wandlerzelle, die deaktiviert werden soll, wird durch den Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 zu Null gesetzt, um die Ausgangsleistung der deaktivierten Wandlerzelle auf Null zu setzen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 dazu ausgebildet, die Stromreferenzsignale der aktiven Wandlerzellen so zu erzeugen, dass diese Referenzsignale im Wesentlichen gleich sind, so dass die aktiven Wandlerzellen im Wesentlichen denselben Ausgangsstrom bereitstellen. Dies ist allerdings nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 dazu ausgebildet, die einzelnen Referenzsignale I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} der aktiven Wandlerzellen so zu erzeugen, dass diese Referenzsignale unterschiedlich sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erzeugt der Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 das Stromreferenzsignal einer aktiven Wandlerzelle derart, dass das Stromreferenzsignal einer Wandlerzelle abhängig von der Zwischenkreisspannung der jeweiligen Wandlerzelle ist. Das Stromreferenzsignal kann so erzeugt werden, dass das Stromreferenzsignal ansteigt, wenn die Zwischenkreisspannung des zugehörigen Zwischenkreiskondensators ansteigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel liefern solche aktiven Wandlerzellen, die eine höhere Zwischenkreisspannung haben, einen höheren Ausgangsstrom als andere aktive Wandlerzellen, die eine niedrigere Zwischenkreisspannung haben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erzeugt der Zellen-Aktivierung-/Deaktivierungs-Controller 32 die Referenzsignale I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} der aktiven Wandlerzellen in Übereinstimmung mit Effizienzkurven derart, dass diese Wandlerzellen in einem Hocheffizienz-Bereich arbeiten. Ein Hocheffizienz-Bereich ist beispielsweise ein Bereich, in dem die Effizienz wenigstens 60% oder wenigstens 75% einer maximalen Effizienz beträgt. Bezugnehmend auf die nachfolgende Erläuterung können die einzelnen Wandlerzellen ihre maximale Effizienz oder einen Hocheffizienz-Bereich bei unterschiedlichen Strömen haben. In diesem Fall kann das Betreiben der aktiven Zellen bei unterschiedlichen Strömen zusätzlich zu dem Phasen-Abwurf helfen, die Gesamteffizienz des Leistungswandlers 20 zu erhöhen.
Es sei erwähnt, dass die in den Zeichnungen dargestellten Blockdiagramme jedes der Wandler, wie beispielsweise des in 44 und in anderen Zeichnungen dargestellten Controllers 3, und der in anderen Zeichnungen dargestellten Controller 4, 5 und 6, nur dazu dienen, die Funktionalität des jeweiligen Controllers und nicht dessen Realisierung zu veranschaulichen. Die einzelnen Funktionsblöcke können unter Verwendung herkömmlicher Technologien realisiert werden, die geeignet sind, einen Controller zu realisieren. Insbesondere können die Funktionsblöcke des Controllers 3 realisiert werden als Analogschaltungen, Digitalschaltungen oder können realisiert werden unter Verwendung von Hardware und Software, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, auf dem eine spezielle Software läuft, um die Funktionalität des Controllers 3 zu realisieren.
Das Betreiben von Wandlerzellen eines Multizellen-Leistungswandlers in einem aktiven Betrieb oder einem inaktiven Betrieb, wie oben anhand der 41A–44 erläutert, ist nicht auf Wandlerzellen in einem zweiten Leistungswandler 20 beschränkt. Ein solches Aktivieren oder Deaktivieren von Wandlerzellen, um eine Leistungswandlerschaltung effizient zu betreiben, kann auch auf die Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 in einem ersten Leistungswandler 10 mit einer IP-Topologie (bei der Zelleneingänge der einzelnen Wandlerzellen parallel geschaltet sind) angewendet werden. Dies ist unten anhand der 45A–49 erläutert.
Die 45A und 45B zeigen Zeitdiagramme, die veranschaulichen, wie Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 des ersten Leistungswandlers 10 in einem aktiven Betrieb oder einem inaktiven Betrieb arbeiten können. Bei dem in 45A dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur eine der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 zu einer Zeit deaktiviert, bei dem in 35B dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 zu einer Zeit deaktiviert. Allgemein können bis zu N1 – 1 der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 zu einer Zeit deaktiviert werden. Aktivieren und Deaktivieren der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 des ersten Leistungswandlers 10 ist ähnlich dem Aktivieren und Deaktivieren von Wandlerzellen des zweiten Leistungswandlers 20, mit dem Unterschied, dass bei dem ersten Leistungswandler 10 die wenigstens eine Wandlerzelle basierend auf einem Eingangsleistungsreferenzsignal P_{IN_REF} aktiviert oder deaktiviert werden. Das Eingangsleistungsreferenzsignal P_{OUT_REF} definiert einen gewünschten Leistungspegel der Eingangsleistung P_IN, die durch den ersten Wandler 10 erhalten werden soll. Wenn die Eingangsspannung V_IN im Wesentlichen konstant ist, ist das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} ein Maß für den gewünschten Leistungspegel der Eingangsleistung P_IN. Anstelle des Eingangsleistungsreferenzsignals P_{IN_REF} kann der Momentanpegel der Eingangsleistung P_IN und anstelle des Ausgangsstromreferenzsignals I_{OUT_REF} kann der Momentanpegel des Eingangsstroms I_IN verwendet werden.
Bezugnehmend auf 46 kann die Anzahl K der Wandlerzellen, die zu einer Zeit deaktiviert sind, zunehmen, wenn das Eingangsleistungsreferenzsignal P_{IN_REF} oder das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} abnimmt. Das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} repräsentiert einen gewünschten Strompegel des Eingangsstroms I_IN. Bezugnehmend auf 46 kann eine Wandlerzelle (K = 1) deaktiviert werden, wenn das Eingangsleistungsreferenzsignal P_{IN_REF} unter eine erste Schwelle P_{IN_TH} absinkt oder das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} unter eine erste Stromschwelle I_{IN_TH1} absinkt, zwei Wandlerzellen (K = 2) können deaktiviert werden, wenn das Eingangsleistungsreferenzsignal P_{IN_REF} oder das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} unter eine zweite Schwelle P_{IN_TH2} bzw. I_{IN_TH2} absinkt, und drei (K = 3) Wandlerzellen werden deaktiviert, wenn das Eingangsleistungsreferenzsignal P_{IN_REF} und das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} unter eine dritte Schwelle P_{IN_TH3} bzw. I_{IN_TH3} absinken.
Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen gibt es vier Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 (N1 = 4). Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Die Anzahl N1 der parallel geschalteten Wandlerzellen ist nicht auf N1 = 4 beschränkt. Allgemein können zwei oder mehr Wandlerzellen parallel geschaltet werden.
47 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Deaktivieren wenigstens einer der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1. Das Verfahren umfasst das Festlegen der Anzahl K der Wandlerzellen, die im inaktiven Betrieb betrieben werden sollen (1011). Das in 47 dargestellte Verfahren verwendet das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF}, um die gewünschte Eingangsleistung zu detektieren und K festzulegen. Allerdings kann auch ein beliebiges anderes Signal verwendet werden, das die momentane oder die gewünschte Eingangsleistung repräsentiert. Das Festlegen der Anzahl K kann in Übereinstimmung mit der in 46 dargestellten Kurve durchgeführt werden. Das Verfahren umfasst außerdem das Identifizieren der K Zellen, die die höchsten Ausgangsspannungen (Zwischenkreisspannungen) besitzen (1012), und das Betreiben dieser K identifizierten Zellen im inaktiven Betrieb und das Betreiben der anderen Zellen im aktiven Betrieb (1013). Die Prozessschritte 1011–1013, die das Festlegen der Anzahl K, das Identifizieren der K Zellen, die die höchste Ausgangsspannung haben, und das Betreiben der K identifizierten Zellen im inaktiven Betrieb kann periodisch (zeitbasiert) oder ereignisbasiert wiederholt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein ereignisbasiertes Wiederholen dieser Prozessschritte 1011–1013 umfassen, die Prozessschritte 1011–1013 zu wiederholen, wenn der Spannungspegel einer Zwischenkreisspannung V2₁–V2_N2 einer der mehreren Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 über eine vordefinierte erste Schwelle ansteigt oder der Spannungspegel einer der mehreren Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 unter eine vordefinierte zweite Schwelle, die niedriger als die erste Schwelle ist, absinkt.
48 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Hauptcontrollers 6, der dazu ausgebildet ist, die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 zu aktivieren oder deaktivieren. Dieser Hauptcontroller 6 basiert auf dem Hauptcontroller 6, der in 39 dargestellt ist (auf deren Beschreibung Bezug genommen wird), und unterscheidet sich von diesem Hauptcontroller 6 dadurch, dass er zusätzlich einen Zellen-Aktivierungs-/Deaktivierungs-Controller 62 umfasst. Der Zellen-Aktivierungs-/Deaktivierungs-Controller 62 erhält das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} von dem Eingangsspannungscontroller 61 (der weggelassen werden kann, wenn der Eingangsstrom geregelt werden soll) und erzeugt Eingangsstromreferenzsignale I0_{1_REF}, I0_{2_REF}, I0_{3_REF}, I0_{N1_REF} für die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1. Diese Eingangsstromreferenzsignale I0_{1_REF}–I0_{N1_REF} werden durch die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 erhalten, die dazu ausgebildet sind, ihre Eingangsströme I0₁–I0_N1 wie oben erläutert basierend auf diesen Referenzsignalen I0_{1_REF}–I0_{N1_REF} zu regeln.
Der Zellen-Aktivierungs-/Deaktivierungs-Controller 62 ist dazu ausgebildet, den Referenzstrom der wenigstens einen Wandlerzelle, die deaktiviert werden soll, zu Null zu setzen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Pegel der Eingangsstromreferenzsignale der Wandlerzellen, die aktiviert werden sollen (im aktiven Betrieb arbeiten) gleich. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Zellen-Aktivierungs-/Deaktivierungs-Controller 62 dazu ausgebildet, die Eingangsstromreferenzsignale der aktivierten Wandlerzellen mit unterschiedlichen Strompegeln zu erzeugen. Der Zellen-Aktivierungs-/Deaktivierungs-Controller 62 erzeugt die Signalpegel der aktiven Wandlerzellen beispielsweise basierend auf den Zwischenkreisspannungen derart, dass das Referenzsignal absinkt, wenn die Zwischenkreisspannung ansteigt, um die Zwischenkreiskondensatoren der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 langsamer zu laden, die eine relativ hohe Zwischenkreisspannung V2₁–V2_N2 haben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Aktivierungs-/Deaktivierungs-Controller 32 dazu ausgebildet, die Stromreferenzsignale der aktiven Wandlerzellen basierend auf Effizienzkurven der aktiven Wandlerzellen derart zu erzeugen, dass diese Wandlerzellen in einem Hocheffizienz-Bereich arbeiten. Ein Hocheffizienz-Bereich ist beispielsweise ein Bereich in dem die Effizienz wenigstens 60% oder wenigstens 75% einer maximalen Effizienz ist.
In jedem Fall entspricht die Summe der Referenzsignale jedoch dem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF}. Das heißt,
Damit ist die Eingangsleistung nur abhängig von dem Eingangsleistungsreferenzsignal P_{IN_REF} beziehungsweise dem Eingangsstromreferenzsignal. Damit führt das Betreiben des Multizellenwandlers 10 im Phasenabwurf-Betrieb nicht zu wesentlichen Änderungen der gewandelten Leistung. Die gewandelte Leistung ist die Eingangsleistung, die der erste Wandler 10 am Eingang erhält, und die an die Zwischenkreiskondensatoren beziehungsweise die an den zweiten Wandler gelieferte Ausgangsleistung.
Aktivieren/Deaktivieren von Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 des ersten Leistungswandlers basierend auf einem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} kann insbesondere durch eine Leistungswandlerschaltung durchgeführt werden, die eine Gleichspannung als Eingangsspannung V_IN erhält.
Allerdings ist das Aktivieren/Deaktivieren von Wandlerzellen in einem Leistungswandler mit einer IP- oder OP-Topologie nicht auf Leistungswandler beschränkt, die eine Gleichspannung erhalten oder erzeugen. Ein solches Aktivieren oder Deaktivieren von Wandlerzellen kann auch in einem Multizellenwandler des in 29 dargestellten Typs durchgeführt werden, der mehrere Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 umfasst, deren Zelleneingänge parallel geschaltet sind, der eine PFC-Funktionalität besitzt und der eine periodische Eingangsspannung V_IN erhält. Wie unten anhand der 50 und 53 weiter im Detail erläutert wird, variiert die Eingangsleistung P_IN in einem solchen Leistungswandler periodisch mit einer Frequenz, die zweimal die Frequenz der Eingangsspannung V_IN ist. Die Eingangsleistung ist Null, wenn der Momentanpegel der Eingangsspannung V_IN Null ist, und steigt an, wenn der Pegel der Eingangsspannung ansteigt, bis die Eingangsspannung V_IN das Maximum erreicht. Nachdem die Eingangsspannung das Maximum (oder das Minimum in der weniger tiefen Halbwelle) erreicht hat, sinkt die Eingangsleistung ab, bis die Eingangsspannung wieder Null erreicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Wandlerzellen 2 ₁–2 _N1 basierend auf dem Pegel von wenigstens einem von der Eingangsspannung V_IN und dem Eingangsstrom I_IN derart aktiviert und deaktiviert, dass die Anzahl der aktivierten Wandlerzellen innerhalb einer Halbwelle zunimmt, wenn die Eingangsspannung V_IN und/oder der Eingangsstrom zunimmt, und abnimmt, wenn die Eingangsspannung V_IN und/oder der Eingangsstrom abnimmt. Die Reihenfolge, in der die Wandlerzellen in einer Halbwelle aktiviert und deaktiviert werden, kann sich ändern, so dass die Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 gleich geladen werden. Ein Controller (in 29 nicht dargestellt) kann die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 basierend auf wenigstens einem von der Eingangsspannung V_IN und dem Eingangsstrom I_IN aktivieren und deaktivieren.
Entsprechend können bei einem Multizellenwandler des in 37 dargestellten Typs, der mehrere Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 aufweist, deren Zelleneingänge parallel geschaltet sind, der eine PFC-Funktionalität besitzt und der eine periodische Ausgangsspannung V_OUT erhält, die Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 basierend auf dem Pegel von wenigstens einem von der Ausgangsspannung V_OUT und dem Ausgangsstrom I_OUT derart aktiviert und deaktiviert werden, dass die Anzahl der aktivierten Wandlerzellen innerhalb einer Halbwelle zunimmt, wenn die Ausgangsspannung V_OUT und/oder der Ausgangsstrom I_OUT ansteigt, und abnimmt, wenn die Ausgangsspannung V_OUT und/oder der Ausgangsstrom I_OUT ab sinkt. 49 zeigt einen Hauptcontroller 6 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Hauptcontroller 6 anstelle des Eingangsspannungscontrollers 61 einen Zwischenkreisspannungscontroller 60, der dazu ausgebildet ist, das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} basierend auf einer Differenz zwischen der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT und der gewünschten Zwischenkreisspannung zu erzeugen.
Eine andere Möglichkeit, die Effizienz eines Multizellen-Leistungswandlers unter Niedriglastbedingungen zu steigern, besteht darin, den Multizellen-Leistungswandler intermittierend derart zu betreiben, dass eine durchschnittliche gewandelte Leistung wechselt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Multizellen-Leistungswandler einer von einem IS-, OS-, IP- oder OP-Leistungswandler mit einer PFC-Funktionalität, wie beispielsweise einer der zuvor erläuterten IS-, OS-, IP- oder OP-Leistungswandler mit PFC-Funktionalität. Das Betreiben solcher Leistungswandler in einer intermittierenden Betriebsart (engl.: intermittent operation mode) wird anhand der 50–53 erläutert. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Multizellenwandler einer von einem IS-, OS-, IP- oder OP-Leistungswandler, der dazu ausgebildet ist, eine Gleichspannung zu erhalten oder bereitzustellen. Das Betreiben solcher Leistungswandler in einer intermittierenden Betriebsart wird anhand der 54–59 erläutert.
Allgemein variiert bei einem IS-, OS-, IP- oder OP-Wandler mit PFC-Funktionalität die gewandelte Leistung periodisch, da die Eingangsspannung und der Eingangsstrom periodisch variieren. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung V_IN in einem IS-, IP-Wandler (oder die Ausgangsspannung V_OUT in einem OS- oder OP-Wandler) eine Sinusspannung ist und der Eingangsstrom I_IN (der Ausgangsstrom I_OUT) einen sinusförmigen Signalverlauf hat, hat die gewandelte Leistung einen Sinusquadrat-Signalverlauf und eine Frequenz, die zwei Mal die Frequenz der Sinusspannung ist. Die gewandelte Leistung ist die am Eingang IN1, IN2 erhaltene Eingangsleistung in einem IS- oder IP-Wandler und die am Ausgang OUT1, OUT2 bereitgestellte Ausgangsleistung P_OUT in einem OS- oder OP-Wandler. In einem Normalbetrieb (einem nicht-in-termittierenden Betrieb) sind der durchschnittliche Leistungspegel und der Spitzenleistungspegel der gewandelten Leistung nur abhängig von der zu wandelnden Leistung. Diese zu wandelnde Leistung kann definiert werden durch das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} beziehungsweise das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF}.
Im intermittierenden Betrieb wechseln der durchschnittliche Leistungspegel und der Spitzenleistungspegel. Dies wird anhand von 50 erläutert, die schematisch den Signalverlauf einer Eingangsspannung V_IN eines IS-Leistungswandlers oder den Signalverlauf einer Ausgangsspannung V_OUT eines OS-Leistungswandlers veranschaulicht. Die in 50 dargestellte Spannung ist eine Sinusspannung. Allerdings gilt die unten erläuterte Betriebsart entsprechend für eine gleichgerichtete Sinusspannung. 50 veranschaulicht weiterhin den Eingangsstrom I_IN beziehungsweise den Ausgangsstrom I_OUT und die Eingangsleistung P_IN beziehungsweise die Ausgangsleistung P_OUT.
Bei dem in 50 dargestellten Ausführungsbeispiel wandelt der Leistungswandler Leistung nur während negativer Halbwellen der Eingangsspannung V_IN beziehungsweise der Ausgangsspannung V_OUT. Während dieser negativen Halbwellen folgt der Signalverlauf des Stroms I_IN, I_OUT dem Signalverlauf der Spannung V_IN/V_OUT. Das heißt, der Strom I_IN/I_OUT ist im Wesentlichen in Phase mit V_IN/V_OUT, und ein Strompegel ist im Wesentlichen proportional zu einem Spannungspegel der Spannung V_IN/V_OUT. Die Leistung P_IN, P_OUT besitzt einen Sinusquadrat-Signalverlauf während der negativen Halbzyklen. 50 veranschaulicht außerdem die durchschnittlichen Leistungspegel P_{IN_AVG}, P_{OUT_AVG} während der negativen Halbwellen.
Bei dem in 50 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Multizellenwandler derart betrieben, dass der Strom I_IN, I_OUT, und damit der durchschnittliche Leistungspegel P_{IN_AVG}, P_{OUT_AVG} in den positiven Halbwellen Null ist. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Allgemein bedeutet Betreiben des Multizellenwandlers in der intermittierenden Betriebsart das Betreiben des Multizellenwandlers derart, dass der durchschnittliche Leistungspegel zwischen verschiedenen Pegeln wechselt, wobei einer dieser Pegel weniger als 80%, weniger als 50%, oder sogar weniger als 30% des anderen dieser Pegel ist. Der "durchschnittliche Leistungspegel" ist der durchschnittliche Leistungspegel in einer Halbperiode, das heißt, in einer Zeitperiode zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Nulldurchgängen der Spannung V_IN/V_OUT. Dies gilt für eine Sinusspannung und eine gleichgerichtete Sinusspannung. Bei einer Sinusspannung sind Nulldurchgänge solche Zeiten, zu denen der Spannungspegel Null ist, das heißt, zu denen die Spannung von einem positiven zu einem negativen Pegel, und umgekehrt, wechselt. Bei einer gleichgerichteten Sinusspannung sind Nulldurchgänge solche Zeiten, zu denen die Spannung Null wird oder nahezu Null wird, bevor der Spannungspegel wieder ansteigt.
Bei dem in 50 dargestellten Ausführungsbeispiel wechselt der durchschnittliche Leistungspegel P_{IN_AVG}, P_{OUT_AVG} mit jeder Halbwelle, so dass die Frequenz von Änderungen des durchschnittlichen Leistungspegels das Zweifache der Frequenz der Spannung V_IN/V_OUT ist. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Anstatt die durchschnittliche Leistung nur in jeder zweiten Halbwelle (jeder positiven Halbwelle) zu reduzieren, kann es zwei oder mehr Halbwellen geben, in denen die durchschnittliche Leistung auf einen niedrigeren Pegel reduziert wird, bevor wieder eine Halbwelle vorhanden ist, in der die durchschnittliche Leistung den höheren Pegel hat. Es ist auch möglich, den höheren Pegel für zwei oder mehr aufeinander folgende Halbwellen zu haben und dann auf den niedrigeren Pegel für eine, zwei oder mehr aufeinander folgende Halbwellen zu wechseln. In jedem Fall wechselt im intermittierenden Betrieb der durchschnittliche Leistungspegel zwischen verschiedenen Pegeln. Die durchschnittlichen Leistungspegel, zwischen denen die durchschnittliche Leistung wechselt, kann variieren. Das heißt, der untere Pegel kann sich beispielsweise zwischen einem ersten Zeitpunkt, wenn die durchschnittliche Leistung den unteren Pegel annimmt, und einen zweiten Zeitpunkt, der nach dem ersten Zeitpunkt liegt, ändern.
51 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 4, eines IS-Leistungswandlers, der eine Funktionalität für einen intermittierenden Betrieb besitzt. Der in 51 dargestellte Hauptcontroller 4 basiert auf dem Hauptcontroller 4, der in 13 dargestellt ist (auf deren Beschreibung Bezug genommen wird), und unterscheidet sich von dem in 13 dargestellten Hauptcontroller 4 dadurch, dass er zusätzlich zwischen dem Eingangsreferenzstromcontroller 41 und dem Modulationsindexcontroller 42 einen Controller für den intermittierenden Betrieb umfasst. Der Controller 43 für den intermittierenden Betrieb erhält das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} von dem Eingangsreferenzstromcontroller 41 und ist dazu ausgebildet, ein modifiziertes Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF'} derart zu erzeugen, dass das modifizierte Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF'} dem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} während bestimmter Halbwellen der Spannung V_IN/V_OUT entspricht und dass das modifizierte Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF'} während bestimmter Halbwellen der Spannung V_IN/V_OUT eine niedrigere Amplitude, wie beispielsweise Null besitzt. Bei dem in 50 dargestellten Ausführungsbeispiel leitet der Controller 43 für den intermittierenden Betrieb das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} während der negativen Halbwellen der Spannung V_IN/V_OUT an den Modulationsindexcontroller 42 weiter und setzt das modifizierte Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF}' während der positiven Halbwellen der Spannung V_IN/V_OUT zu Null. Während solcher Zeitperioden, in den das modifizierte Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF}' Null ist, erzeugt der Modulationsindexcontroller 42 den Modulationsindex m derart, dass der Eingangsstrom I_IN des Leistungswandlers Null ist. Während dieser Zeitperiode können die einzelnen Wandlerzellen weiterhin in einem getakteten Betrieb betrieben werden, so dass es Zeitperioden geben kann, in denen der Multizellen-Leistungswandler einen Eingangsstrom erhält. Allerdings gibt es auch Zeitperioden, in denen der Eingangsstrom negativ ist (der Multizellen-Leistungswandler einen Strom an die Leistungsquelle liefert), so dass der durchschnittliche Eingangsstrom während solcher Zeitperioden, in denen das modifizierte Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF'} Null ist, Null ist.
Während solcher Zeitperioden, in denen das modifizierte Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF'} Null ist, kann der Multizellen-Leistungswandler die Zelleneingangsspannungen V1₁–V1_N1 wie zuvor erläutert immer noch erzeugen. Insbesondere kann der Hauptcontroller in solchen Zeitperioden, in denen der durchschnittliche Eingangsstrom Null sein soll, nur eine Wandlerzelle in einem Ansteuerzyklus getaktet betreiben. Dies wird anhand des in 27 dargestellten Zeitdiagramms erläutert. Bezug nehmend auf 27, schaltet die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT zwischen zwei Spannungspegeln, die einem Bereich des Modulationsindex m zugeordnet sind. Bei dem in 27 dargestellten Ausführungsbeispiel schaltet die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT zwischen Null und V2_TOT/N1, wenn der Modulationsindex zwischen 0 und 0,25 ist, schaltet zwischen V2_TOT/N1 und V2_TOT/3, wenn der Modulationsindex zwischen 0,25 und 0,5 ist, und so weiter.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Multizellen-Leistungswandler derart betrieben, dass nur eine Wandlerzelle getaktet betrieben wird, um die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT zwischen zwei verschiedenen Spannungspegeln (wie beispielsweise zwischen V2_TOT/N1 und V2_TOT/3 bei dem in 27 dargestellten Ausführungsbeispiel) zu schalten und die anderen Wandlerzellen statisch zu betreiben. "Die anderen Wandlerzellen statisch zu betreiben" bedeutet, dass eine Wandlerzelle in den Aus-Zustand schaltet, wenn der Modulationsindex einen bestimmten Pegel erreicht, und in diesem Aus-Zustand bleibt, bis der Modulationsindex wieder unter diesen bestimmten Pegel fällt. Eine Wandlerzelle kann beispielsweise ausgeschaltet werden, wenn der Modulationsindex bei dem in 27 dargestellten Ausführungsbeispiel 0,25 erreicht, um einen Anteil von V2_TOT/N1 zu der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT beizutragen, und bleibt im Aus-Zustand, bis der Modulationsindex unter 0,25 fällt. Diese Betriebsart, in der nur eine Wandlerzelle getaktet betrieben wird und in der die anderen Wandlerzellen "statisch" betrieben werden, wird nachfolgend als Blockbetrieb bezeichnet. Die Anzahl der Wandlerzellen, die statisch im Aus-Zustand betrieben werden, nimmt zu, wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung zunimmt. Das heißt, basierend auf dem Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN werden die Wandlerzellen in einen von dem PWM-Betrieb, dem Ein-Betrieb und dem Aus-Betrieb betrieben, wobei gemäß einem Ausführungsbeispiel zu einer Zeit nur eine Wandlerzelle im PWM-Betrieb betrieben wird.
Bei dem in 50 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die durchschnittliche durch den Multizellenwandler erhaltene/bereitgestellte Leistung während der negativen Halbwelle Null und unterscheidet sich in den positiven Halbwellen von Null. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die durchschnittliche Leistung, die während der negativen Halbwellen bereitgestellt wird, das Zweifache der durchschnittlichen Leistung, die erhalten/bereitgestellt würde, wenn der Multizellenwandler kontinuierlich (nicht intermittierend) betrieben würde. Wie allerdings anhand von 40 erläutert, kann die Effizienz der Wandlerzellen des Multizellenwandlers abnehmen, wenn die durch die einzelnen Wandlerzellen gewandelte Leistung abnimmt. Ein intermittierendes Betreiben des Multizellenwandlers, das heißt, das Betreiben des Multizellenwandlers bei einer höheren Leistung während bestimmter Zeitperioden (wie beispielsweise den negativen Halbwellen bei dem in 50 dargestellten Ausführungsbeispiel) kann die Effizienz des Multizellen-Leistungswandlers erhöhen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel berechnet der Controller 43 für den intermittierenden Betrieb die während einer Halbwelle erhaltene durchschnittliche Eingangsleistung und entscheidet basierend auf dieser Berechnung, ob der Multizellen-Leistungswandler in der intermittierenden Betriebsart oder im Normalbetrieb betrieben werden soll. Im Normalbetrieb leitet der Controller 43 für den intermittierenden Betrieb das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} an den Modulationsindexcontroller 42 weiter. Im intermittierenden Betrieb wird das Verhältnis zwischen solchen Zeitperioden, in denen die Eingangsleistung Null ist, und solchen Zeitperioden, in denen sich die Eingangsleistung von Null unterscheidet (dieses Verhältnis ist 1:1 bei dem in 50 dargestellten Ausführungsbeispiel) basierend auf der berechneten Leistung berechnet. Bezug nehmend auf 51 kann der Controller für den intermittierenden Betrieb das Eingangsspannungssignal V_{IN_M} und das Eingangsstromsignal I_{IN_M} erhalten, um die durchschnittliche Eingangsleistung während einer Halbwelle der Spannung V_IN/V_OUT zu berechnen.
52 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 5 in einem OS-Multizellenwandler, der eine Funktionalität für einen intermittierenden Betrieb besitzt. Dieser Hauptcontroller 5 basiert auf dem Hauptcontroller 5, der in 35 dargestellt ist (auf deren Beschreibung Bezug genommen wird) und unterscheidet sich von dem in 35 dargestellten Hauptcontroller 5 dadurch, dass er einen Controller 53 für den intermittierenden Betrieb zwischen dem Ausgangsreferenzstromcontroller 51 und dem Modulationsindexcontroller 52 umfasst. Dieser Controller 53 für den intermittierenden Betrieb erhält das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} von dem Ausgangsreferenzstromcontroller und liefert ein modifiziertes Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF'} an den Modulationsindexcontroller 52. Der Betrieb des in 52 dargestellten Hauptcontrollers 5 kann dem Betrieb des in 51 dargestellten Hauptcontrollers 4 entsprechen, mit dem Unterschied, dass der in 52 dargestellte Hauptcontroller 5 das Ausgangsspannungssignal V_{OUT_M} und das Ausgangsstromsignal I_{OUT_M} anstelle des Eingangsspannungssignals V_{IN_M} und des Eingangsstromsignals I_{IN_M} verarbeitet. Was allerdings bezüglich der Eingangsspannung V_IN und des Eingangsstroms I_IN bei einem IS-Leistungswandler erläutert wurde, gilt für die Ausgangsspannung V_OUT und den Ausgangsstrom I_OUT in einem OS-Leistungswandler entsprechend.
Das Betreiben eines Multizellen-Leistungswandlers in einer intermittierenden Betriebsart ist nicht auf einen Multizellen-Leistungswandler mit einer IS-Topologie oder einer OS-Topologie beschränkt. Die zuvor anhand der 50–52 erläuterte intermittierende Betriebsart kann entsprechend bei einem IP-Leistungswandler des in 29 dargestellten Typs und einem OP-Leistungswandler des in 37 dargestellten Typs verwendet werden. 53 zeigt Zeitdiagramme der Eingangsspannung V_IN beziehungsweise der Ausgangsspannung V_OUT des Zelleneingangsstroms I0_i beziehungsweise des Zellenausgangsstroms I2_i einer Wandlerzelle und der Eingangsleistung P_IN beziehungsweise der Ausgangsleistung P_OUT des Multizellenwandlers mit einer dieser IP- und OP-Topologien. Jede dieser parallel geschalteten Wandlerzellen kann in einer zuvor erläuterten intermittierenden Betriebsart betrieben werden. Im intermittierenden Betrieb wechselt die durch eine Wandlerzelle gewandelte durchschnittliche Leistung zwischen einem höheren Pegel und einem niedrigeren Pegel, wobei der niedrigere Pegel geringer als 80%, geringer als 50% oder sogar geringer als 30% des ersten Pegels sein kann. Zellencontroller, dieser Wandlerzellen können den in den 51 beziehungsweise 52 dargestellten Hauptcontrollern 4 und 5 entsprechen, mit dem Unterschied, dass ein Controller anstelle eines Gesamt-Zwischenkreisspannungssignals V2_{TOT_REF} und jedes der Zwischenkreisspannungssignale V2_{1_M}–V2_{N2_M} nur ein Zwischenkreisspannungsreferenzsignal und das Zwischenkreisspannungssignal der jeweiligen Wandlerzelle verarbeitet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist bei der intermittierenden Betriebsart eines Leistungswandlers mit parallel geschalteten Wandlerzellen die Anzahl der Wandlerzellen, die bei dem niedrigeren Pegel arbeiten, in jeder Halbwelle dieselbe. Wenn der erste durchschnittliche Leistungspegel der einzelnen Wandlerzellen derselbe ist, und wenn der niedrigere durchschnittliche Leistungspegel der einzelnen Wandlerzellen derselbe ist, ist der gesamte durchschnittliche Leistungspegel (welcher die Summe der durchschnittlichen Leistungspegel der einzelnen Wandlerzellen ist) in jeder Halbwelle im Wesentlichen gleich. In diesem Fall führt das Betreiben der einzelnen Wandlerzellen in dem intermittierenden Betrieb nicht zu einem variierenden durchschnittlichen Leistungspegel des Multizellenwandlers.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird jede Wandlerzelle in einem Leistungswandler mit parallel geschalteten Wandlerzellen in einem intermittierenden Betrieb betrieben und die Wandlerzellen sind so synchronisiert, dass sie ihren durchschnittlichen Leistungspegel zur selben Zeit ändern. In diesem Fall variiert der durchschnittliche Leistungspegel des Multizellenwandlers. Dies ist in 53 dargestellt, wo der durchschnittliche gewandelte Leistungspegel P_{IN_AVG}, P_{OUT_AVG} so gezeichnet ist, dass er variiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird wenigstens eine Wandlerzelle in dem intermittierenden Betrieb betrieben und wenigstens eine Wandlerzelle wird im Normalbetrieb betreiben. In diesem Fall kann die gewandelte Leistung P_IN, P_OUT einen Signalverlauf haben, wie er in 53 in gestrichelten Linien dargestellt ist.
Wenn in einer der zuvor anhand der 1 und 4–7 erläuterten Leistungswandlerschaltungen der erste Leistungswandler eine IS- oder IP-Topologie aufweist und, wie anhand der 50–53 erläutert, in einer intermittierenden Betriebsart betrieben wird, wirken die Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 als Puffer, die einen kontinuierlichen Leistungsfluss an den zweiten Leistungswandler 20 und die Last gewährleisten. Wenn der zweite Leistungswandler 20 mit einer von einer OS-Topologie und OP-Topologie realisiert ist, kann der erste Leistungswandler 10 kontinuierlich Leistung von der Leistungsquelle aufnehmen und die Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 laden.
54 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Betreiben eines Multizellen-Leistungswandlers mit einer IP-Topologie oder einer OP-Topologie, so wie beispielsweise einer der zuvor anhand der 29 und 38 erläuterten Topologien, in einem intermittierenden Betrieb. 54 zeigt Zeitdiagramme der Aktivierungszustände der einzelnen Wandlerzellen. Diese Wandlerzellen sind Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 in einem OP-Leistungswandler und Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 in einem IP-Leistungswandler. Gemäß dem in 54 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Betreiben des Leistungswandlers in dem intermittierenden Betrieb das Aktivieren nur einer Wandlerzelle zu einer Zeit umfassen. In der in 54 dargestellten Zeitperiode ist eine erste Wandlerzelle 2 ₁ bzw. 1 ₁ und eine zweite Wandlerzelle 2 ₁ bzw. 2 ₂ aktiviert. T_OP bezeichnet eine Aktivierungszeit, welches eine Zeitdauer ist, in der die jeweilige Wandlerzelle aktiviert ist. Diese Aktivierungszeiten sind bei dem in 54 dargestellten Ausführungsbeispiel so gezeichnet, dass sie gleich sind. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Diese Aktivierungszeiten können abhängig von verschiedenen Parametern variieren. Dies ist unten weiter im Detail erläutert. Bei dem in 54 dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es eine Zeitperiode zwischen den Aktivierungszeiten der Wandlerzellen 2 ₁, 2 ₂. Damit wechselt die gewandelte Leistung P_OUT (P_IN). Das heißt, es gibt Zeiten, zu denen der Leistungspegel der gewandelten Leistung von einem höheren Pegel zu einem niedrigeren Pegel wechselt, und Zeiten, zu denen der Leistungspegel der gewandelten Leistung von dem niedrigeren Pegel zu dem höheren Pegel wechselt. Der höhere Pegel und der niedrigere Pegel können variieren. Allerdings ist jedes Mal dann, wenn ein Wechsel des Leistungspegels von dem höheren Pegel zu dem niedrigeren Pegel erfolgt, der niedrigere Pegel geringer als 80%, geringer als 50% oder sogar geringer als 30% des höheren Pegels.
Bei dem in 54 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der niedrigere Pegel Null. Das heißt, es gibt Zeiten, zu denen keine der Wandlerzellen aktiv ist. Allerdings ist dies nur ein Beispiel. Es ist auch möglich, dass eine oder mehrere Wandlerzellen aktiv sind, während wenigstens eine andere Zelle intermittierend betrieben wird. In diesem Fall ist der niedrigere Pegel von Null verschieden.
Wenn in einer der zuvor erläuterten Leistungswandlerschaltungen der zweite Leistungswandler 20 als OP-Wandler mit einer Funktionalität für einen intermittierenden Betrieb realisiert ist, kann ein Ausgangskondensator 30 für einen kontinuierlichen Leistungsfluss zu der Last Z sorgen. Dies ist in 55 schematisch dargestellt. 55 zeigt einen Abschnitt der Leistungswandlerschaltung. Bezug nehmend auf 55 kann ein Ausgangskondensator zwischen die Ausgangsknoten OUT1, OUT2 geschaltet sein. Dieser Ausgangskondensator 30 wird intermittierend mit Leistung durch den eine OP-Topologie aufweisenden zweiten Leistungswandler 20 versorgt. Aufgrund der Ladungsspeicherfähigkeit des Ausgangskondensators 30 kann die Last Z jedoch kontinuierlich Leistung von der Leistungswandlerschaltung am Ausgang OUT1, OUT2 aufnehmen.
56 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines Multizellenwandlers mit OP-Topologie in einem intermittierenden Betrieb. Bezug nehmend auf 56 umfasst das Verfahren das Auswerten des Ausgangsstromreferenzsignals I_{OUT_REF} (1031). Das Ausgangsstromreferenzsignal repräsentiert die gewünschte Ausgangsleistung des Multizellenwandlers. Anstelle des Ausgangsstromreferenzsignals kann ein anderes Signal, das die Ausgangsleistung repräsentiert, ebenso verwendet werden. Das Auswerten des Ausgangsstromreferenzsignals I_{OUT_REF} umfasst das Vergleichen des Ausgangsstromreferenzsignals I_{OUT_REF} mit einem optimalen Ausgangsstromsignal I_{OUT_OPT} einer Wandlerzelle. Dieses optimale Ausgangsstromsignal repräsentiert eine Ausgangsleistung, bei der die Wandlerzelle entweder ihre maximale Effizienz aufweist, oder bei der die Effizienz der Wandlerzelle nicht unterhalb eines vordefinierten Effizienzpegels liegt. Anstelle des optimalen Ausgangsstromsignals kann ein anderes Signal, das die Ausgangsleistung repräsentiert, bei der die Wandlerzelle ihre maximale Effizienz aufweist, ebenso verwendet werden.
Bezug nehmend auf 56 wird der Multizellenwandler in einem nicht-intermittierenden Betrieb betrieben, wenn das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} nicht unterhalb des optimalen Ausgangsstroms I_{OUT_OPT} ist. Dieser Betrieb wird als Normalbetrieb (1030) in 56 bezeichnet. Dieser Normalbetrieb kann einen Phasenabwurf umfassen, so dass in der Normalbetriebsart einige der Wandlerzellen inaktiv sein können, wie zuvor anhand der 40 bis 49 erläutert. Allerdings ist in der Normalbetriebsart wenigstens eine Wandlerzelle zu einer Zeit aktiv, so dass es keine Zeitperiode gibt, in der jede der Wandlerzellen inaktiv (deaktiviert) ist.
Wenn, Bezug nehmend auf 56, das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} unterhalb des Pegels des optimalen Ausgangsstromsignals I_{OUT_OPT} einer Wandlerzelle ist, geht der Multizellenwandler in den intermittierenden Betrieb über, in dem die Betriebsdauer T_OP berechnet wird (1032), wie in 56 dargestellt. Dann wird die Wandlerzelle, die die höchste Eingangsspannung aufweist, identifiziert und der Referenzstrom der identifizierten Wandlerzelle wird für die berechnete Zeitdauer T_OP auf I_{OUT_OPT} gesetzt und die Referenzströme der anderen Wandlerzellen werden zu Null gesetzt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel geht der Leistungswandler zunächst in den Phasenabwurf-Betrieb über, wenn der Pegel des Leistungsreferenzsignals (wie beispielsweise des Ausgangsstromreferenzsignals) absinkt, und geht schließlich in den intermittierenden Betrieb über, wenn das Leistungsreferenzsignal (wie beispielsweise das Ausgangsstromreferenzsignal) weiter absinkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Wandlerzellen so gestaltet, dass sie im Wesentlichen denselben optimalen Ausgangsstrom I_{OUT_OPT} haben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Wandlerzellen so entworfen, dass sie unterschiedliche optimale Ausgangsströme I_{OUT_OPT} haben. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann intermittierende Betriebsart beginnen, wenn das Ausgangsreferenzsignal I_{OUT_REF} unter den Pegel des niedrigsten optimalen Ausgangsstroms absinkt, dann wird die Wandlerzelle, die die höchste Eingangsspannung aufweist, identifiziert, und die Betriebsdauer wird basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} und dem optimalen Ausgangsstrom I_{OUT_OPT} der identifizierten Wandlerzellen berechnet. Die identifizierte Wandlerzelle wird dann für die berechnete Zeitdauer bei ihrem optimalen Ausgangsstrom betrieben, während die anderen Wandlerzellen bei einem Ausgangsstrom von Null betrieben werden.
57 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines Multizellenwandlers mit einer IP-Topologie im intermittierenden Betrieb. Das in 57 dargestellte Verfahren basiert auf dem in 56 dargestellten Verfahren, auf welches Bezug genommen wird. Der Unterschied zwischen dem anhand von 56 erläuterten Verfahren und dem in 57 dargestellten Verfahren, besteht darin, dass in dem Multizellenwandler mit der IP-Topologie das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} mit einem optimalen Eingangsstrom I_{IN_OPT} verglichen wird (vergleiche 1041 in 57) und dass die Betriebsdauer T_OP basierend auf dem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} und dem optimalen Eingangsstrom I_{IN_OPT} berechnet wird. Alles was anhand des in 56 veranschaulichten Verfahrens erläutert wurde, gilt für das in 57 veranschaulichte Verfahren entsprechend.
58 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 3 in einem Multizellenwandler mit OP-Topologie. Der Hauptcontroller 3 basiert auf dem in 33 dargestellten Hauptcontroller 3 und unterscheidet sich von diesem in 33 dargestellten Hauptcontroller dadurch, dass der Controller 33 für den intermittierenden Betrieb das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT'_REF} von dem Ausgangsspannungscontroller 31 (der weggelassen werden kann, wenn der Ausgangsstrom geregelt werden soll) erhält und die Ausgangsstromreferenzsignale I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} gemäß dem anhand von 56 erläuterten Verfahren erzeugt. Das heißt, der Controller 33 für den intermittierenden Betrieb legt den Signalpegel der identifizierten Wandlerzelle auf I_{OUT_OPT} für die berechnete Betriebsdauer T_OP fest.
59 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 6 in einem Multizellenwandler der eine IP-Topologie aufweist und eine Funktionalität für einen intermittierenden Betrieb besitzt. Dieser in 59 dargestellte Hauptcontroller 6 basiert auf dem in 39 dargestellten Controller 6 und unterscheidet von diesem in 39 dargestellten Controller dadurch, dass er zusätzlich einen Controller 63 für den intermittierenden Betrieb aufweist, der das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} von dem Eingangsspannungscontroller 61 (der weggelassen werden kann, wenn der Ausgangsstrom geregelt werden soll) erhält und die Eingangsstromreferenzsignale I0_{1_REF}–I0_{N1_REF} gemäß dem anhand von 57 erläuterten Verfahren erzeugt. Das heißt, der Controller 63 für den intermittierenden Betrieb setzt den Signalpegel der identifizierten Wandlerzelle für die berechnete Betriebsdauer T_OP auf I_{IN_OPT}.
Bei jeder der anhand der 56 und 57 erläuterten intermittierenden Betriebsarten können das Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} beziehungsweise das Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} periodisch ausgewertet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel geht der Multizellenwandler in den intermittierenden Betrieb über, der das Leistungsreferenzsignal unter eine erste Schwelle (die in den 56 und 57 dargestellten Ausführungsbeispielen mit I_{OUT_OPT} und I_{IN_OPT} bezeichnet sind) absinkt, und verlässt den intermittierenden Betrieb, wenn das Leistungsreferenzsignal über eine zweite Schwelle, die höher als die erste Schwelle ist, ansteigt. Eine solche Hysterese verhindert, dass der Multizellenwandler häufig zwischen dem intermittierenden und dem nicht-intermittierenden Betrieb wechselt, wenn das Leistungsreferenzsignal einen Pegel aufweist, der nahe der ersten Schwelle ist.
60 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, bei der der Leistungswandler 10 eine IS-Topologie aufweist und zusätzlich zu den Wandlerzellen 1 ₁-1 _N1 eine Filterzelle 1 ₀ aufweist. Wie oben erläutert, sind die Wandlerzellen 1 ₁-1 _N1 jeweils dazu ausgebildet, eine Zelleneingangsleistung an einem Zelleneingang zu erhalten und eine Zellenausgangsleistung an einem Zellenausgang, an den der Zwischenkreiskondensator 11 ₁–11 _N2 angeschlossen ist, bereitzustellen. Der zweite Leistungswandler 20 ist an die Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁-11 _N2 des ersten Leistungswandlers 10 angeschlossen. Der zweite Leistungswandler 20 kann mit einer der zuvor erläuterten Topologien für den zweiten Leistungswandler realisiert sein.
Die Filterzelle 1 ₀ umfasst einen Kondensator 11 ₀ (der in 60 außerhalb des Blocks, der die Filterzelle 1 ₀ repräsentiert, gezeichnet ist). Anders als die Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 ist der Kondensator 11 ₀ der Filterzelle 1 ₀ nicht an den zweiten Leistungswandler 20 angeschlossen. Die Filterzelle 1 ₀ kann in einem Eingangsleistungsbetrieb, in dem die Filterzelle eine Eingangsleistung an einem Anschluss der Filterzelle erhält, und einem Ausgangsleistungsbetrieb, in dem die Filterzelle eine Ausgangsleistung an dem Anschluss der Filterzelle 1 ₀ bereitstellt, betrieben werden. Der Anschluss der Filterzelle umfasst zwei Knoten und ist in Reihe zu den Zelleneingängen der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 geschaltet. Die Reihenschaltung mit den Zelleneingängen der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 und dem Anschluss der Filterzelle 1 ₀ ist an den Eingang IN1, IN2 der Leistungswandlerschaltung angeschlossen.
Die Filterzelle 1 ₀ kann mit derselben Topologie wie die Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 realisiert werden. Ein Ausführungsbeispiel der Filterzelle 1 ₀ ist in 61 dargestellt. Bei dem in 61 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Filterzelle 1 ₀ mit einer Vollbrückentopologie realisiert, die oben anhand von 24 erläutert ist. Bei der in 61 dargestellten Filterzelle 1 ₀ haben die einzelnen Komponenten dieselben Bezugszeichen wie die entsprechenden Komponenten in der in 24 dargestellten Wandlerzelle 1 _i, wobei ein tiefgestellter Index "0" zu dem Bezugszeichen der in 61 dargestellten Filterzelle 1 ₀ hinzugefügt wurde. Der Betrieb der Filterzelle 1 ₀ entspricht dem Betrieb der Wandlerzelle 1 _i. Das heißt, ein Controller 19 ₀ der Filterzelle 1 ₀ erhält einen Modulationsindex m₀ und steuert den Betrieb des Low-Side-Schalters 17 _0L und des High-Side-Schalters 17 _0H der ersten Halbbrücke 17 ₀ und des Low-Side-Schalters 18 _0L und des High-Side-Schalters 18 _0H der zweiten Halbbrücke 18 ₀ basierend auf dem Modulationsindex m₀ gemäß einem der anhand der 26A und 26B erläuterten Modulationsschemas.
Das Realisieren der Filterzelle 1 ₀ mit einer Vollbrückentopologie ist nur ein Beispiel. Die Filterzelle 1 ₀ könnte ebenso mit nur einer Halbbrücke realisiert werden (wie anhand von 12 erläutert), wenn die Eingangsspannung V_IN eine gleichgerichtete Sinusspannung oder eine Gleichspannung ist.
Der Betrieb des in 60 dargestellten ersten Leistungswandlers 10 wird durch einen Hauptcontroller 4 gesteuert. Ein Ausführungsbeispiel dieses Hauptcontrollers ist in 62 dargestellt. Dieser Hauptcontroller 4 basiert auf dem Hauptcontroller 4, der in 13 dargestellt ist (auf dessen Beschreibung Bezug genommen wird) und unterscheidet sich von dem in 13 dargestellten Hauptcontroller dadurch, dass er zusätzlich einen Wandler- und Filterzellencontroller 44 umfasst, der den Modulationsindex von dem Modulationsindexcontroller 42 erhält. Der Wandler- und Filterzellencontroller 44 liefert einen Modulationsindex m₀ an die Filterzelle 1 ₀ und Modulationsindizes m₁–m_N1 an die Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1.
63 veranschaulicht eine Betriebsart des in 60 dargestellten Leistungswandlers 10 während einer Periode einer sinusförmigen Eingangsspannung V_IN. In 63 bezeichnet V1_TOT die Gesamt-Zelleneingangsspannung und V1₀ bezeichnet die durchschnittliche Zelleneingangsspannung der Filterzelle, das heißt, die über einen oder mehrere Ansteuerzyklen gemittelte Zelleneingangsspannung. Bei dem in 60 dargestellten ersten Leistungswandler 10 wird nur die Filterzelle 1 ₀ getaktet bei der Schaltfrequenz, wie beispielsweise 20 kHz oder höher, betrieben. Die Wandlerzellen können im Blockbetrieb betrieben werden. Das heißt, diese Wandlerzellen können bei einer Frequenz schalten, die zweimal die Frequenz der Eingangsspannung V_IN ist, so dass jede Wandlerzelle nur einmal während einer Halbwelle der Eingangsspannung V_IN in den Aus-Zustand und den Ein-Zustand geschaltet wird. Das heißt, basierend auf einem momentanen Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN werden die Wandlerzellen in einem von zwei Betriebsarten betrieben, dem Ein-Betrieb oder dem Aus-Betrieb. Es ist jedoch auch möglich, die Wandlerzellen mit der Schaltfrequenz der Filterzelle 1 ₀ zu schalten.
64 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Berechnen des Modulationsindex m₀ der Filterzelle und der Modulationsindizes der Wandlerzellen. Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass die Zwischenkreisspannungen der Wandlerzellen im Wesentlichen gleich sind, das heißt gleich V2_TOT/N₁. Bezug nehmend auf 64 umfasst das Verfahren das Berechnen einer Anzahl F von Wandlerzellen, die im Aus-Betrieb betrieben werden sollen (1051). Die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT, die durch diese F Wandlerzellen bereitgestellt wird, ist F·V2_TOT/N1. Das Berechnen dieser Anzahl F umfasst das Bestimmen der Anzahl F von Wandlerzellen, die im Aus-Zustand betrieben werden sollen, durch Berechnen F = Round[m·N1] (23), das heißt, durch das Produkt des Modulationsindex m und der Anzahl N1 der Wandlerzellen und durch Runden des Ergebnissen. Der Modulationsindex m₀ der Filterzelle 1 ₀ wird dann basierend auf der Spannung V2₀ über dem Kondensator 11 ₀ und der gewünschten durchschnittlichen Spannung V1₀ am Anschluss der Filterzelle 1 ₀ während eines Ansteuerzyklus berechnet durch m₀ = V1₀/V2₀ (1052), wobei V2₀ die Spannung über dem Kondensator 11 ₀ und V1₀ die gewünschte Spannung am Anschluss der Filterzelle ist. Die gewünschte Spannung V1₀ am Anschluss der Filterzelle entspricht
wobei m der durch den Modulationsindexcontroller berechnete Modulationsindex und V2_TOT die Gesamt-Zwischenkreisspannung ist.
Der Wandler- und Filterzellencontroller 44 betreibt dann die Filterzelle bei dem berechneten Modulationsindex m₀, betreibt F Wandlerzellen im Aus-Betrieb (Modulationsindex m_i = 1) und betreibt N1 – F Wandlerzellen im Ein-Betrieb (Modulationsindex m_i = 0) (1053). Dieses Bestimmen (1051), Berechnen (1052) und Betreiben (1053) kann zyklisch wiederholt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden diese Schritte regelmäßig wiederholt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Frequenz, bei der diese Schritte wiederholt werden kleiner als das 0,1-fache oder sogar kleiner als 0,01-fache der Schaltfrequenz der Filterzelle 1 ₀.
Bezug nehmend auf die obige Erläuterung können die Wandlerzellen im Blockbetrieb betrieben werden, so dass sie nur einmal in jeder Halbwelle in den Aus-Betrieb und zurück in den Ein-Betrieb geschaltet werden. In einem mit einer Filterzelle realisierten Multizellenwandler, in dem die Wandlerzellen im Blockbetrieb betrieben werden, kann die Filterzelle hinsichtlich niedriger Schaltverluste optimiert werden, während die Wandlerzellen im Hinblick auf niedrige Leitungsverluste realisiert werden können.
Das in 64 veranschaulichte Verfahren gilt für die positive Halbwelle der Eingangsspannung. Während der negativen Halbwelle unterscheidet sich das Verfahren von dem in 64 dargestellten Verfahren da- durch, dass F basierend auf dem Absolutwert des Modulationsindex (der während der negativen Halbwelle negativ ist) berechnet wird und dass die F Wandlerzellen bei einem Modulationsindex m_i = –1 betrieben werden.
Während einer Halbwelle der Eingangsspannung V_IN werden die Wandlerzellen entweder mit m_i = 1 (oder –1) oder m_i = 0 betrieben. Das Vorzeichen des Modulationsindex m₀ der Filterzelle 1 ₀ kann variieren, das heißt, der Modulationsindex m₀ kann während einer Halbwelle positiv und negativ werden. Während der positiven Halbwelle, wenn der Modulationsindex m₀ positiv ist, erhält die Filterzelle 1 ₀ Leistung vom Eingang IN1, IN2. Wenn der Modulationsindex m₀ negativ ist, liefert die Filterzelle 1 ₀ Leistung an die Reihenschaltung mit den Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1. Während der negativen Halbwelle zeigt ein positiver Modulationsindex m₀ an, dass die Filterzelle 1 ₀ Leistung liefert, und ein negativer Modulationsindex m₀ zeigt an, dass die Filterzelle 1 ₀ Leistung erhält. Damit erhält die Filterzelle Leistung (ist in einem Eingangsleistungsbetrieb), wenn das Vorzeichen des Modulationsindex m₀ gleich dem Vorzeichen des Gesamt-Modulationsindex m ist, und liefert Energie (ist im Ausgangsleistungsbetrieb), wenn die Vorzeichen unterschiedlich sind. Grundsätzlich ist die durchschnittliche Leistung, die die Filterzelle 1 ₀ in einer Halbperiode der Eingangsspannung V_IN erhält, Null, so dass die Spannung V2₀ über dem Kondensator 11 ₀ um einen bestimmten Spannungspegel, wie beispielsweise Null, schwingt.
Beispielsweise während der positiven Halbwelle ist der Modulationsindex positiv, wenn die Summe der Zellenausgangsspannungen der F Wandlerzellen, die im Aus-Zustand sind, geringer ist als der Pegel der Eingangsspannung, und ist negativ, wenn die Summe der Zellenausgangsspannungen der F Wandlerzellen, die im Aus-Zustand sind, höher ist als der Pegel der Eingangsspannung V_IN. Während der negativen Halbwelle ist der Modulationsindex negativ, wenn die Summe der Zellenausgangsspannungen der F Wandlerzellen, die im Aus-Zustand sind, geringer ist als der (Absolutwert des) Pegel(s) der Eingangsspannung, und ist positiv, wenn die Summe der Zellenausgangsspannungen der F Wandlerzellen, die im Aus-Zustand sind, höher ist als der (Absolutwert des) Pegel(s) der Eingangsspannung V_IN.
65 veranschaulicht den Betrieb des in 60 dargestellten ersten Leistungswandlers 10 während eines Ansteuerzyklus (der die Dauer T_p aufweist). Bei dem Ausführungsbeispiel sind zwei der Wandlerzellen während der gesamten Dauer T_p des Ansteuerzyklus im Aus-Zustand und zwei der Wandlerzellen sind während der gesamten Dauer des Ansteuerzyklus T_p im Ein-Zustand. Die Filterzelle 1 ₀ wird basierend auf dem Modulationsindex m₀ (wobei der Duty-Cycle d₀ gegeben ist durch d₀ = 1 – m₀) getaktet betrieben.
Bezug nehmend auf das Voranstehende können die Wandlerzellen im Blockbetrieb betrieben werden. Es ist jedoch auch möglich, den Multizellenwandler so zu betreiben, dass eine Gruppe von Wandlerzellen, die im Aus-Zustand sind, und entsprechend eine andere Gruppe von Wandlerzellen, die im Ein-Zustand sind, von Ansteuerzyklus zu Ansteuerzyklus wechseln. Es ist jedoch auch möglich, dieselben Wandlerzellen im Aus-Zustand und dieselben Wandlerzellen im Ein-Zustand zu betreiben, bis der Modulationsindex m₀ der Filterzelle 1 ₀ erneut berechnet wird. Auf diese Weise werden die Zwischenkreiskondensatoren gleichmäßiger geladen.
66 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Leistungswandlers 20, der eine Filterzelle 2 ₀ aufweist. Wie die in 60 dargestellte Filterzelle 1 ₀ umfasst die Filterzelle 1 ₀ einen Anschluss. Der Anschluss der Filterzelle 2 ₀ ist in Reihe mit Zellenausgängen der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 geschaltet. Die Reihenschaltung mit dem Anschluss der Filterzelle 2 ₀ und den Zellenausgängen der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 ist an den Ausgang OUT1, OUT2 angeschlossen. Damit die in 66 gezeigte Darstellung mit der in 60 gezeigten Darstellung konsistent ist, ist ein Kondensator der Filterzelle 2 ₀, wie der in 60 dargestellte Kondensator, mit 11 ₀ bezeichnet. V2₀ ist die Spannung über dem Kondensator der Filterzelle 2 ₀. Der Betrieb der in 66 dargestellten Filterzelle 2 ₀ entspricht dem Betrieb der in 60 dargestellten Filterzelle, mit dem Unterschied, dass die in 66 dargestellte Filterzelle 2 ₀ eine Spannung V3₀ bereitstellt, die zu einer Gesamt-Zellenausgangsspannung V3_TOT der Wandlerzellen hinzuaddiert wird.
67 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Filterzelle 2 ₀. Die Vollbrückentopologie dieser Filterzelle 2 ₀ entspricht der Topologie der in 34 dargestellten Wandlerzelle 2 _i. Allerdings kann eine Topologie mit nur einer Halbbrücke ebenso verwendet werden. Nur um zu veranschaulichen, dass sich die Filterzelle 2 ₀ von der Wandlerzelle 2 _i unterscheidet, wurde in tiefgestellter Index "0" zu den Bezugszeichen der einzelnen Komponenten der Filterzelle 2 ₀ hinzugefügt. Der Betrieb der Filterzelle 2 ₀ entspricht dem Betrieb der Wandlerzelle 2 _i. Das heißt, ein Controller 233 ₀ der Filterzelle 2 ₀ erhält einen Modulationsindex m₀ und steuert eine erste Halbbrücke 231 ₀ und eine zweite Halbbrücke 232 ₀ mit einem basierend auf dem Modulationsindex m₀ berechneten Duty-Cycle.
68 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 5 in dem in 66 dargestellten zweiten Leistungswandler 20. Dieser Hauptcontroller 5 basiert auf dem in 35 dargestellten Hauptcontroller 5 und unterscheidet sich von dem in 35 dargestellten Hauptcontroller 5 dadurch, dass er zusätzlich einen Wandler- und Filterzellencontroller 54 umfasst, der den Modulationsindex m von dem Modulationsindexcontroller 52 erhält und den Modulationsindex m₀ der Filterzelle 20 und Modulationsindizes m₁–m_N3 den einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 zur Verfügung stellt. Der in 68 dargestellte Wandler- und Filterzellencontroller 54 arbeitet wie der in 62 dargestellte Wandler- und Filterzellencontroller 44, auf den Bezug genommen wird. Ein Unterschied zwischen dem in 68 dargestellten Wandler- und Filterzellencontroller und dem in 62 dargestellten Wandler- und Filterzellencontroller besteht darin, dass der in 68 dargestellte Wandler- und Filterzellencontroller die Modulationsindizes m₀–m_N3 basierend auf der Gesamt-Zellenausgangsspannung V3_TOT anstelle der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT erzeugt.
69 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, das in dem in 68 dargestellten Wandler- und Filterzellencontroller 54 realisiert sein kann. Dieses Verfahren umfasst das Bestimmen der Anzahl F von Wandlerzellen, die im Aus-Zustand betrieben werden sollen durch F = Round[m·N3] (25), das heißt, durch Berechnen des Produkts des Modulationsindex m und der Anzahl N3 der Wandlerzellen und durch Runden des Ergebnisses (1061). Dann wird der Modulationsindex m₀ ähnlich dem Berechnen des Modulationsindex m₀ bei dem in 64 dargestellten Verfahren berechnet, mit dem Unterschied, dass der Modulationsindex m₀ bei dem in 69 dargestellten Verfahren basierend auf der gewünschten Zellenausgangsspannung V3₀ der Filterzelle 2 ₀ (anstelle der gewünschten Zelleneingangsspannung V1₀) berechnet wird. Die gewünschte Zellenausgangsspannung V3₀ der Filterzelle 2 ₀ ist
und der Modulationsindex m₀ = V3₀/V2₀. Der Wandler- und Filterzellencontroller 54 betreibt die Filterzelle 1 ₀ dann bei dem Modulationsindex m₀, F Wandlerzellen bei einem Modulationsindex m_i = 1 und N3 – F Wandlerzellen bei einem Modulationsindex m_i = 0. Die in 63 dargestellten Zeitdiagramme gelten für den in 66 dargestellten zweiten Leistungswandler entsprechend. Die Parameter des zweiten Leistungswandlers 20 sind in 63 in Klammern angegeben. Die Filterzelle 2 ₀ liefert Leistung an den Ausgang Out1, OUT2 (ist im Ausgangsleitungsbetrieb), wenn der Modulationsindex m₀ ein Vorzeichen besitzt, der gleich dem Vorzeichen des Gesamt-Modulationsindex m ist, und erhält Leistung (ist in einem Eingangsleitungsbetrieb), wenn die Vorzeichen unterschiedlich sind. Die Vorzeichen sind gleich, wenn die Summe der Zelleneingangsspannungen der Wandlerzellen, die im Aus-Zustand sind, niedriger ist als der momentane Pegel der Ausgangsspannung, und die Vorzeichen sind unterschiedlich, wenn die Summe dieser Spannungen höher ist, als der momentane Pegel der Ausgangsspannung.
Ein weiterer Freiheitsgrad, den eine Multizellenwandlertopologie bietet, ist die Art der Verbindung zwischen den einzelnen Wandlerzellen. Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen sind von den Wandlerzellen eines Multizellenwandlers die Eingänge in Reihe (IS-Topologie) oder parallel (IP-Topologie) geschaltet oder die Ausgänge in Reihe (OS-Topologie) oder parallel (OP-Topologie) geschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Multizellenwandler wenigstens zwei Wandlerzellen, bei denen die Art der Verbindung zwischen den zwei Wandlerzellen zwischen einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung wechseln kann. Das heißt, diese zwei Wandlerzellen sind entweder in Reihe geschaltet oder parallel geschaltet. Dies wird für zwei Wandlerzellen eines ersten Multizellen-Leistungswandlers 10 anhand der 70–73 und für zwei Wandlerzellen eines zweiten Multizellen-Leistungswandlers 20 anhand der 73–75 erläutert.
In 70 bezeichnen die Bezugszeichen 1 _k und 1 _k+1 zwei Wandlerzellen des ersten Leistungswandlers 11. 11 _k, 11 _k+1 bezeichnen die zugehörigen Zwischenkreiskondensatoren und V2_k, V2_k+1 bezeichnen die zugehörigen Zwischenkreisspannungen. Jede der Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 umfasst einen Zelleneingang mit einem ersten Zelleneingangsknoten und einen zweiten Zelleneingangsknoten. Eine Schaltanordnung 7 ist zwischen die Zelleneingänge der Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 geschaltet und ist dazu ausgebildet, die Zelleneingänge entweder in Reihe oder parallel zu schalten. Die Schaltanordnung 7 umfasst einen ersten Schalter 71, der zwischen einen ersten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k+1 und einen zweiten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k geschaltet ist. Ein zweiter Schalter 72 ist zwischen einen ersten Zelleneingangsknoten der ersten Wandlerzelle 1 _k und den ersten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k+1 geschaltet. Ein dritter Schalter 73 ist zwischen einen zweiten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k und den zweiten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k+1 geschaltet. Die Zelleneingänge der Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 sind in Reihe geschaltet, wenn der erste Schalter 71 eingeschaltet ist und wenn der zweite und dritte Schalter ausgeschaltet sind. In diesem Fall ist der zweite Zelleneingang der Wandlerzelle 1 _k an den ersten Zelleneingang der Wandlerzelle 1 _k+1 angeschlossen. Die Zelleneingänge der zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 sind parallel geschaltet, wenn der erste Schalter 71 ausgeschaltet ist und wenn jeder der zweiten und dritten Schalter 72, 73 eingeschaltet ist. In diesem Fall ist der erste Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k an den ersten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k+1 angeschlossen und der zweite Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k ist an den zweiten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k+1 angeschlossen.
Wie durch die in 70 gezeigten gepunkteten Linien angedeutet, kann der Multizellen-Leistungswandler außer den Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 weitere Wandlerzellen umfassen. Die in 70 dargestellten Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 können auf verschiedene Weise in dem Multizellenwandler angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k an den ersten Eingangsknoten IN1 des Multizellenwandlers 10 angeschlossen und wenigstens eine weitere Wandlerzelle ist zwischen den zweiten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k+1 und den zweiten Eingangsknoten IN2 des Multizellenwandlers 10 geschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind zwei oder mehr Wandlerzellen zwischen die Wandlerzelle 1 _k+1 und den zweiten Eingangsknoten IN2 geschaltet, wobei die Zelleneingänge dieser zwei oder mehr Wandlerzellen in Reihe zwischen den zweiten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k+1 und den zweiten Eingangsknoten IN2 geschaltet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der zweite Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k+1 an den zweiten Eingangsknoten IN2 des Multizellenwandlers 10 angeschlossen und wenigstens eine weitere Wandlerzelle ist zwischen den ersten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k und den ersten Eingang IN1 geschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind zwei oder mehr Wandlerzellen zwischen den ersten Eingangsknoten IN1 und den ersten Zelleneingangsknoten der Wandlerzelle 1 _k geschaltet, wobei die Zelleneingänge dieser zwei oder mehr Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind zwei oder mehr Wandlerzellen zwischen jeden Eingang IN1, IN2 und die Wandlerzellen 1 _k beziehungsweise 1 _k+1 geschaltet.
Außerdem umfasst jede der zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 eine Spule (die in 70 nicht dargestellt ist, die aber zuvor anhand verschiedener Wandlerzellentopologien erläutert wurde).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel haben die in 70 dargestellten Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 (und die anderen Wandlerzellen, die in 70 nicht dargestellt sind) eine der anhand der 12 und 24 erläuterten Wandlertopologien (Hochsetztopologie oder Vollbrückentopologie).
71 zeigt eine Möglichkeit zum Betreiben des in 70 dargestellten Multizellen-Leistungswandlers 10. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Art der Verbindung zwischen der Wandlerzelle 1 _k und der Wandlerzelle 1 _k+1 abhängig von einem momentanen Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN. Wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN beispielsweise unterhalb einer Spannungsschwelle V1 ist, sind die zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 parallel geschaltet. In 71 ist dies durch einen Ein-Pegel (hoher Pegel) der Ansteuersignale S72, S73 der zweiten und dritten Schalter 72, 73 und einen Aus-Pegel (niedriger Pegel) eines Ansteuersignals S71 des ersten Schalters 71 dargestellt. Ein Ein-Pegel eines der Ansteuersignale S71–S73 zeigt an, dass der jeweilige Schalter im Ein-Zustand ist, oder ein Aus-Pegel zeigt an, dass der jeweilige Schalter im Aus-Zustand ist. Wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN oberhalb der Spannungsschwelle V1 ist, sind die Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 in Reihe geschaltet. In 71 ist dies durch einen Aus-Pegel der Ansteuersignale S72, S73 der zweiten und dritten Schalter 72, 73 und einen Ein-Pegel des Ansteuersignals S73 des ersten Schalter 71 dargestellt.
Jede der Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 kann in einem von einem Ein-Zustand und einem Aus-Zustand betrieben werden. Im Ein-Zustand ist die Zelleneingangsspannung V1_k, V1_k+1 jeder Wandlerzelle im Wesentlichen Null. Wenn die Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 in Reihe geschaltet sind, ist eine Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_{k_k+1} der Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 0 (Null), V2_k, V2_k+1 oder V2_k + V2_k+1 abhängig davon, welche der zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand ist. Wenn die zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 parallel geschaltet sind, ist die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_{k_k+1} Null, wenn beide Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 im Ein-Zustand sind. Wenn beide Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 im Aus-Zustand sind (und die Wandlerzellen mit einer Vollbrückentopologie realisiert sind) ist die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_{k_k+1} abhängig von der Spannung V2_k, V2_k+1 über den Zwischenkreiskondensatoren 11 _k, 11 _k+1. Wenn diese Spannungen gleich sind (V2_k = V2_k+1) entspricht der Spannungspegel der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_{k_k+1} dem Spannungspegel der Zwischenkreisspannungen V2_k, V2_k+1. Wenn diese Spannungen V2_k, V2_k+1 nicht gleich sind, kann ein Ladungsausgleich derart auftreten, dass elektrische Ladung von dem Zwischenkreiskondensator, der die höhere Spannung besitzt, zu dem Zwischenkreiskondensator übertragen wird, der die niedrigere Spannung besitzt, bis diese Spannungen derart ausgeglichen sind, dass die Spannungspegel dieser zwei Spannungen V2_k, V2_k+1 gleich sind. Der Spannungspegel der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_{k_k+1} gleicht dann dem Spannungspegel der ausgeglichenen Zwischenkreisspannungen V2_k, V2_k+1.
Bezug nehmend auf das Voranstehende ist der maximale Pegel der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_{k_k+1}, wenn die Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 parallel geschaltet sind, niedriger als der maximale Pegel der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_{k_k+1}, während die Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 in Reihe geschaltet sind. Wenn die Eingangsspannung V_IN unterhalb der Schwelle V1 ist, kann die niedrigere Zelleneingangsspannung (in Verbindung mit den Zelleneingangsspannungen der anderen Wandlerzellen) ausreichend sein, um dem Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN zu folgen, während eine höhere Zelleneingangsspannung notwendig sein kann, wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN oberhalb der Schwelle V1 ist.
Das Parallelschalten der zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1, wenn die Eingangsspannung V_IN unterhalb der Spannungsschwelle V1 ist, kann bei einem hohen Pegel der gewandelten Leistung vorteilhaft sein. Wenn der Eingangsstrom I_IN beispielsweise relativ hoch ist, sogar bevor die Eingangsspannung V_IN die Spannungsschwelle V1 erreicht, so dass die Eingangsleistung einer Wandlerzelle höher ist als die Leistung, bei der die Wandlerzelle möglicherweise ihre maximale Effizienz besitzt, können zwei parallel geschaltete Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 diese Eingangsleistung aufteilen, so dass jede dieser Wandlerzellen bei einer Effizienz betrieben wird, die höher ist als die Effizienz nur einer Wandlerzelle, die die Eingangsleistung wandelt. Das Betreiben von zwei parallel geschalteten Wandlerzellen bei einer Leistung, die nur 50% der maximalen Leistung ist, kann effizienter sein, als das Betreiben nur einer Wandlerzelle bei der maximalen Leistung.
72 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 4, der dazu ausgebildet ist, die Wandlerzellen in den in 70 dargestellten Multizellen-Leistungswandler 10 zu steuern. Dieser Hauptcontroller 4 basiert auf dem in 13 dargestellten Hauptcontroller 4 und unterscheidet sich von dem in 13 dargestellten Hauptcontroller dadurch, dass er zusätzlich einen Schaltercontroller 45 aufweist. Dieser Schaltercontroller 45 erhält das Eingangsspannungssignal V_{IN_M} und ist dazu ausgebildet, die einzelnen Schalter 71–73 der Schalt-Schaltung 7 abhängig von einem Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN zu betreiben. Der Schaltercontroller 45, der die Ansteuersignale S71–S73 der Schalter 71–73 erzeugt, kann die Schalter 71–73, wie in 71 dargestellt, betreiben. Das heißt, der Schaltercontroller 54 kann die Schalter 71–73 so betreiben, dass die Zelleneingänge der Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 parallel geschaltet sind, wenn ein Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN unterhalb der Schwelle V1 ist, und in Reihe geschaltet sind, wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN oberhalb der Schwelle V1 ist. Der in 72 dargestellte Hauptcontroller 4 ist dazu ausgebildet, die einzelnen Wandlerzellen des Multizellenwandlers 10 mit demselben Modulationsindex m zu betreiben. Es ist jedoch auch möglich, die einzelnen Wandlerzellen mit unterschiedlichen Modulationsindizes zu betreiben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Hauptcontroller 4 dazu ausgebildet, die zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 in Reihe zu schalten und nur eine der Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 zu betreiben, wenn der Pegel der Eingangsspannung V_IN unterhalb einer zweiten Schwelle ist, die niedriger als die erste Schwelle V1 ist, die beiden Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 parallel zu schalten, wenn der Pegel der Eingangsspannung V_IN unterhalb der zweiten und dritten Schwelle ist, und die Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 wieder in Reihe zu schalten, wenn der Pegel der Eingangsspannung V_IN oberhalb der ersten Schwelle ist. "Betreiben nur einer Wandlerzelle" der zwei parallelen Wandlerzellen ist äquivalent dazu, den Eingangsstrom einer der zwei Wandlerzellen so zu regeln, dass er Null ist.
Obwohl der in 70 dargestellte Multizellenwandler 10 so gezeichnet ist, dass er nur zwei Wandlerzellen aufweist, deren Eingänge parallel oder in Reihe geschaltet werden können, ist der Multizellenwandler 10 nicht darauf beschränkt, nur zwei dieser umarrangierbaren Wandlerzellen zu haben. "Umarrangierbare" Wandlerzellen sind Wandlerzellen, deren Zelleneingänge durch eine Schalt-Schaltung entweder parallel oder in Reihe geschaltet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Wandlerzelle 10 weitere umarrangierbare Wandlerzellen. Dies kann erreicht werden durch Bereitstellen einer Schalt-Schaltung des in 70 dargestellten Typs zwischen zwei anderen als den in 70 dargestellten Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1. Es ist auch möglich, eine Schaltanordnung des in 70 dargestellten Typs zwischen einer der Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 und einer weiteren Wandlerzelle (nicht dargestellt) vorzusehen. In diesem Fall wird eine Anordnung von Wandlerzellen erhalten, bei der zwei oder drei Wandlerzellen parallel geschaltet werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel gibt es bei einem Multizellenwandler 10 mit N1 Wandlerzellen N1 – 1 Schaltanordnungen, so dass eine Schaltanordnung zwischen jedem Paar von zwei benachbarten Wandlerzellen vorhanden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel können bis zu N1 Wandlerzellen parallel geschaltet werden.
Bei dem in 70 dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1, die parallel geschaltet werden können. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird jede der zwei Wandlerzellen durch eine Reihenschaltung (einen String) von zwei oder mehr Wandlerzellen ersetzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die zwei Strings basierend auf dem Signalpegel der Eingangsspannung V_IN parallel oder in Reihe geschaltet, wobei die Kriterien für das In-Reihe- oder Parallelschalten dieselben sein können wie oben anhand der zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 erläutert.
73 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Leistungswandlers 20, der zwei Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 aufweist, die umarrangiert werden können. Jede dieser Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 umfasst einen Zellenausgang mit einem ersten Zellenausgangsknoten und einen zweiten Zellenausgangsknoten. Eine Schaltanordnung 8 mit einem ersten Schalter 81, einem zweiten Schalter 82 und einem dritten Schalter 83 ist zwischen die Zellenausgänge der zwei Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 derart geschaltet, dass ein erster Schalter 81 zwischen einen zweiten Zellenausgangsknoten der Wandlerzelle 2 _k und einen ersten Zellenausgangsknoten der Wandlerzelle 2 _k+1 geschaltet ist, ein zweiter Schalter 82 zwischen den ersten Zellenausgangsknoten der Wandlerzelle 2 _k und den ersten Zellenausgangsknoten der Wandlerzelle 2 _k+1 geschaltet ist, und ein dritter Schalter 83 zwischen den zweiten Zellenausgangsknoten der Wandlerzelle 2 _k und den zweiten Zellenausgangsknoten der Wandlerzelle 2 _k+1 geschaltet ist. Die Zellenausgänge der Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 sind in Reihe geschaltet, wenn der erste Schalter 81 eingeschaltet ist und der zweite Schalter 82 und der dritte Schalter 83 jeweils ausgeschaltet sind, und die Zellenausgänge sind parallel geschaltet, wenn der erste Schalter 81 ausgeschaltet ist und der zweite Schalter 82 und der dritte Schalter 83 jeweils eingeschaltet sind.
In 73 bezeichnen 11 _k, 11 _k+1 die Zwischenkreiskondensatoren, die an die Zelleneingänge der Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 geschaltet sind, und V3_k, V3_k+1 bezeichnen Zellenausgangsspannungen der zwei Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1. Ein (in 73 nicht dargestellter) Leistungswandler, der Leistung an die Zwischenkreiskondensatoren 11 _k, 11 _k+1 liefert, kann eine der zuvor anhand des ersten Leistungswandlers erläuterten Wandlertopologien aufweisen. Das heißt, der erste Leistungswandler, der Leistung an die in 73 dargestellten Zwischenkreiskondensatoren 11 _k, 11 _k+1 liefert, ist nicht notwendigerweise ein erster Leistungswandler mit Wandlerzellen, die umarrangiert werden können, obwohl er Wandlerzellen, die umarrangiert werden können, aufweisen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Art der Verbindung zwischen den Zellenausgängen der zwei Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 abhängig von einem Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsspannung V_OUT durch eine externe Spannungsquelle, wie beispielsweise ein Spannungsnetz, definiert. In diesem Fall liefert der Multizellenwandler 20 die Ausgangsleistung "gegen“ die durch die externe Spannungsquelle definierte Ausgangsspannung V_OUT.
Ein möglicher Betrieb des in 73 dargestellten Multizellenwandlers 20 ist in 74 dargestellt. 74 zeigt den Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT während einer Halbwelle einer sinusförmigen Ausgangsspannung. Bezug nehmend auf 74 können die Zellenausgänge der Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 parallel geschaltet werden, wenn der Spannungspegel der Ausgangsspannung unterhalb einer Spannungsschwelle V2 liegt, und können in Reihe geschaltet werden, wenn der Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT oberhalb der Spannungsschwelle V2 liegt. Eine Parallelschaltung der Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 ist durch Ein-Pegel (hoher Pegel) der Ansteuersignale S82, S83 des zweiten Schalters 82 und des dritten Schalters 83 und einen Aus-Pegel (niedriger Pegel) eines Ansteuersignals S81 des ersten Schalters 81 dargestellt. Eine Reihenschaltung der Zellenausgänge ist durch Aus-Pegel der Ansteuersignale S82, S83 des zweiten Schalters 82 und des dritten Schalters 83 und einen Ein-Pegel des Ansteuersignals S81 des ersten Schalters 81 repräsentiert.
In 73 bezeichnet V3_{k_k+1} eine Gesamt-Zellenausgangsspannung der zwei Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1. Wenn die Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 in Reihe geschaltet sind, ist die Gesamt-Zellenausgangsspannung V3_{k_k+1} gleich V2_k (wenn 2 _k im Aus-Zustand und 2 _k+1 im Ein-Zustand ist), V2_k+1 (wenn 2 _k im Ein-Zustand ist und 2 _k+1 im Aus-Zustand ist) und V2_k + V2_k+1 (wenn sowohl 2 _k als auch 2 _k+1 im Aus-Zustand ist). Wenn die Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 parallel geschaltet sind, entspricht die Gesamt-Zellenausgangsspannung V3_{k_k+1} einen ausgeglichenen Spannungspegel. Der ausgeglichene Spannungspegel ist der Spannungspegel, der erhalten wird durch Ausgleichen von Ladung zwischen den zwei Zwischenkreiskondensatoren 11 _k, 11 _k+1, wenn beide Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 im Aus-Zustand sind.
Wie bei dem in 70 dargestellten Leistungswandler 10 gibt es eine Spule (in 73 nicht dargestellt) in jeder der Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1. Außerdem sind andere Wandlerzellen des Multizellenwandlers 20 in 73 nicht dargestellt. Diese Wandlerzellen können zwischen die Wandlerzellen 2 _k und den Ausgangsknoten OUT1, zwischen die Wandlerzelle 2 _k+1 und den zweiten Ausgangsknoten OUT2 geschaltet sein. Alternativ können eine oder mehrere Wandlerzellen zwischen jedem der Wandler 2 _k und 2 _k+1 und jeden der Ausgangsknoten OUT1, OUT2 geschaltet sein.
75 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 5, der dazu ausgebildet ist, den Betrieb des in 73 dargestellten zweiten Leistungswandlers 20 zu steuern. Der in 75 dargestellte Hauptcontroller 5 basiert auf dem in 35 dargestellten Hauptcontroller 5 und unterscheidet sich von dem in 35 dargestellten Hauptcontroller dadurch, dass er zusätzlich einen Schaltercontroller 55 aufweist, der die Ansteuersignale S81, S82, S83 der einzelnen Schalter in der 73 dargestellten Schaltanordnung 8 erzeugt. Der Schaltercontroller 55 kann dazu ausgebildet sein, diese Schalter 81–83 gemäß dem in 74 dargestellten Ausführungsbeispiel derart zu erzeugen, dass die Schaltanordnung 8 die Zellenausgänge der Wandlerzellen 2 _k, 2 _k+1 in Reihe schaltet, wenn ein Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT oberhalb der Schwelle V2 liegt, und die Zellenausgänge parallel zu schalten, wenn der Spannungspegel der Ausgangsspannung V2 unterhalb der Schwelle liegt.
Bezug nehmend auf die 71 und 74 werden die umarrangierbaren Wandlerzellen 1 _k, 1 _k+1 bzw. 2 _k, 2 _k+1, in den in den 70 und 73 dargestellten Multizellenwandlern 10, 20 zweimal in jeder Halbwelle der Eingangsspannung V_IN beziehungsweise der Ausgangsspannung V_OUT umgeordnet. Bei den in den 71 und 74 dargestellten Ausführungsbeispielen wechselt die Art der Verschaltung von einer Parallelschaltung zu einer Reihenschaltung, wenn die jeweilige Spannung über eine Schwelle (V1, V2 in den 71 und 74) ansteigt, und von der Serienschaltung zurück zu einer Parallelschaltung, wenn die jeweilige Spannung unter die Schwelle absinkt.
Die 76A und 76B zeigen einen möglichen Betrieb eines ersten Leistungswandlers 10 mit einer IP-Topologie. 76A veranschaulicht einen Leistungspegel der Eingangsleistung P_IN (falls die Eingangsleistung eine Wechselstromleistung ist, P_IN bezeichnet die durchschnittliche Eingangsleistung in einer Periode der Eingangsspannung V_IN) und die Anteile der Eingangsleistung P_IN, die die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 erhalten. Lediglich zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass der Leistungswandler N1 = 3 Wandlerzellen umfasst, wobei P_IN1, P_IN2, P_INN1 die Eingangsleistungen der einzelnen Wandlerzellen bezeichnen, und P_{IN1_REL} = P_IN1/P_IN, P_{IN2_REL} = P_IN2/P_IN, P_{INN1_REL} = P_IN3/P_IN bezeichnen die Anteil der einzelnen Wandlerzellen, wobei
wobei P_{INi_REL} die Eingangsleistungsanteile der einzelnen Wandlerzellen bezeichnen und bei diesem Ausführungsbeispiel N1 = 3 gilt.
Bezug nehmend auf 76A sind die Eingangsleistungsanteile P_{IN1_REL} – P_{INN1_REL} der einzelnen Wandlerzellen 1 ₁, 1 _N1 abhängig von dem Leistungspegel der Eingangsleistung P_IN, der zwischen einem maximalen Pegel P_{IN_MAX} und einem minimalen Pegel P_{IN_MIN} variieren kann. Bei dem in 76A dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Wandlerzelle 1 ₁ bei dem maximalen Pegel P_{IN_MAX} den höchsten Anteil, die Wandlerzelle 1 _N1 hat den niedrigsten Anteil und die Wandlerzelle 1 ₂ hat einen Anteil, der niedriger ist als der der Wandlerzelle 1 ₁, aber höher als der der Wandlerzelle 1 _N1. Bei dem niedrigsten Pegel P_{IN_MIN} (der sich von Null unterscheidet) hat die Wandlerzelle 1 ₁ den niedrigsten Anteil, die Wandlerzelle 1 _N1 hat den höchsten Anteil und die Wandlerzelle 1 ₂ hat einen Anteil, der niedriger ist als der der Wandlerzelle 1 _N1 aber höher als der der Wandlerzelle 1 ₁. In 76A veranschaulicht die strichpunktete Linie den Eingangsleistungsanteil einer Wandlerzelle in einem Leistungswandler, in dem die einzelnen Wandlerzellen gleiche Anteile der Eingangsspannung unabhängig vom Pegel der Eingangsleistung P_IN erhalten. Diese Anteile sind abhängig von der Anzahl der Wandlerzellen. In einem Leistungswandler mit N1 = 3 Wandlerzellen erhält jede Wandlerzelle 33,33 % (= 1/N1) der Eingangsleistung P_IN.
Bei dem in 76A dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verteilung der Eingangsleistungsanteile unabhängig von dem Eingangsleistungspegel, wenn der Eingangsleistungspegel zwischen dem maximalen Pegel P_{IN_MAX} und einem ersten Pegel P_{IN_1} ist, wobei beispielsweise P_{IN1_REL} = 60%, P_{IN2_REL} = 30%, P_{INN1_REL} = 10%. Wenn der Eingangsleistungspegel unter den ersten Pegel P_{IN_1} absinkt, nimmt der Anteil der Wandlerzelle 1 ₁ ab, wenn der Eingangsleistungspegel abnimmt, während der Anteil der Wandlerzelle 1 _N1 zunimmt. Wenn der Eingangsleistungspegel unter einem zweiten Pegel P_{IN_2} absinkt, der niedriger ist als der erste Pegel P_{IN_1}, nimmt der Anteil der Wandlerzelle 1 ₂ ab, wenn der Eingangsleistungspegel abnimmt, während der Anteil der Wandlerzelle 1 _N1 weiter ansteigt. Wenn der Leistungspegel zwischen einem dritten Pegel P_{IN_3}, der niedriger ist als der zweite Pegel P_{IN_2}, und dem minimalen Pegel P_{IN_MIN} ist, ist die Verteilung der Eingangsleistungsanteile wieder unabhängig von dem Eingangsleistungspegel, wobei beispielsweise P_{IN1_REL} = 10%, P_{IN2_REL} = 15%, P_{INN1_REL} = 75%.
Die in 76A dargestellte Verteilung der Leistungsanteile bei den einzelnen Eingangsleistungspegeln ist nur ein Beispiel. Während bei dem in 76A dargestellten Ausführungsbeispiel jede der Wandlerzellen ihren Eingangsleistungsanteil ändert, wenn der Eingangsleistungspegel absinkt, ist es auch möglich, nur zwei Wandlerzellen zu haben, die ihre Eingangsleistungsanteile ändern und die Eingangsleistungsanteile der anderen Wandlerzelle(n) im Wesentlichen konstant zu halten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 dazu ausgebildet, eine Gleichspannung als Eingangsspannung V_IN zu erhalten. In diesem Fall können die Eingangsleistungen der einzelnen Wandlerzellen durch Einstellen der jeweiligen Eingangsströme I0₁–I0_N1 eingestellt werden. 76B veranschaulicht die Verteilung der Eingangsströme I0₁–I0_N1 abhängig von dem Leistungspegel der Eingangsleistung. Bezug nehmend auf 76B nimmt der Eingangsstrom I_IN linear ab, wenn der Leistungspegel der Eingangsleistung von dem maximalen Pegel P_{IN_MAX} auf den minimalen Pegel P_{IN_MIN} absinkt. Die einzelnen Eingangsströme I0₁–I0_N1 nehmen allerdings nicht über den gesamten Eingangsleistungsbereich linear ab. Es kann sogar Bereiche geben, in denen der Eingangsstrom einer Wandlerzelle im Wesentlichen konstant ist oder zunimmt, wenn der Leistungspegel abnimmt. Bei dem in 76 dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt beispielsweise der Eingangsstrom I0_N1 der Wandlerzelle 1 _N1 zu, wenn der Eingangsleistungspegel zwischen dem zweiten Pegel und dem dritten Pegel P_{IN_2} und P_{IN_3} abnimmt. Allgemein kann die Fähigkeit des Leistungswandlers, die Eingangsleistungsanteile der einzelnen Wandlerzellen ungleich zu verteilen, dazu genutzt werden, den Eingangsleistungspegel (Eingangsstrompegel) wenigstens einer Wandlerzelle innerhalb eines vordefinierten Leistungsbereichs (Strombereichs) zu halten, in dem die jeweilige Wandlerzelle eine hohe Effizienz, das heißt, beispielsweise eine Effizienz höher als 60% oder höher als 80% der maximalen Effizienz hat.
In 76B bezeichnen I0₁–I0_N1 die durchschnittlichen Eingangsströme der einzelnen Wandlerzellen. Das heißt, der Leistungswandler kann in einem Phasenabwurf-Betrieb oder einem intermittierenden Betrieb betrieben werden, wenn der Eingangsleistungspegel absinkt. In diesem Fall kann es Zeitperioden geben, in denen der momentane Strompegel eines oder mehrerer der Eingangsströme I0₁–I0_N1 Null wird.
77 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 6, der dazu ausgebildet ist, die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 in der anhand der 76A und 76B erläuterten Weise zu steuern. Der in 77 dargestellte Hauptcontroller 6 basiert auf dem in 39 dargestellten Hauptcontroller 6 und unterscheidet sich dadurch, dass er einen Leistungsverteilungscontroller 64 aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Eingangsstromreferenzsignale I0_{1_REF}–I0_{N1_REF} der einzelnen Wandlerzellen basierend auf einem gewünschten Eingangsleistungspegel zu erzeugen. Der Leistungsverteilungscontroller kann den gewünschten Eingangsleistungspegel basierend auf dem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF} (das durch den Eingangsspannungscontroller 61 berechnet wird, von einem zentralen Controller oder durch einen MPP-Tracker erhalten werden kann) und dem Eingangsspannungssignal V_{IN_M}. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erzeugt der Leistungsverteilungscontroller 64 die Eingangsstromreferenzsignale I0_{1_REF}–I0_{N1_REF} nur basierend auf dem Eingangsstromreferenzsignal I_{IN_REF}.
Der Leistungsverteilungscontroller 64 ist dazu ausgebildet, die Eingangsstromreferenzsignale I0_{1_REF}–I0_{N1_REF} derart zu erzeugen, dass die (durchschnittlichen) Eingangsströme I0₁–I0_N1 der einzelnen Wandlerzellen wie zuvor anhand der 76A und 76B erläutert geregelt werden. Der Leistungsverteilungscontroller 64 kann zusätzlich eine Phasenabwurf-Funktionalität besitzen. Das heißt, der Leistungsverteilungscontroller kann abwechselnd eine oder mehrere der Wandlerzellen in dem aktiven und dem inaktiven Betrieb betreiben, um den Eingangsstrom der jeweiligen Wandlerzelle zu regeln.
Das anhand einer der 76A und 76B erläuterte Verfahren, bei dem die Eingangsleistung ungleich auf die einzelnen Wandlerzellen verteilt ist, ist nicht darauf beschränkt, in einem Leistungswandler mit einer IP-Topologie verwendet zu werden, wie beispielsweise einem der zuvor erläuterten Leistungswandler mit einer IP-Topologie. Stattdessen kann diese Art des Betriebs auch bei einem Multizellenwandler mit einer OP-Topologie, wie beispielsweise dem in 31 dargestellten Multizellenwandler, verwendet werden. Das heißt, ein Multizellenwandler mit einer OP-Topologie kann dazu ausgebildet sein, die Verteilung der Eingangsleistungsanteile auf die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 basierend auf einem Leistungspegel der Ausgangsleistung P_OUT zu variieren. In den 76A und 76B sind die Ausgangsleistungsanteile und Ausgangsströme, die in einem OP-Wandler auftreten, in Klammern angegeben. Hier bezeichnen P_{OUT1_REL} = P_OUT1/P_OUT, P_{OUT2_REL} = P_OUT2/P_OUT, P_{OUTN3_REL} = P_OUTN3/P_OUT bezeichnen die Anteile der einzelnen Wandlerzellen, wobei
78 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 3, der dazu ausgebildet ist, die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 in der anhand einer der 76A und 76B erläuterten Weise zu steuern. Der in 78 dargestellte Hauptcontroller 3 basiert auf dem in 33 dargestellten Hauptcontroller 3 und unterscheidet sich dadurch, dass er einen Leistungsverteilungscontroller 34 umfasst, der dazu ausgebildet ist, die Ausgangsstromreferenzsignale I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} der einzelnen Wandlerzellen basierend auf dem gewünschten Eingangsleistungspegel zu erzeugen. Der Leistungsverteilungscontroller 34 kann den gewünschten Ausgangsleistungspegel basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF} (das durch den Ausgangsspannungscontroller 31 berechnet oder von einem zentralen Controller erhalten werden kann) und dem Ausgangsspannungssignal V_{OUT_M} berechnet. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel erzeugt der Leistungsverteilungscontroller 34 das Ausgangsstromreferenzsignal I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} nur basierend auf dem Ausgangsstromreferenzsignal I_{OUT_REF}.
Der Leistungsverteilungscontroller 34 ist dazu ausgebildet, das Ausgangsstromreferenzsignal I2_{1_REF}–I2_{N3_REF} derart zu erzeugen, dass die (durchschnittlichen) Ausgangsströme I2₁–I2_N3 der einzelnen Wandlerzellen wie zuvor anhand der 76A und 76B erläutert geregelt werden. Der Leistungsverteilungscontroller 34 kann zusätzlich eine Phasenabwurf-Funktionalität besitzen. Das heißt, der Leistungsverteilungscontroller kann abwechselnd eine oder mehrere der Wandlerzellen in dem aktiven und dem inaktiven Betrieb betreiben, um den Eingangsstrom der jeweiligen Wandlerzelle zu regeln.
In einem IP- oder OP-Multizellenwandler, der gemäß den in den 76A und 76B veranschaulichten Verfahren arbeitet, können die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 (2 ₁–2 _N3) hinsichtlich Verlusten, die auftreten können, unterschiedlich realisiert werden. Jede oben erläuterte Art von Wandlerzelle umfasst wenigstens einen elektronischen Schalter. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 (2 ₁–2 _N3) hinsichtlich Leitungsverlusten unterschiedlich gestaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird dies erreicht durch Gestalten des wenigstens einen elektronischen Schalters in wenigstens zwei der Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 (2 ₁–2 _N3) mit unterschiedlichen Einschaltwiderständen (RON). Der Einschaltwiderstand eines elektronischen Schalters ist der elektrische Widerstand, den der elektronische Schalter im Ein-Zustand (eingeschalteten Zustand) besitzt. Beispielsweise ist der Einschaltwiderstand eines MOSFET, wenn dieser als elektronischer Schalter verwendet wird, der elektrische Widerstand zwischen einem Drainknoten (D) und einem Sourceknoten (S) des MOSFET im Ein-Zustand. Ein MOSFET kann so gestaltet sein, dass er mehrere Transistorzellen aufweist, die parallel geschaltet sind. In diesem Fall ist der Einschaltwiderstand im Wesentlichen proportional zu der Anzahl der Transistorzellen, und damit proportional zu der Fläche, die der MOSFET auf einem Halbleiterchip verbraucht. Beim Design eines MOSFET kann der Einschaltwiderstand eingestellt werden durch geeignetes Auswählen der Anzahl der parallel geschalteten Transistorzelle. In einem GaN-HEMT, als weiteres Beispiel eines elektronischen Schalters, kann der Einschaltwiderstand eingestellt werden durch geeignetes Auswählen einer Kanalweite beim Design des Bauelements.
Es sei beispielsweise angenommen, dass bei einem Multizellenwandler, der gemäß den 76A und 76B arbeitet, vier Wandlerzellen vorhanden sind, eine Wandlerzelle, die für "Niedriglastbedingungen“ optimiert ist (entsprechend der Zelle 1 _N1 (2 _N3) in den 76A und 76B), eine Wandlerzelle, die für "Mittellastbedingungen“ optimiert ist (entsprechend der Zelle 1 ₂ (2 ₂) in den 76A und 76B), und eine Wandlerzelle, die für "Hochlastbedingungen“ optimiert ist (entsprechend der Zelle 1 ₁ (2 ₁) in den 76A und 76B). In diesem Fall ist der wenigstens eine elektronische Schalter in der Niedriglastzelle 1 _N1 (2 _N3) so gestaltet, dass er den höchsten Einschaltwiderstand besitzt, der nachfolgend als erster Einschaltwiderstand RON1 bezeichnet wird, der wenigstens eine elektronische Schalter in der Mittellastzelle 1 ₂ (2 ₂) ist so gestaltet, dass er einen zweiten Einschaltwiderstand RON2, der niedriger ist als der erste Einschaltwiderstand RON1, besitzt, und der wenigstens eine elektronische Schalter in der Hochlastzelle 1 ₂ (2 ₁) ist so gestaltet, dass er einen dritten Einschaltwiderstand R_ON3 besitzt, der niedriger ist als der zweite Einschaltwidertand R_ON2. Das heißt, R_ON1 > R_ON2 > R_ON3.
Ein Verhältnis R_ON1:R_ON2:R_ON3 ist beispielsweise 1:0,5:0,1. Das heißt, der erste Einschaltwiderstand RON1 ist das Zweifache des zweiten Einschaltwiderstands RON2 und das 10-fach des dritten Einschaltwiderstands RON3. Dies ist selbstverständlich nur ein Beispiel. Das Verhältnis der einzelnen Einschaltwiderstände kann in einem weiten Bereich variieren. Außerdem sind nicht notwendigerweise alle Einschaltwiderstände der Wandlerzellen unterschiedlich. Das heißt, der wenigstens eine elektronische Schalter in zwei oder mehr Wandlerzellen kann mit im Wesentlichen demselben Einschaltwiderstand realisiert sein. Allerdings gibt es wenigstens zwei Wandlerzellen, die mit unterschiedlichen Einschaltwiderständen realisiert sind. Das heißt, der Einschaltwiderstand des wenigstens einen elektronischen Schalters in einer Wandlerzelle unterscheidet sich von dem Einschaltwiderstand des wenigstens einen elektronischen Schalters in der anderen Wandlerzelle. "Unterscheidet“ bedeutet, dass der Einschaltwiderstand in der einen Wandlerzelle weniger als 80% des Einschaltwiderstands in der anderen Wandlerzelle ist.
Wenn die einzelnen Wandlerzellen der Multizellenwandler mit mehreren elektronischen Schaltern realisiert sind, wie beispielsweise zwei Schaltern in einer Hochsetztopologie, vier Schaltern in einer Vollbrückentopologie oder acht Schaltern in einer DAB-Topologie, gibt wenigstens zwei Wandlerzellen, in denen zwei entsprechende elektronische Schalter unterschiedliche Einschaltwiderstände besitzen. „Entsprechend“ bedeutet, dass die elektronischen Schalter dieselbe Position und Funktion in der jeweiligen Topologie haben. Beispielsweise in Wandlerzellen mit einer Hochsetztopologie mit einer Halbbrücke (wie in 12 dargestellt) kann der High-Side-Schalter in einer Wandlerzelle einen Einschaltwiderstand haben, der sich von dem Einschaltwiderstand des entsprechenden High-Side-Schalters in der anderen Wandlerzelle unterscheidet. Wenn der Multizellenwandler mit Wandlerzellen realisiert ist, die mehrere elektronische Schalter haben, kann es andere elektronische Schalter geben, die im Wesentlichen denselben Einschaltwiderstand in jeder Wandlerzelle haben.
Einen weiteren Freiheitsgrad einer Multizellenwandlertopologie bietet das Verhältnis zwischen den einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2. Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen wurde angenommen, dass die einzelnen Zwischenkreisspannungen im Wesentlichen denselben Spannungspegel haben. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Multizellenwandler mit einer IP-Topologie oder IS-Topologie dazu ausgebildet, die Zwischenkreisspannungen an den Zellenausgängen so zu regeln, dass sie wenigstens zwei unterschiedliche Spannungspegel haben. „Unterschiedlich“ bedeutet, dass der Spannungspegel einer Gruppe von Zwischenkreisspannungen weniger als 80% des Spannungspegels einer anderen Gruppe von Zwischenkreisspannungen ist, wobei jede Gruppe wenigstens eine der zuvor erläuterten Zwischenkreisspannungen umfasst. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Multizellenwandler mit einer OP- oder OS-Topologie dazu ausgebildet, die Zwischenkreisspannungen an den Zelleneingängen so zu regeln, dass sie wenigstens zwei unterschiedliche Spannungspegel haben. „Unterschiedlich“ bedeutet, dass der Spannungspegel einer Gruppe von Zwischenkreisspannungen weniger als 80% der Spannungspegel einer anderen Gruppe von Zwischenkreisspannungen ist, wobei jede Gruppe wenigstens eine der zuvor erläuterten Zwischenkreisspannungen umfasst.
Da – Bezug nehmend auf die obige Erläuterung – in einem Multizellenwandler mit einer IP- oder OP-Topologie jede Wandlerzelle dazu ausgebildet sein kann, ihre zugehörige Zwischenkreisspannung zu regeln, können unterschiedliche Spannungspegel der Zwischenkreisspannungen erreicht werden durch Festlegen der Zwischenkreisspannungsreferenzsignale in den einzelnen Wandlerzellen auf unterschiedliche Pegel. Beispielsweise bei der in 29 dargestellten IP-Topologie können unterschiedliche Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N1 erhalten werden durch Festlegen der Zwischenkreisspannungsreferenzsignal in dem Controller 4 ₁ der Wandlerzelle 1 ₁ und in den Controllern (nicht dargestellt) der anderen Wandlerzellen auf unterschiedliche Werte. Das Zwischenkreisspannungsreferenzsignal des Controllers 4 ₁ ist das in 30 dargestellte Signal V2_{1_REF}. Dieses Signal und die entsprechenden Signale der anderen Controller können durch einen zentralen Controller (in den Zeichnungen nicht dargestellt) bereitgestellt werden.
Das Erzeugen von Zwischenkreisspannungen mit unterschiedlichen Spannungspegeln ist nicht auf IP- und OP-Topologien beschränkt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Multizellenwandler mit einer IS-Topologie dazu ausgebildet, Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 mit unterschiedlichen Spannungspegeln an den Zellenausgängen zu erzeugen. Ein möglicher Betrieb eines solchen Multizellenwandlers mit einer IS-Topologie ist unten anhand der 79A und 79B erläutert. Die 79A und 79B zeigen Zeitdiagramme einer Halbwelle einer sinusförmigen Eingangsspannung oder einer Vollwelle einer gleichgerichteten sinusförmigen Eingangsspannung und Zeitdiagramme der Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT. Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass der Multizellenwandler drei Wandlerzellen umfasst, die unterschiedliche Zwischenkreisspannungen V2₁, V2₂, V2₃ an ihrem jeweiligen Zellenausgang erzeugen. Bei diesem Ausführungsbeispiel gilt: V2₁ > V2₂ > V2₃.
Der Multizellenwandler kann mit einer Topologie realisiert werden, wie sie in 12 dargestellt ist (wenn N1 = 3), die einzelnen Wandlerzellen können eine von einer Hochsetztopologie (wenn die Eingangsspannung eine gleichgerichtete Sinusspannung ist) und einer Vollbrückentopologie (wenn die Eingangsspannung eine Sinusspannung ist) besitzen. Nachfolgend werden die verschiedenen Zwischenkreisspannungen V2₁, V2₂, V2_N1 als erste, zweite beziehungsweise dritte Zwischenkreisspannung bezeichnet. Die Wandlerzellen, die diese Zwischenkreisspannungen liefern, werden als erste, zweite und dritte Wandlerzellen bezeichnet.
Bei den in den 79A und 79B dargestellten Ausführungsbeispielen werden die ersten, zweiten und dritten Wandlerzellen im Blockbetrieb betrieben. Das heißt, basierend auf dem Momentanpegel der Eingangsspannung V_IN wird nur eine der Wandlerzellen pulsweitenmoduliert betrieben. Die anderen Wandlerzellen sind entweder im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand. Bei dem in 79A dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet die erste Wandlerzelle pulsweitenmoduliert, wenn der Pegel der Eingangsspannung V_IN zwischen 0 und dem Pegel der ersten Zwischenkreisspannung V2₁ ist, die anderen zwei Wandlerzellen sind im Ein-Zustand. Wenn der Pegel der Eingangsspannung V_IN über den Pegel der ersten Zwischenkreisspannung V2₁ ansteigt, beginnt die zweite Wandlerzelle pulsweitenmoduliert zu arbeiten, die erste Wandlerzelle ist im Aus-Zustand und die zweite Wandlerzelle ist im Ein-Zustand. Wenn der Pegel der Eingangsspannung V_IN über einen Pegel ansteigt, der den Pegel der ersten Zwischenkreisspannung V2₁ plus dem Pegel der zweiten Zwischenkreisspannung V2₂ entspricht, beginnt die dritte Wandlerzelle pulsweitenmoduliert zu arbeiten, die erste Wandlerzelle ist im Aus-Zustand und die zweite Wandlerzelle ist im Aus-Zustand. Die Modulationsindizes der drei Wandlerzellen basierend auf dem Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN sind unten in Tabelle 1 wiedergegeben:

0 < |V_IN| ≤ V2₁ V2₁ < |V_IN| ≤ V2₁ + V2₂ V2₁ + V2₂ ≤ |V_IN|

m1 V_IN/V2₁ 1 1

m2 0 (V_IN–V2₁)/V2₂ 1

m3 0 0 (V_IN–V2₁–V2₂)/V2₃

Tabelle 1
In Tabelle 1 ist V_IN der Momentanpegel der Eingangsspannung, |V_IN| ist der Absolutwert des Momentanpegels der Eingangsspannung, V2₁ ist der Pegel der ersten Zwischenkreisspannung, V2₂ ist der Pegel der zweiten Zwischenkreisspannung und V2₃ ist der Pegel der dritten Zwischenkreisspannung.
Nachdem der Pegel der Eingangsspannung V_IN den maximalen Pegel erreicht hat und absinkt, wird die dritte Wandlerzelle in den Ein-Zustand geschaltet, in dem die Zelleneingangsleistung im Wesentlichen Null ist, dann wird die zweite Wandlerzelle in den Ein-Zustand geschaltet, in dem die Zelleneingangsleistung im Wesentlichen Null ist, und schließlich, wenn die Eingangsspannung auf Null absinkt, wird die erste Wandlerzelle in den Ein-Zustand geschaltet, in dem die Zelleneingangsleistung im Wesentlichen Null ist.
Die Reihenfolge, in der die Wandlerzellen beginnen, Leistung zu wandeln, wenn der Pegel der Eingangsspannung V_IN ansteigt, ist beliebig. Bei dem in 79A dargestellten Ausführungsbeispiel beginnt die erste Wandlerzelle, gefolgt von der zweiten Wandlerzelle, der die dritte Wandlerzelle folgt. Allerdings sind andere Reihenfolgen auch möglich. Bei dem in 79B dargestellten Ausführungsbeispiel beginnt die dritte Wandlerzelle und arbeitet pulsweitenmoduliert, bis der Pegel der Eingangsspannung V_IN den Pegel der dritten Zwischenkreisspannung V2₃ erreicht, dann arbeitet die zweite Wandlerzelle pulsweitenmoduliert, bis der Pegel der Eingangsspannung V_IN den Pegel der dritten Zwischenkreisspannung V2₃ plus den Pegel der zweiten Zwischenkreisspannung erreicht, und schließlich arbeitet die erste Wandlerzelle pulsweitenmoduliert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Reihenfolge, in der die Wandlerzellen beginnen, Leistung zu wandeln, in verschiedenen Halbwellen (oder Vollwellen) verschieden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Reihenfolge, in der die Wandlerzellen beginnen, Leistung zu wandeln, abhängig von einem (gewünschten) Leistungspegel der Eingangsleistung P_IN. In diesem Fall bezeichnet der Leistungspegel einen durchschnittlichen Leistungspegel, der über eine Periode der Eingangsspannung gemittelt ist. Wenn der durchschnittliche Leistungspegel beispielsweise oberhalb einer vordefinierten Schwelle liegt, kann der Leistungswandler in der in 79A dargestellten Reihenfolge beginnen, so dass der erste Wandler 1 ₁ den höchsten Anteil der Eingangsleistung P_IN hat.
Wenn beispielsweise der durchschnittliche Leistungspegel unterhalb der vordefinierten Schwelle ist, kann der Leistungswandler in der in 79B dargestellten Reihenfolge beginnen, so dass der dritte Wandler 1 ₃ den höchsten Anteil der Eingangsleistung P_IN hat. Ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 4, der dazu ausgebildet ist, einen Multizellenwandler mit einer IS-Topologie in der anhand der 79A, 79B erläuterten Weise zu betreiben, ist in 80 dargestellt. Dieser Controller basiert auf dem in 13 dargestellten Hauptcontroller 4 und umfasst zusätzlich einen Blockmodulationscontroller 47, der den Modulationsindex m von dem Modulationsindexcontroller 42 und das Eingangsspannungssignal V_{IN_M} erhält, und der dazu ausgebildet ist, die einzelnen Modulationsindizes (die in 80 als m₁–m_N1 bezeichnet sind) der einzelnen Wandlerzellen gemäß Tabelle 1 zu erzeugen.
Bei dem anhand der 79A–81 erläuterten IS-Wandler sind die Zeitdauern, in denen die einzelnen Wandlerzellen Leistung wandeln, unterschiedlich. Dies kann zu unterschiedlichen Zelleneingangsleistungen der Wandlerzellen führen. Beispielsweise, wenn der Spitzenpegel der Eingangsspannung V_IN 360 V ist, ist die erste Zwischenkreisspannung V2₁ 180 V, die zweite Zwischenkreisspannung V2₂ ist 120 V und die dritte Zwischenkreisspannung V2N1 ist 60 V (so dass die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT 360 V ist), und wenn P_{IN_AVG} die durchschnittliche Eingangsleistung in einer Halbwelle (beziehungsweise Vollwelle) ist, dann sind die durchschnittlichen Zelleneingangsleistungen P_{1_AVG}–P_{3_AVG} der einzelnen Wandlerzellen wie folgt, wenn die Wandlerzellen wie in 79A dargestellt betrieben werden:
P_{1_AVG} = 0.61·P_{IN_AVG}
P_{2_AVG} = 0.31·P_{IN_AVG}
P_{3_AVG} = 0.08·P_{IN_AVG}.
Wenn die Wandlerzellen in der anhand von 79B erläuterten Reihenfolge betrieben werden, ist die Situation wie folgt:
P_{1_AVG} = 0.39·P_{IN_AVG}
P_{2_AVG} = 0.40·P_{IN_AVG}
P_{3_AVG} = 0.21·P_{IN_AVG}.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die durchschnittlichen Zelleneingangsleistungen im Wesentlichen ausgeglichen, das heißt, die durchschnittliche Zelleneingangsleistung jeder Zelle ist im Wesentlichen 1/3 (0,33) der durchschnittlichen Eingangsleistung P_{IN_AVG}, wenn die Wandlerzellen in der in 79B dargestellten Reihenfolge betrieben werden und wenn die Zwischenkreisspannungen so geregelt werden, dass sie die folgenden Spannungspegel besitzen:
V2₁ = 161V
V2₂ = 104V
V2₃ = 95V.
In einem Multizellenwandler mit einer IS-Topologie, der dazu ausgebildet ist, die Zwischenkreisspannungen mit unterschiedlichen Spannungspegeln zu erzeugen, können die einzelnen Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 mit derselben Topologie realisiert werden. Allerdings können die Schalter in den einzelnen Wandlerzellen hinsichtlich ihrer Sperrspannungsfestigkeit unterschiedlich sein. Die "Sperrspannungsfestigkeit" definiert die maximale Spannung, der ein elektronischer Schalter im Aus-Zustand (ausgeschalteten Zustand) standhalten kann, ohne beschädigt zu werden. Wenn der elektronische Schalter beispielsweise als MOSFET realisiert ist, ist die Sperrspannungsfestigkeit abhängig vom speziellen Design des MOSFETs innerhalb eines Halbleiterchips, in dem aktive Bereiche des MOSFET integriert sind. "Unterschiedlich" bedeutet, dass die elektronischen Schalter absichtlich so realisiert wurden, dass sie unterschiedliche Sperrspannungsfestigkeiten besitzen.
Bezug nehmend auf das Voranstehende ist bei einem IS-Wandler die Sperrspannungsfestigkeit der darin realisierten einzelnen Schalter höher als der Pegel der zugehörigen Zwischenkreisspannungen. In der in 12 dargestellten Wandlerzelle 1 ₁ sind der High-Side- und der Low-Side-Schalter 12 _H, 12 _L beispielsweise jeweils so gestaltet, dass sie eine Sperrspannungsfestigkeit besitzen, die höher ist als die zugehörige Zwischenkreisspannungen V2₁. Entsprechend sind bei der in 24 dargestellten Wandlerzelle 1 _i die einzelnen Schalter 17 _H, 18 _L jeweils so gestaltet, dass sie eine Sperrspannungsfestigkeit besitzen, die höher ist als die zugehörige Zwischenkreisspannung V2₁. Da der Einschaltwiderstand eines elektronischen Schalters exponentiell zunimmt, wenn die Sperrspannungsfestigkeit zunimmt, ist es wünschenswert, die einzelnen elektronischen Schalter so zu gestalten, dass sie eine Sperrspannungsfestigkeit besitzen, die so niedrig wie möglich ist. Daher ist bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel die erste Wandlerzelle mit elektronischen Schaltern realisiert, die eine höhere Sperrspannungsfestigkeit besitzen als elektronische Schalter in der zweiten Wandlerzelle, und die zweite Wandlerzelle ist mit elektronischen Schaltern realisiert, die eine höhere Sperrspannungsfestigkeit besitzen, als elektronische Schalter in der dritten Wandlerzelle.
Bei dem oben erläuterten Beispiel, bei dem die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2₃ 180 V, 120 V und 60 V sind, kann die erste Wandlerzelle mit elektronischen Schaltern realisiert werden, die eine Sperrspannungsfestigkeit von 250 V besitzen, die zweite Wandlerzelle kann mit elektronischen Schaltern realisiert werden, die eine Sperrspannungsfestigkeit von 150 V besitzen, und die dritte Wandlerzelle kann mit elektronischen Schaltern realisiert werden, die eine Sperrspannungsfestigkeit von 80 V besitzen.
Das Betreiben der einzelnen Wandlerzellen mit unterschiedlichen Zwischenkreisspannungen ist nicht auf einen Multizellenwandler mit einer IS-Topologie beschränkt. Stattdessen kann diese Art des Betriebs auch bei einem Multizellenwandler mit einer OS-Topologie verwendet werden, die beispielsweise bei dem in 34 dargestellten Multizellenwandler. Das heißt, ein Multizellenwandler mit einer OS-Topologie kann so gestaltet sein, dass er die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 so regelt, dass diese Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 unterschiedliche Spannungspegel haben. Wie bei dem zuvor erläuterten IS-Wandler können die einzelnen Wandlerzellen im Blockbetrieb betrieben werden. Das heißt, basierend auf dem momentanen Spannungspegel der Ausgangsspannung wird nur eine der Wandlerzellen pulsweitenmoduliert betrieben, während die anderen Wandlerzellen im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand sind.
In den 79A und 79B sind die Spannungen, die in einem OS-Wandler auftreten, der dazu ausgebildet ist, die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 mit unterschiedlichen Spannungspegeln zu regeln, und in dem die Wandlerzellen in einem Blockbetrieb betrieben werden, in Klammern angegeben. Außer dem Signalverlauf der Ausgangsspannung V_OUT ist der Signalverlauf der Gesamt-Zellenausgangsspannung V3_TOT dargestellt. Es sei angenommen, dass die Ausgangsspannung dieselbe Amplitude wie die Eingangsspannung V_IN bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel besitzt und dass die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 dieselben Spannungspegel wie bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel besitzen.
Wie bei einem IS-Wandler werden die Wandlerzellen in einem OS-Wandler in einer vordefinierten Reihenfolge innerhalb einer Halbwelle (oder Vollwelle) betrieben. Bei dem in 77A dargestellten Ausführungsbeispiel beginnt die Wandlerzelle mit der höchsten Zwischenkreisspannung, wenn der Pegel der Ausgangsspannung V_OUT ansteigt, und bei dem in 77B dargestellten Ausführungsbeispiel beginnt die Wandlerzelle mit der niedrigsten Zwischenkreisspannung, wenn der Pegel der Ausgangsspannung V_OUT ansteigt.
Bei dem anhand der 79A und 79B erläuterten Ausführungsbeispiel können die Spannungspegel der einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 durch den IS-Wandler beziehungsweise den OS-Wandler geregelt werden. Das heißt, der Leistungswandler regelt nicht nur die Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT, sondern auch die unterschiedlichen Pegel der einzelnen Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel regelt ein weiterer Leistungswandler die Pegel der einzelnen Zwischenkreisspannungen. Im Fall des oben erläuterten IS-Wandlers kann beispielsweise ein weiterer Leistungswandler an die Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen sein und die Leistung von dem IS-Wandler erhalten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzt der weitere Leistungswandler eine OP-Topologie mit mehreren Wandlerzellen, wobei jede Wandlerzelle des weiteren Leistungswandlers die Zwischenkreisspannung über einem jeweiligen Zwischenkreiskondensator regelt. Im Fall des oben erläuterten OS-Wandlers kann beispielsweise ein weiterer Leistungswandler an die Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen sein und Leistung an den OS-Wandler liefern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat der weitere Leistungswandler eine IP-Topologie mit mehreren Wandlerzellen, wobei jede Wandlerzelle des weiteren Leistungswandlers die Zwischenkreisspannung über einen jeweiligen Zwischenkreiskondensator regelt.
In der obigen Erläuterung wurde angenommen, dass V_IN = m∙V2_TOT in einem IS-Wandler beziehungsweise V_OUT = m∙V2_TOT in einem OS-Wandler. Allerdings kann es Fälle geben, bei denen m∙V2_TOT, was nachfolgend als V_REF bezeichnet wird und was allgemeiner ausgedrückt werden kann durch
nicht exakt die Eingangsspannung V_IN beziehungsweise die Ausgangsspannung V_OUT ist. Allgemein gibt es einen Phasenversatz zwischen der Eingangs-/Ausgangsspannung V_IN/V_OUT und m∙V2_TOT, der einige Grad betragen kann und der abhängig ist von einer Induktivität der oben erläuterten Spule 15. In solchen der oben erläuterten Fälle, in denen erläutert wurde, dass der Betrieb des Leistungswandlers abhängig ist von der Eingangsspannung beziehungsweise der Ausgangsspannung, wie beispielsweise bei den in den 71, 74 und 79A–79B dargestellten Ausführungsbeispielen, kann der Betrieb des Leistungswandlers auch abhängig sein von V_REF anstelle von V_IN und V_OUT, insbesondere in solchen Fällen, in denen die Spule 15 eine relativ hohe Induktivität besitzt.
Beispielsweise können bei den in den 71 und 74 dargestellten Ausführungsbeispielen die zwei Wandlerzellen abhängig von V_REF anstatt abhängig von V_IN beziehungsweise V_OUT parallel oder in Reihe geschaltet werden. Bei dem in den 79A und 79B dargestellten Ausführungsbeispiel können die Spannungsschwellen, bei denen die Wandlerzellen ihre Betriebsart ändern, mit V_REF anstelle von V_IN beziehungsweise V_OUT verglichen werden. In diesem Fall erhält der in 80 dargestellte Blockmodulationscontroller 47 die Zwischenkreisspannungssignale (die in gestrichelten Linien dargestellt sind), um V_REF zu berechnen.
Allerdings ändert das Verwenden von V_REF anstelle von V_IN und V_OUT, um die Entscheidung zu treffen, ob der Betrieb des Leistungswandlers geändert werden soll, nicht das allgemeine Verhalten, so dass in der obigen Beschreibung V_IN und V_OUT anstelle von V_REF verwendet wurden, um den Betrieb des Leistungswandlers zu beschreiben. Allerdings ist der Betrieb basierend auf V_IN beziehungsweise V_OUT so zu verstehen, dass er einen Betrieb basierend auf V_REF ebenso umfasst. Das heißt, in den 71, 74, 79A–79B können V_IN und V_OUT durch V_REF ersetzt werden.
Ein weiterer Freiheitsgrad in einem Multizellenwandler ist das spezielle Design der Halbbrücken in solchen Arten von Wandlerzellen, die Halbbrücken umfassen. Diese Arten von Wandlerzellen sind beispielsweise die Wandlerzellen mit einer Hochsetztopologie, wie sie in 12 dargestellt ist, mit einer Vollbrückentopologie, wie sie in 24 dargestellt ist, und mit einer Tiefsetztopologie, wie sie in 32B dargestellt ist. 81 zeigt eine Halbbrücke mit einem High-Side-Schalter HS und einem Low-Side-Schalter LS. Diese Halbbrücke repräsentiert eine beliebige Halbbrücke in solchen Wandlerzellen mit einer zuvor erläuterten Hochsetztopologie oder Totem-Pole-Topologie. In den Multizellenwandlern mit Wandlerzellen dieses Typs gibt es Betriebsszenarien, in denen die Halbbrücke in einem PWM-Betrieb betrieben wird. Dies ist in 82 erläutert, die Zeitdiagramme eines Ansteuersignals SLS des Low-Side-Schalters LS und eines Ansteuersignals SHS des High-Side-Schalters HS in einem Ansteuerzyklus einer Dauer Tp zeigt. Bezug nehmend auf 82 wird der Low-Side-Schalter LS für eine Ein-Periode Ton eingeschaltet, während der High-Side-Schalter aus ist. Nachdem der Low-Side-Schalter LS ausgeschaltet wurde, wird der High-Side-Schalter HS eingeschaltet. Ein Ein-Zustand des Low-Side-Schalters ist durch einen Ein-Pegel des zugehörigen Ansteuersignals SLS repräsentiert, und ein Ein-Pegel des High-Side-Schalters HS ist durch einen Ein-Pegel des zugehörigen Ansteuersignals SHS repräsentiert in 82 (in der nur zum Zweck der Veranschaulichung) Ein-Pegel durch einen High-Pegel und Aus-Pegel durch einen Low-Pegel repräsentiert sind. Zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Low-Side-Schalter LS ausschaltet und der High-Side-Schalter HS einschaltet, kann eine Verzögerungszeit (Totzeit) vorhanden sein. Allerdings ist diese Verzögerungszeit in 82 nicht dargestellt.
Bei dem in 81 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zwei Schalter HS, LS als MOSFETs, insbesondere als n-leitende MOSFETs bezeichnet. Allerdings können auch andere Arten von Transistoren, wie beispielsweise IGBTs, BJTs, JFETs, oder ähnliche, ebenso verwendet werden. Unabhängig von der speziellen Art des elektronischen Schalters, der zum Realisieren des High-Side- und des Low-Side-Schalters verwendet wird, treten Verluste (Leitungsverluste) auf, wenn der jeweilige Schalter HS, LS im Ein-Zustand ist. Die Leitungsverluste eines Schalters sind abhängig von dem elektrischen Widerstand des Schalters im Ein-Zustand. Dieser elektrische Widerstand wird nachfolgend als Einschaltwiderstand RON bezeichnet. Bei den zuvor erläuterten Multizellenwandlern können die einzelnen Wandlerzellen in einem Kontinuierlichstrombetrieb (Continuous Current Mode, CCM) betrieben werden. Bei dieser Betriebsart sinkt ein Strom durch die Wandlerzelle in einem Ansteuerzyklus nicht auf Null ab (außer für die Zeit, in der die jeweilige Eingangsspannung V_IN oder Ausgangsspannung V_OUT des Multizellenwandlers Null ist). Zum Zweck der Erläuterung sei weiter angenommen, dass der Strom durch den Low-Side-Schalter LS während der Ein-Zeit TON im Wesentlichen gleich dem Strom durch den High-Side-Schalter HS während der Aus-Zeit T_OFF ist. Die Aus-Zeit T_OFF ist die Zeit zwischen dem Ausschalten des Low-Side-Schalters LS und dem Ende des Ansteuerzyklus. Verluste, die in einem von dem High-Side-Schalter HS und dem Low-Side-Schalter LS auftreten, nehmen zu, wenn die Dauer der Ein-Zeit des jeweiligen Schalters zunimmt. Wenn der High-Side-Schalter HS und der Low-Side-Schalter LS im Wesentlichen denselben Einschaltwiderstand RON besitzen und wenn der Duty-Cycle d = 0,5, treten im Wesentlichen dieselben Verluste in dem High-Side-Schalter HS und dem Low-Side-Schalter LS auf, da jeder der Schalter für eine Dauer im Ein-Zustand ist, die bei d = 0,5 im Wesentlichen gleich 0,5∙Tp ist.
Der Einschaltwiderstand RON eines Schalters ist im Wesentlichen umgekehrt proportional zu einer Chipfläche eines Halbleiterchips, in der der jeweilige Schalter implementiert ist. Wenn beispielsweise eine Gesamtchipfläche A zur Verfügung steht, um den ersten Schalter HS und den zweiten Schalter LS zu realisieren, und wenn jeder der zwei Schalter HS, LS im Wesentlichen mit derselben Chipfläche, nämlich 0,5∙A, realisiert ist, haben die zwei Schalter HS, LS im Wesentlichen denselben Einschaltwiderstand RON. Wenn die zwei Schalter so realisiert sind, dass sie im Wesentlichen dieselben Einschaltwiderstände R_ON haben, sind die Gesamt-Leitungsverluste, welches die Verluste sind, die in dem High-Side-Schalter HS und dem Low-Side-Schalter LS auftreten, unabhängig von dem Duty-Cycle d. Wenn sich der Duty-Cycle d von 0,5 unterscheidet, können die Gesamt-Leitungsverluste reduziert werden, durch realisieren der zwei Schalter derart, dass sie unterschiedliche Einschaltwiderstände besitzen. Dies wird anhand von 79 erläutert. In diesem Zusammenhang bedeutet „unterschiedlich“, dass die elektronischen Schalter absichtlich so realisiert sind, dass sie unterschiedliche Einschaltwiderstände haben. Wie der Einschaltwiderstand eines elektronischen Schalters eingestellt werden kann, ist oben erläutert.
83 zeigt die Gesamt-Leitungsverluste P_LOSS(a, d) abhängig von dem Duty-Cycle d im Verhältnis zu den Gesamt-Leitungsverlusten P_LOSS(0,5, d) bei gleichen Chipflächen des HS- und LS-Schalters für verschiedene Ausgestaltungen des High-Side-Schalters HS und des Low-Side-Schalters LS. Die Gesamt-Leitungsverluste sind die Verluste, die in dem High-Side- und dem Low-Side-Schalter HS, LS in einem Ansteuerzyklus auftreten. In 83 bezeichnet "a“ die Chipfläche des Low-Side-Schalter LS relativ zu der Gesamtchipfläche, die zum Realisieren des High-Side-Schalters HS und des Low-Side-Schalters LS verwendet wird. Wenn beispielsweise a = 0,1, dann ist die Chipfläche des Low-Side-Schalters LS nur das 0,1-fache der Gesamtchipfläche, während die Chipfläche des High-Side-Schalters das 0,9-fache der Gesamtchipfläche ist. Entsprechend ist der Einschaltwiderstand des Low-Side-Schalters das Neunfache des Einschaltwiderstandes des High-Side-Schalters. In 83 repräsentiert die gestrichelte Linie den Fall, in dem der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter mit derselben Chipfläche realisiert sind, welches die 0,5-fache der Gesamtchipfläche ist. Eine Halbbrücke, in der der High-Side-Schalter HS und der Low-Side-Schalter mit derselben Chipfläche ausgestaltet sind, wird als Halbbrücke mit symmetrischem Design (symmetrische Halbbrücke) bezeichnet. Entsprechend wird eine Halbbrücke, die mit elektronischen Schaltern HS, LS realisiert ist, die unterschiedliche Chipflächen besitzt, als Halbbrücke mit asymmetrischem Design (asymmetrische Halbbrücke) bezeichnet.
Wie anhand von 83 ersichtlich ist, kann eine Halbbrücke mit einem asymmetrischen Design einer Halbbrücke mit symmetrischem Design (die in 83 durch die mit 0,5 bezeichnete gestrichelte Linie repräsentiert ist) überlegen sein, wenn der Duty-Cycle in einem bestimmten Bereich liegt. Eine Halbbrücke mit einem asymmetrischen Design, bei der a = 0,2, hat beispielsweise niedrigere Verluste als eine Halbbrücke mit symmetrischem Design, wenn der Duty-Cycle unterhalb von d = 0,2 ist. Allgemein bietet für a < 0,5 das asymmetrische Design niedrigere Verluste, wenn d < a. Wenn a > 0,5, bietet das asymmetrische Design niedrigere Verluste, wenn d > a.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Multizellenwandler mit einer IS-Topologie oder einer OS-Topologie, der Wandlerzellen mit wenigstens einer Halbbrücke, wie beispielsweise Hochsetzwandlerzellen oder Totem-Pole-Wandlerzellen umfasst, wenigstens eine Wandlerzelle mit einer asymmetrischen Halbbrücke. In solchen Multizellenwandlern kann der Modulationsindex, und damit der Duty-Cycle, der einzelnen Wandlerzellen während einer Halbwelle einer sinusförmigen Eingangsspannung (Ausgangsspannung) über einen relativ großen Bereich variieren. Das asymmetrische Design der wenigstens einen Halbbrücke in wenigstens einer Wandlerzelle und das Variieren des Duty-Cycle bietet die Möglichkeit, die Wandlerzelle mit der asymmetrischen Halbbrücke bei einem Duty-Cycle zu betreiben, bei dem das asymmetrische Design dem symmetrischen Design überlegen ist. Dies ist unten anhand von 84 erläutert.
84 veranschaulicht ein Verfahren zum Betreiben eines Multizellenwandlers mit einer IS-Topologie oder mit einer OS-Topologie. Insbesondere veranschaulicht 84 ein Verfahren zum Berechnen von Modulationsindizes m₁–m_N1 der einzelnen Wandlerzellen, die eine Hochsetztopologie oder einer Totem-Pole-Topologie haben können. Das in 84 dargestellte Verfahren gilt für einen ersten Leistungswandler 10 mit N1 Wandlerzellen. Allerdings gilt dieses Verfahren entsprechend für einen zweiten Leistungswandler mit N3 Wandlerzellen. Bezug nehmend auf die voranstehende Erläuterung kann ein Multizellenwandler mit IS-Topologie so betrieben werden, dass der Momentanpegel der Eingangsspannung V_IN im Wesentlichen dem Produkt des Modulationsindex m und der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT entspricht (ein Multizellenwandler mit einer OS-Topologie kann so betrieben werden, dass der Momentanpegel der Ausgangsspannung V_OUT im Wesentlichen dem Produkt des Modulationsindex m und der Gesamt-Zwischenkreisspannung V2_TOT entspricht).
Bezug nehmend auf das Voranstehende kann dem momentanen Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN eines IS-Wandlers durch die Gesamt-Zelleneingangsspannung V1_TOT nachgefolgt werden durch Betreiben der einzelnen Wandlerzellen mit demselben Modulationsindex m zu einer Zeit. Es ist jedoch auch möglich, die einzelnen Wandlerzellen mit unterschiedlichen Modulationsindizes zu betreiben. In diesem Fall sind die einzelnen Wandlerzellen so zu betreiben, dass V_IN = m₁·V2₁ + m₂·V2₂ +...+ m_N1·V2_N2. Die mehreren Modulationsindizes m₁–m_N1 in dieser Gleichung können als Modulationsindex-Vektor betrachtet werden. Es kann gezeigt werden, dass die obige Gleichung durch mehrere unterschiedliche Modulationsindex-Vektoren erfüllt werden kann. Wenn beispielsweise die Wandlerzelle 1 ₁, die den Modulationsindex m₁ erhält, eine hohe Effizienz bei einem hohen Modulationsindex (was einem niedrigem Duty-Cycle entspricht) besitzt, kann der Modulationsindex-Vektor so berechnet werden, dass m₁ hoch ist, während andere Modulationsindizes niedriger sein können. Die einzelnen Modulationsindizes m₁–m_N1, die durch dieses Verfahren erhalten werden, können auf die einzelnen Wandlerzellen angewendet werden (1072).
85 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hauptcontrollers 4, der dazu ausgebildet ist, einen ersten Leistungswandler 10 mit einer IS-Topologie und mit wenigstens einer Wandlerzelle, die eine asymmetrische Halbbrücke aufweist, zu steuern. Dieser in 85 dargestellte Hauptcontroller 4 basiert auf dem in 13 dargestellten Hauptcontroller 4 und unterscheidet sich von diesem Hauptcontroller 4 dadurch, dass er zusätzlich einen Wandlerzellencontroller 46 aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Modulationsindizes m₁–m_N1 gemäß dem anhand von 80 erläuterten Verfahren zu erzeugen.
86 zeigt einen entsprechenden Hauptcontroller 5 eines zweiten Leistungswandlers 20 mit einer OS-Topologie. Dieser Hauptcontroller 5 basiert auf den in 35 dargestellten Hauptcontroller 5 und unterscheidet sich von diesem in 35 dargestellten Hauptcontroller dadurch, dass er zusätzlich einen Wandlerzellencontroller 56 umfasst, der die durch die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 erhaltenen Modulationsindizes m₁–m_N3 gemäß den oben anhand von 80 erläuterten Verfahren berechnet.
Alternativ oder zusätzlich zum Betreiben einzelner Wandlerzellen eines Multizellenwandlers, insbesondere eines Multizellenwandlers mit einer IS- oder OS-Topologie, bei unterschiedlichen Modulationsindizes, um die einzelnen Wandlerzellen nahe ihres optimalen Betriebspunkts zu betreiben, kann die Schaltfrequenz (die oben als fp bezeichnet wurde) variiert werden. Das heißt, wenigstens zwei Wandlerzellen eines Multizellenwandlers mit einer IS- oder OS-Topologie kann im PWM-Betrieb mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen betrieben werden. Der Modulationsindex kann für die zwei Wandlerzellen derselbe sein oder kann unterschiedlich sein. Die zwei Wandlerzellen können zur selben Zeit oder zu unterschiedlichen Zeiten im PWM-Betrieb betrieben werden. Nichtsdestotrotz sind durch Betreiben der wenigstens zwei Wandlerzellen im PGM-Betrieb mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen die Effizienzkurven der zwei Wandlerzellen unterschiedlich, so dass beispielsweise die Wandlerzelle mit der höheren Schaltfrequenz die maximale Effizienz bei einem niedrigeren Leistungspegel haben kann als die Wandlerzelle mit der niedrigeren Schaltfrequenz. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schaltfrequenz der Wandlerzelle mit der höheren Schaltfrequenz wenigstens das Zweifache der Schaltfrequenz der Wandlerzelle mit der niedrigeren Schaltfrequenz.
87 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vollbrücke, die zwei Halbbrücken HB1, HB2 umfasst, wobei jede Halbbrücke HB1, HB2 einen High-Side-Schalter HS1, HS2 und einen Low-Side-Schalter LS1, LS2 umfasst. Jeder dieser High-Side- und Low-Side-Schalter HS1–LS2 umfasst wenigstens einen Silizium-MOSFET. Bei dem in 83 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese MOSFETs n-leitende MOSFETs, es können allerdings auch p-leitende MOSFETs verwendet werden. Anstatt nur eines MOSFET kann jeder dieser Schalter zwei oder mehr MOSFETs umfassen, die den Laststrecken parallel geschaltet sind und die gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.
Die in 87 dargestellte Vollbrücke repräsentiert die Vollbrücke einer beliebigen Wandlerzelle mit einer Vollbrücken-(Totem-Pole)-Topologie in einem beliebigen der oben erläuterten IS- oder OS-Multizellenwandler. Bezug nehmend auf 25 und die zugehörige Beschreibung wird eine dieser Halbbrücken in einem PWM-Betrieb, wie beispielsweise dem zuvor anhand der 81 und 82 erläuterten PWM-Betrieb betrieben. Bezug nehmend auf 87 umfassen Silizium-MOSFETs eine interne Diode, die in 87 explizit gezeichnet ist. Diese Diode wird häufig als Bodydiode bezeichnet. Wenn eine dieser Halbbrücken in einem PWM-Betrieb betrieben wird, so dass eine Verzögerungszeit zwischen dem Ausschalten eines der zwei Schalter und dem Einschalten des anderen der zwei Schalter vorhanden ist, wird die Bodydiode des anderen Schalters leitend. Dies wird anhand der in 24 dargestellten Halbbrücke 17 erläutert.
Wenn der Low-Side-Schalter 17 _L leitet, fließt der Eingangsstrom I0_i durch den Low-Side-Schalter 17 _L. Wenn der Low-Side-Schalter 17 _L ausschaltet, fließt der Eingangsstrom I0_i (getrieben durch die wenigstens eine Spule der Multizellen-Leistungswandlerschaltung) durch die parallel zu dem High-Side-Schalter 17 _H geschaltete Diode. Diese in 24 dargestellte Diode kann durch die Bodydiode eines MOSFET gebildet sein, wenn der High-Side-Schalter 17 _H als MOSFET realisiert ist. Ein Strom fließt durch die Diode, bis der High-Side-Schalter 17 _H einschaltet. Am Ende eines Ansteuerzyklus schaltet 17 _H aus und der Low-Side-Schalter 17 _L schaltet wieder ein. Es kann eine Verzögerungszeit zwischen dem Ausschalten des High-Side-Schalters 17 _H und dem Einschalten des Low-Side-Schalters 17 _L vorhanden sein, so dass der Eingangsstrom I0_i weiter durch die Diode des High-Side-Schalters 17 _H fließt, bis der Low-Side-Schalter 17 _L einschaltet.
Wenn die Diode des High-Side-Schalters 17 _H den Eingangsstrom I0_i leitet, wird elektrische Ladung in der Diode gespeichert. Diese elektrische Ladung muss aus der Diode entfernt werden, bevor die Diode sperrt. Dieser Effekt des Entfernens von elektrischer Ladung aus einer Bipolardiode ist allgemein als Reverse-Recovery bekannt.
Die in der Bodydiode eines MOSFET gespeicherte elektrische Ladung, wenn die Bodydiode leitet, ist unter anderem abhängig von einer sogenannten Ausgangskapazität des MOSFET. Diese Ausgangskapazität und die in der Diode gespeicherte Ladung nimmt zu, wenn die Sperrspannungsfestigkeit des MOSFET zunimmt, wobei die Ausgangskapazität exponentiell ansteigt. Das heißt, die Ausgangskapazität ist eine Funktion von V_B ^c, mit c > 1, wobei VB die Sperrspannungsfestigkeit bezeichnet. Aufgrund dieser relativ hohen Ausgangskapazität wurden Silizium-MOSFETs als nicht geeignet angesehen, um die Schalter in einem Leistungswandler mit einer Totem-Pole-Topologie zu realisieren. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf Zhou et al.: "99% Efficiency True-Bridgeless Totem-Pole PFC Based on GaN HEMTs".
Allerdings können bei einem Multizellenwandler mit einer IS- oder OS-Topologie die einzelnen Schalter mit einer Sperrspannungsfestigkeit realisiert werden, die geringer als die Zwischenkreisspannung. Wenn beispielsweise die Gesamt-Zwischenkreisspannung 600 V beträgt und ein herkömmlicher Leistungswandler (mit einer PFC-Funktionalität) verwendet wird, muss der Wandler mit Schaltern realisiert werden, die eine Sperrspannungsfestigkeit von 600 V besitzen. Bei den oben erläuterten IS- oder OS-Wandlern können die Schalter eine Wandlerzelle mit einer Sperrspannungsfestigkeit realisiert werden, die nur dem Spannungspegel der jeweiligen Zwischenkreisspannung entspricht. Wenn beispielsweise N1 = 4 oder N3 = 4 Wandlerzellen 1 ₁–1 _N1 beziehungsweise 2 ₁–2 _N3 vorhanden sind, kann es ausreichend sein, die einzelnen Schalter mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 150 V (= 600 V/4) zu realisieren. Wenn N = 10 oder N3 = 10, kann eine Sperrspannungsfestigkeit von nur 60 V (= 600 V/10) ausreichend sein.
In einem IS- oder OS-Wandler ist der Gesamt-Einschaltwiderstand das N1-fache (oder N3-fache) des Einschaltwiderstandes eines Schalters, so dass der Einschaltwiderstand linear ansteigt, wenn die Anzahl der Wandlerzellen ansteigt. Allerdings nimmt die gesamte Reverse-Recovery-Ladung, die in den Schaltern der einzelnen Wandlerzellen gespeichert wird, exponentiell ab. Dies wird unten anhand eines Beispiels erläutert. In einem Silizium-MOSFET gibt es eine Maßzahl (Figure of Merit (FOM)), die das Verhältnis zwischen dem Einschaltwiderstand und der Ladung, die aus dem MOSFET entfernt werden muss, wenn die Bodydiode vom vorwärts gepolten in den rückwärts gepolten Zustand schaltet, beschreibt, nämlich R_{ON∙QREV_REC} (Q_{REV_REC} wird oft als Q_rr + Q_OSS bezeichnet, wobei Q_OSS die in der Ausgangskapazität gespeicherte Ladung und Qrr die in der Diode gespeicherte Ladung ist, wenn sie von einem Vorwärtsstrom auf einen Rückwärtsstrom schaltet). Der Einschaltwiderstand kann reduziert werden durch Realisieren des MOSFET mit einer größeren Chipfläche, wobei der Einschaltwiderstand R_ON im Wesentlich umgekehrt proportional zu der Chipfläche ist. Allerdings ist, da Q_{REV_REC} im Wesentlichen proportional zu der Chipfläche ist, die oben definierte FOM im Wesentlichen unabhängig von der Chipfläche und hauptsächlich abhängig von der Sperrspannungsfestigkeit und dem spezifischen Design.
Ein MOSFET mit einer Sperrspannungsfähigkeit von 600 V der Serie CoolMOS^TM CFD2 der Infineon Technologies AG, München, hat ein FOM von etwa 78000 (7,8 E4). Ein MOSFET mit einer Sperrspannungsfähigkeit von 60 V der OptiMOS-Serie desselben Anbieters hat ein FOM von nur 346. Das Gesamt-FOM von 10 in Serie geschalteten Wandlerzellen ist 3460, was 22-mal besser ist als das FOM nur eines MOSFET mit einer Sperrspannungsfähigkeit von 600 V.
Damit hat ein Multizellenwandler mit einer Reihenschaltung von mehreren, wie beispielsweise 4, 6, 10 oder mehr Wandlerzellen ein Reverse-Recovery-Verhalten, das konkurrenzfähig ist.
Bezug nehmend auf die Beschreibung im Zusammenhang mit 1 umfasst die Leistungswandlerschaltung wenigstens einen Multizellenwandler. Das heißt, jede Art des zuvor erläuterten ersten Leistungswandlers 10 mit einer Multizellentopologie kann mit einem zweiten Leistungswandler gekoppelt werden, der keine Multizellentopologie aufweist, oder kann alleine, ohne einen zweiten Leistungswandler verwendet werden. Entsprechend kann jede Art des zuvor erläuterten zweiten Leistungswandlers 20 mit einer Multizellentopologie mit einem ersten Leistungswandler gekoppelt werden, der keine Multizellentopologie aufweist, oder kann alleine ohne einen ersten Leistungswandler verwendet werden. Dies ist unten anhand von zwei Beispielen unter Bezugnahme auf die 88 und 89 erläutert.
88 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, in der der zweite Leistungswandler 20 ein Multizellenwandler einer beliebigen der zuvor erläuterten Arten ist. Der erste Leistungswandler ist ein Einzelzellenwandler. Das heißt, der erste Leistungswandler umfasst nur eine Wandlerzelle 1 ₁, die dazu ausgebildet ist, Leistung von dem Eingang IN1, IN2 zu erhalten und Leistung an die mehreren Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N1 zu liefern, die am Zellenausgang der Wandlerzelle 1 ₁ in Reihe geschaltet sind. Die Wandlerzelle 1 ₁ kann eines von einem Hochsetz- und Tiefsetzverhalten besitzen. Das heißt, die Zwischenkreisspannung kann höher oder niedriger sein als ein (Spitzen-)Pegel der Eingangsspannung.
89 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die einen zweiten Leistungswandler 20 einer beliebigen der zuvor erläuterten Arten umfasst. Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt keinen weiteren Leistungswandler (keinen ersten Wandler). Die einzelnen Zwischenkreiskondensatoren 2 ₁–2 _N2 koppeln den zweiten Leistungswandler 20 an eine Gleichstrom-Leistungsquelle 9 mit mehreren Leistungsquellenzellen 9 ₁–9 _N2, wobei jede Leistungsquellenzelle an einen Zwischenkreiskondensator 2 ₁–2 _N2 angeschlossen ist. Beispiele der Leistungsquellenzellen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Batterien, Photovoltaik-(PV)-Paneele, Brennstoffzellen, oder ähnliche. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der zweite Leistungswandler 20 eine OS-Topologie und eine PFC-Funktionalität und ist dazu ausgebildet, Leistung an ein Wechselstrom-Leistungsnetz (Wechselspannungsnetz) zu liefern.
90 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einem ersten Leistungswandler 10 und einem zweiten Leistungswandler 20. Der zweite Leistungswandler umfasst mehrere Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3, die jeweils Leistung von dem ersten Wandler 10 und den zugehörigen Zwischenkreiskondensatoren 11 ₁–11 _N2 erhalten. Die Topologie des zweiten Wandlers 20 unterscheidet sich von jeder der zuvor erläuterten Topologien eines zweiten Wandlers dadurch, dass der Zellenausgang jeder der mehreren Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 an eine von mehreren Lasten Z₁–Z_N3 angeschlossen ist, die durch den zweiten Wandler 20 versorgt werden. Damit sind die Zellenausgänge der Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 nicht verbunden (weder in Reihe geschaltet noch parallel geschaltet). Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Lasten Z₁–Z_N3 Gleichstromlasten (DC-Lasten), so dass die einzelnen Wandlerzellen 2 ₁–2 _N3 DC/DC-Wandlerzellen sind. Der erste Wandler kann eine IS-Topologie und eine PFC-Funktionalität besitzen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Wandler 10 dazu ausgebildet, die Eingangsspannung von einem Mittelspannungsnetz zu erhalten. Unter Verwendung der in 90 dargestellten Wandlerschaltung können Gleichspannungslasten, wie beispielsweise die Lasten Z₁–Z_N3 direkt aus einem Mittelspannungsnetz versorgt werden, ohne dass die Mittel-Wechselspannung auf eine Nieder-Wechselspannung transformiert werden muss. Abhängig von der speziellen Art des Mittelspannungsnetzes kann die Eingangsspitzenspannung bis zu einigen 10 kV betragen. Allerdings können aufgrund der IS-Topologie in dem ersten Wandler 10 in den Wandlerzellen des ersten Wandlers 10 Halbleiterschalter mit einer Sperrspannungsfestigkeit eingesetzt werden, die wesentlich geringer ist als die Eingangsspitzenspannung. Bei diesem Ausführungsbeispiel können mehr als 10 und bis zu einige 10 Wandlerzellen in dem ersten Wandler 10 und entsprechend dem zweiten Wandler 20 verwendet werden. Die "Sperrspannungsfestigkeit“ definiert die maximale Spannung, der ein elektronischer Schalter im Aus-Zustand (ausgeschalteten Zustand) standhalten kann, ohne beschädigt zu werden.
Die oben erläuterten ersten und zweiten Leistungswandler 10, 20 können in vielfältiger unterschiedlicher Weise kombiniert werden, um Leistungswandlerschaltungen für viele verschiedene Anwendungen im Bereich der AC/DC-, DC/AC- oder DC/DC-Leistungswandlung zu erhalten. Einige dieser Anwendungen sind unten erläutert. Bei diesen Anwendungen kann das spezielle Design des ersten Leistungswandlers 10 beziehungsweise des zweiten Leistungswandlers 20 basierend auf verschiedenen Parametern ausgewählt werden, wie beispielsweise dem (Spitzen-)Pegel der Eingangsspannung und dem (Spitzen-)Pegel der Ausgangsspannung. Eine IS-Topologie kann verwendet werden, wenn der Pegel der Eingangsspannung relativ hoch ist, wie beispielsweise höher als 100 V, eine IP-Topologie kann verwendet werden, wenn der Spannungspegel niedriger ist. Entsprechend kann eine OS-Topologie verwendet werden, wenn der Pegel der Ausgangsspannung relativ hoch ist, wie beispielsweise höher als 100 V, und eine OP-Topologie kann verwendet werden, wenn der Spannungspegel niedriger ist. Beim Design der Leistungswandlerschaltung kann die Anzahl der Wandlerzellen in der ersten Leistungswandlerschaltung 10 beziehungsweise der zweiten Leistungswandlerschaltung 20 abhängig sein von der Eingangsspitzenspannung und kann umso höher sein, je höher die Eingangsspitzenspannung ist.
Eine AC/DC-Leistungswandlerschaltung kann dazu ausgebildet sein, eine niedrige Spannung von einem Niederspannungsnetz oder eine Mittelspannung von einem Mittelspannungsnetz zu erhalten. Ein Niederspannungsnetz liefert eine Sinusspannung mit 100 V_EFF oder 220 V_EFF (so dass eine Spitzenspannung etwa 155 V beziehungsweise 310 V ist). Ein Mittelspannungsnetz liefert eine Sinusspannung mit einer Spitzenspannung von einigen Kilovolt (kV), bis hin zu 10 kV. Die AC/DC-Leistungswandlerschaltung kann einen ersten Leistungswandler 10, der die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 regelt, und einen zweiten Leistungswandler 20, der die Ausgangsspannung V_OUT regelt, umfassen.
Eine DC/AC-Leistungswandlerschaltung kann dazu ausgebildet sein, eine Gleichstromleistung von einer Gleichspannungsquelle zu erhalten und eine Wechselstromleistung an ein Wechselstromleistungsnetz (engl.: AC Power Grid) zu liefern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Gleichstromleistungsquelle ein Solarpaneel. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Gleichstromleistungsquelle ein Hochspannungs-Gleichstrom-(High Voltage Direct Current, HVDC)-Leistungsübertragungsnetz. Das durch den DC/AC-Leistungswandler versorgte Leistungsnetz kann ein Niederspannungs- oder Mittelspannungs-Leistungsnetz sein. Der DC/AC-Leistungswandler kann einen ersten Leistungswandler, der eines von dem Eingangsstrom I_IN und der Eingangsspannung V_IN regelt, und einen zweiten Leistungswandler 20, der die Zwischenkreisspannungen V2₁–V2_N2 oder die Ausgangsspannung regelt.
Grundsätzlich kann jeder der zuvor erläuterten Multizellenwandler in einer Leistungswandlerschaltung zusammen mit einem anderen Multizellenwandler, mit einem Einzelzellenwandler oder alleine, das heißt, ohne einen anderen Leistungswandler, verwendet werden. Wenn ein anderer (Multizellen- oder Einzelzellen-)Wandler vorhanden ist, liefert der andere Wandler, abhängig von der speziellen Topologie, entweder Leistung an den Multizellenwandler beziehungsweise die Zwischenkreiskondensatoren oder erhält Leistung von dem Multizellenwandler beziehungsweise den Zwischenkreiskondensatoren.
Oben wurden einige Arten von Multizellenwandlern, Leistungswandlerschaltungen mit wenigstens einem Multizellenwandler und verschiedene Betriebsarten von solchen Multizellenwandlern und Leistungswandlerschaltungen beschrieben. Selbstverständlich können die oben erläuterten Aspekte miteinander kombiniert werden. Einige dieser Aspekte sind unten zusammengefasst.
Einige der oben erläuterten Aspekte betreffen:

A1. Ein Verfahren, das umfasst: Wandeln, von Leistung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst; und selektives Betreiben wenigstens einer Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einem Pegel eines Leistungsreferenzsignals.
A2. Das Verfahren nach Punkt A1, das weiterhin umfasst: Betreiben wenigstens einer anderen Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem aktiven Betrieb, wenn die wenigstens eine Wandlerzelle im inaktiven Betrieb betrieben wird.
A3. Das Verfahren nach Punkt A2, bei dem die wenigstens eine andere Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen die übrigen der mehreren Wandlerzellen umfasst.
A4. Das Verfahren nach einem der Punkte A1–A3, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle im inaktiven Betrieb das Wandeln einer Leistung von Null durch die wenigstens eine Wandlerzelle umfasst.
A5. Das Verfahren nach einem der Punkte A1–A4, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb basierend auf dem Pegel des Leistungsreferenzsignals umfasst: Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb, wenn der Pegel des Leistungsreferenzsignals unterhalb einer vordefinierten Schwelle ist.
A6. Das Verfahren nach einem der Punkte A1–A5, bei das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem aktiven Betrieb das Betreiben wenigstens eines Schalters in der wenigstens einen Wandlerzelle pulsweitenmoduliert (PWM) bei einer Schaltfrequenz umfasst: und bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb für eine Zeitdauer, die wenigstens das zehnfache eines Kehrwerts der Schaltfrequenz beträgt, umfasst.
A7. Das Verfahren nach einem der Punkte A1–A6, bei das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb umfasst: Das Festlegen einer Anzahl von Wandlerzellen, die basierend auf dem Pegel des Leistungsreferenzsignals im inaktiven Betrieb betrieben werden, wobei die Anzahl zunimmt, wenn der Pegel abnimmt.
A8. Das Verfahren nach einem der Punkte A1–A7, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang, der dazu ausgebildet ist, eine Zellenspannung zu erhalten, und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
A9. Das Verfahren nach Punkt A8, bei dem die mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet sind, basierend auf dem Leistungsreferenzsignal eines von einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom zu regeln, wobei das Leistungsreferenzsignal ein Ausgangsstromreferenzsignal umfasst.
A10. Das Verfahren nach Punkt A9, bei dem das Betreiben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb umfasst: das Betreiben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb, wenn ein Pegel des Ausgangsstromreferenzsignals unterhalb einer vordefinierten Stromschwelle ist.
A11. Das Verfahren nach Punkt A8, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb umfasst: Auswählen einer Anzahl K von Wandlerzellen, die im inaktiven Betrieb betrieben werden sollen, basierend auf dem Pegel des Ausgangsstromreferenzsignals; Identifizieren der K Wandlerzellen, die die niedrigste Zelleneingangsspannung erhalten; und Betreiben der identifizierten Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb.
A12. Das Verfahren nach Punkt A10, das weiterhin umfasst: Wiederholen des Auswählens, des Identifizierens und des Betreibens.
A13. Das Verfahren nach Punkt A12, bei dem das Wiederholen ein regelmäßiges Wiederholen umfasst.
A14. Das Verfahren nach Punkt A12, bei dem das Wiederholen umfasst: das Wiederholen, wenn ein Spannungspegel der Eingangsspannung einer der mehreren Wandlerzellen unter eine vordefinierte Spannungsschwelle absinkt.
A15. Das Verfahren nach einem der Punkte A1–A14, bei dem die mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet sind, die Ausgangsspannung so zu regeln, dass sie im Wesentlichen konstant ist.
A16. Das Verfahren nach einem der Punkte A1–A14, das weiterhin umfasst: Bereitstellen einer Zelleneingangsspannung am Zelleneingang jeder der mehreren Wandlerzellen durch einen weiteren Leistungswandler.
A17. Das Verfahren nach Punkt A16, bei dem der andere Leistungswandler wenigstens eine Wandlerzelle umfasst.
A18. Das Verfahren nach Punkt A17, bei dem der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
A19. Das Verfahren nach Punkt A18, bei dem jede der Zelleneingangsspannungen eine Spannung über einem jeweiligen der mehreren Kondensatoren ist.
A20. Das Verfahren nach einem der Punkte A16–A19, bei dem der andere Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine Summe der Zelleneingangsspannungen zu regeln.
A21. Das Verfahren nach Punkt A1, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang, der dazu ausgebildet ist, eine Zellenausgangsspannung bereitzustellen, umfasst, und bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
A22. Das Verfahren nach Punkt A21, bei dem die mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet sind, basierend auf dem Leistungsreferenzsignal eines von einer Eingangsspannung und einem Eingangsstrom am Eingang des Leistungswandlers zu regeln, und wobei das Leistungsreferenzsignal ein Eingangsstromreferenzsignal umfasst.
A23. Das Verfahren nach Punkt A22, bei dem das Betreiben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb umfasst: Betrieben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb, wenn ein Strompegel des Eingangsstromreferenzsignals unterhalb einer vordefinierten Stromschwelle ist.
A24. Das Verfahren nach Punkt A21, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb umfasst: Auswählen einer Anzahl K von Wandlerzellen, die im inaktiven Betrieb betrieben werden sollen, basierend auf dem Pegel des Eingangsstromreferenzsignals; Identifizieren der K Wandlerzellen, die die höchste Zellenausgangspannung haben; und Betreiben der identifizierten Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb.
A25. Das Verfahren nach Punkt A24, das weiterhin umfasst: Wiederholen des Auswählens, Identifizierens und Betreibens.
A26. Das Verfahren nach Punkt A25, bei das Wiederholen ein regelmäßiges Wiederholen umfasst.
A27. Das Verfahren nach Punkt A25, bei das Wiederholen umfasst: Wiederholen, wenn ein Spannungspegel der Eingangsspannung einer der mehreren Wandlerzellen über eine vordefinierte Spannungsschwelle ansteigt.
A28. Das Verfahren nach einem der Punkte A22–A27, bei dem die mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet sind, die Eingangsspannung so zu regeln, dass sie im Wesentlichen konstant ist.
A29. Das Verfahren nach einem der Punkte A21–A28, das weiterhin umfasst: Erhalten einer Zellenausgangsspannung am Zellenausgang jeder der mehreren Wandlerzellen durch einen weiteren Leistungswandler.
A30. Das Verfahren nach Punkt A29, bei dem der andere Leistungswandler nur eine Wandlerzelle umfasst.
A31. Verfahren nach einem der Punkte A29–A30, bei dem der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
A32. Das Verfahren nach Punkt A31, bei dem jede der Zellenausgangsspannungen eine Spannung über einem jeweiligen der mehreren Kondensatoren ist.
A33. Ein Verfahren, das umfasst: Erhalten einer periodischen Spannung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst; und selektives Betreiben wenigstens einer Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einer Änderung eines Spannungspegels der periodischen Spannung derart, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung sich die Anzahl der aktiven Wandlerzellen ändert, wenn sich der Spannungspegel der periodischen Spannung ändert.
A34. Das Verfahren nach Punkt A33, bei dem das selektive Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven und dem inaktiven Betrieb umfasst: Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle derart, dass die Anzahl der aktiven Wandlerzellen zunimmt, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung zunimmt.
A35. Das Verfahren nach einem der Punkte A33–A34, bei dem das selektive Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven und dem inaktiven Betrieb umfasst: Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle derart, dass die Anzahl der aktiven Wandlerzellen abnimmt, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung abnimmt.
A36. Das Verfahren nach einem der Punkte A33–A35, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist, und bei dem der Zellenausgang jeder Wandlerzelle an einen jeweiligen Kondensator gekoppelt ist.
A37. Das Verfahren nach einem der Punkte A33–A36, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, bei dem die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist, und bei dem der Zelleneingang jeder Wandlerzelle an einen jeweiligen Kondensator gekoppelt ist.
A38. Das Verfahren nach einem der Punkte A34–A37, bei dem in jeder der mehreren aufeinander folgenden Perioden oder Halbperioden zwei oder mehr Wandlerzellen aktiviert werden, wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung zunimmt, und bei dem eine Reihenfolge, in der die zwei oder mehr Wandlerzellen aktiviert werden, in wenigstens zwei unterschiedlichen Perioden oder Halbperioden unterschiedlich ist.
A39. Das Verfahren nach einem der Punkte A35–A38, bei dem in jeder der mehreren aufeinander folgenden Perioden oder Halbperioden zwei oder mehr Wandlerzellen deaktiviert werden, wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung abnimmt, und bei dem eine Reihenfolge, in der die zwei oder mehr Wandlerzellen deaktiviert werden, in wenigstens zwei unterschiedlichen Perioden oder Halbperioden unterschiedlich ist.
A40. Das Verfahren nach einem der Punkte A33–A39, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb das Wandeln einer Leistung von Null durch die wenigstens eine Wandlerzelle umfasst.
A41. Eine Leistungswandlerschaltung, die einen Leistungswandler umfasst, wobei der Leistungswandler umfasst: mehrere Wandlerzellen; und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen basierend auf einem Pegel eines Leistungsreferenzsignals in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb zu betreiben.
A42. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt A41, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang, der dazu ausgebildet ist, eine Zelleneingangsspannung zu erhalten, und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
A43. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt A42, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Pegel des Leistungsreferenzsignals eines von einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom am Ausgang des Leistungswandlers zu regeln, wobei das Leistungsreferenzsignal ein Ausgangsstromreferenzsignal umfasst.
A44. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt A43, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb zu betreiben, wenn ein Pegel des Ausgangsstromreferenzsignals unterhalb einer vordefinierten Stromschwelle ist.
A45. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte A42–A44, bei dem der Controller dazu ausgebildet ist, eine Anzahl K von Wandlerzellen, die in dem inaktiven Betrieb betrieben werden sollen, basierend auf dem Pegel des Ausgangsstromreferenzsignals auszuwählen; die K Wandlerzellen zu identifizieren, die die niedrigste Zelleneingangsspannung erhalten; und die identifizierten Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb zu betreiben.
A46. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt A38, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang, der dazu ausgebildet ist, eine Zellenausgangsspannung bereitzustellen, umfasst, und bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
A47. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt A46, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Leistungsreferenzsignal eines von einer Eingangsspannung und einem Eingangsstrom an dem Eingang des Leistungswandlers zu regeln, wobei das Leistungsreferenzsignal ein Eingangsstromreferenzsignal umfasst.
A48. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt A47, bei dem der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb zu betreiben, wenn ein Pegel des Eingangsstromreferenzsignals unter einer vordefinierten Stromschwelle ist.
A49. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte A46–A48, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Pegel des Eingangsstromreferenzsignals eine Anzahl K von Wandlerzellen auszuwählen, die in dem inaktiven Betrieb betrieben werden sollen; die K Wandlerzellen zu identifizieren, die die niedrigste Ausgangsspannung haben; und die identifizierten Wandlerzellen im inaktiven Betrieb zu betreiben.
A50. Eine Leistungswandlerschaltung, die umfasst: einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst und dazu ausgebildet ist, eine periodische Spannung zu erhalten; und einen Controller, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, selektiv wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einer Änderung der periodischen Spannung derart zu betreiben, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung die Anzahl der aktiven Wandlerzellen sich ändert, wenn sich ein Spannungspegel der periodischen Spannung ändert.
A51. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt A50, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Wandlerzelle selektiv in einem von dem aktiven und dem inaktiven Betrieb derart zu betreiben, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung die Anzahl der aktiven Wandlerzellen zunimmt, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung zunimmt.
A52. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte A50–A51, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Wandlerzelle in einem von dem aktiven und inaktiven Betrieb derart zu betreiben, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung die Anzahl der aktiven Wandlerzellen abnimmt, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung abnimmt.
B1. Eine Leistungswandlerschaltung, die umfasst: mehrere Wandlerzellen, wobei wenigstens eine erste Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen eine erste Betriebscharakteristik umfasst und wobei wenigstens eine zweite Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen eine zweite Betriebscharakteristik umfasst, die sich von der ersten Betriebscharakteristik unterscheidet.
B2. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B1, die weiterhin umfasst: mehrere Kondensatoren, die jeweils einer der mehreren Wandlerzellen zugeordnet sind, wobei der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine Spannung über jedem der mehreren Kondensatoren zu regeln, und wobei die erste Betriebscharakteristik einen ersten Spannungspegel einer Spannung über einem ersten Kondensator, der der ersten Wandlerzelle zugeordnet ist, umfasst und die zweite Betriebscharakteristik einen zweiten Spannungspegel einer Spannung über einem zweiten Kondensator, der der zweiten Wandlerzelle zugeordnet ist, umfasst.
B3. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B2, bei der der erste Spannungspegel weniger als 80% des zweiten Spannungspegels ist.
B4. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte B1–B3, bei der der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine Spannung über jedem der mehreren Kondensatoren derart zu regeln, dass die Spannungen über den mehreren Kondensatoren sich gegenseitig unterscheiden.
B5. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte B1–B4, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, bei der die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist, und bei der der Zellenausgang jeder der mehreren Wandlerzellen an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren angeschlossen ist.
B6. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte B1–B5, bei der der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, am Eingang des Leistungswandlers eine periodische Spannung zu erhalten und basierend auf einem Spannungspegel der Eingangsspannung jede der mehreren Wandlerzellen in einem von drei unterschiedlichen Betriebsarten zu arbeiten.
B7. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B6, bei der die drei unterschiedlichen Betriebszustände aufweisen: einen Ein-Betrieb; einen Aus-Betrieb; und einen PWM-(Pulsweitenmodulations)-Betrieb.
B8. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte B6–B7, bei der jede der Wandlerzellen wenigstens einen elektronischen Schalter umfasst, bei der Betreiben jeder der Wandlerzellen in einer der drei unterschiedlichen Betriebsarten das Betreiben jeder der Wandlerzellen in aufeinander folgenden Ansteuerzyklen umfasst, wobei im Ein-Betrieb der wenigstens eine elektronische Schalter während jedes Ansteuerzyklus durchgängig in einem Ein-Zustand ist, wobei im Aus-Betrieb der wenigstens eine elektronische Schalter in jedem Ansteuerzyklus durchgängig in einem Aus-Zustand ist, und wobei im PWM-Betrieb der wenigstens eine elektronische Schalter in jedem Ansteuerzyklus für eine Ein-Dauer im Ein-Zustand und für eine Aus-Dauer im Aus-Zustand ist.
B9. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte B1–B8, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, bei der die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist, und bei der der Zelleneingang jeder Wandlerzelle an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren angeschlossen ist.
B10. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B9, bei der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine periodische Spannung am Ausgang des Leistungswandlers zu erhalten und jede der Wandlerzellen basierend auf einem Spannungspegel der Ausgangsspannung in einer von drei unterschiedlichen Betriebsarten zu betreiben.
B11. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B10, bei der die drei unterschiedlichen Betriebsarten aufweisen: einen Ein-Betrieb; einen Aus-Betrieb; und einen PWM-Betrieb.
B12. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B11, bei der jede der Wandlerzellen wenigstens einen elektronischen Schalter umfasst, bei das Betreiben jeder der Wandlerzellen in einer der drei unterschiedlichen Betriebsarten das Betreiben jeder der Wandlerzellen in aufeinander folgenden Ansteuerzyklen umfasst, bei dem im Ein-Betrieb der wenigstens eine elektronische Schalter während jedes Ansteuerzyklus durchgängig im Ein-Zustand ist, bei dem im Aus-Betrieb der wenigstens eine elektronische Schalter in jedem Ansteuerzyklus durchgängig in einem Aus-Zustand ist, und bei dem im PWM-Betrieb der wenigstens eine elektronische Schalter in jedem Ansteuerzyklus für eine Ein-Dauer im Ein-Zustand und für eine Aus-Dauer im Aus-Zustand ist.
B13. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B1, bei der die erste Betriebscharakteristik eine erste Sperrspannungsfestigkeit wenigstens eines elektronischen Schalters in der ersten Wandlerzelle umfasst und die zweite Betriebscharakteristik eine zweite Sperrspannungsfestigkeit wenigstens eines elektronischen Schalters in der zweiten Wandlerzelle umfasst.
B14. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B13, bei der die erste Sperrspannungsfestigkeit geringer als 80% der zweiten Sperrspannungsfestigkeit ist.
B15. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B13, bei der die Sperrspannungsfestigkeit des wenigstens einen elektronischen Schalters in jeder der mehreren Wandlerzellen sich von der Sperrspannungsfestigkeit des wenigstens einen elektronischen Schalters in jeder der anderen der mehreren Wandlerzellen unterscheidet.
B16. Die Leistungswandlerschaltung nach B13, bei der jede von der ersten Wandlerzelle und der zweiten Wandlerzelle eine Halbbrücke umfasst, und bei der der wenigstens eine elektronische Schalter der ersten Wandlerzelle ein High-Side-Schalter der jeweiligen Halbbrücke und der wenigstens eine elektronische Schalter der zweiten Wandlerzelle ein High-Side-Schalter der jeweiligen Halbbrücke ist.
B17. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B11, bei der jede von der ersten Wandlerzelle und der zweiten Wandlerzelle eine Halbbrücke umfasst, und bei der der wenigstens eine elektronische Schalter der ersten Wandlerzelle ein Low-Side-Schalter der jeweiligen Halbbrücke ist und der wenigstens eine elektronische Schalter der zweiten Wandlerzelle ein Low-Side-Schalter der jeweiligen Halbbrücke ist.
B18. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B13, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind.
B19. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B13, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind.
B20. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B13, die weiterhin umfasst: mehrere Kondensatoren, wobei jeder der mehreren Kondensatoren an eine der mehreren Wandlerzellen angeschlossen ist; und einen weiteren Leistungswandler, der an die mehreren Wandlerzellen gekoppelt ist, wobei der weitere Leistungswandler wenigstens eine Wandlerzelle umfasst.
B21. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B1, bei der die erste Betriebscharakteristik einen ersten Einschaltwiderstand wenigstens eines elektronischen Schalters in der ersten Wandlerzelle umfasst und die zweite Betriebscharakteristik einen zweiten Einschaltwiderstand wenigstens eines elektronischen Schalters in der zweiten Wandlerzelle umfasst.
B22. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B21, bei der der erste Einschaltwiderstand geringer als 80% des zweiten Einschaltwiderstands ist.
B23. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B22, bei der der Einschaltwiderstand des wenigstens einen elektronischen Schalters in jeder der mehreren Wandlerzellen sich von dem Einschaltwiderstand des wenigstens einen elektronischen Schalters in jeder der anderen der mehreren Wandlerzellen unterscheidet.
B24. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B22, bei der jede von der ersten Wandlerzelle und der zweiten Wandlerzelle eine Halbbrücke umfasst; und bei der der wenigstens eine elektronische Schalter der ersten Wandlerzelle ein High-Side-Schalter der jeweiligen Halbbrücke ist und der wenigstens eine elektronische Schalter der zweiten Wandlerzelle ein High-Side-Schalter der jeweiligen Halbbrücke ist.
B25. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B23, bei der jede von der ersten Wandlerzelle und der zweiten Wandlerzelle eine Halbbrücke umfasst, und bei der der wenigstens eine elektronische Schalter der ersten Wandlerzelle ein Low-Side-Schalter der jeweiligen Halbbrücke ist und der wenigstens eine elektronische Schalter der zweiten Wandlerzelle ein Low-Side-Schalter der jeweiligen Wandlerzelle ist.
B26. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B23, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind.
B27. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt B23, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst; und bei die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind.
B28. Ein Verfahren, das umfasst: Erhalten einer Eingangsspannung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst, die jeweils einen Zelleneingang und einen Zellenausgang aufweisen; und Parallelschalten oder In-Reihe-Schalten der Zelleneingänge von wenigstens zwei Wandlerzellen der mehreren Wandlerzellen basierend auf einem Spannungspegel der periodischen Eingangsspannung.
B29. Das Verfahren nach Punkt B28, das umfasst: Parallelschalten der Zelleneingänge, wenn der momentane Spannungspegel unterhalb einer vordefinierten Spannungsschwelle ist.
B30. Das Verfahren nach Punkt B28, das weiterhin umfasst: Erhalten einer Zellenausgangsleistung am Zellenausgang jeder Wandlerzelle durch einen weiteren Leistungswandler.
B31. Das Verfahren nach Punkt B30, bei dem der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
B32. Ein Verfahren, das umfasst: Erhalten einer periodischen Spannung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst, die jeweils einen Zellenausgang und einen Zelleneingang aufweisen; und Parallelschalten oder In-Reihe-Schalten der Zellenausgänge von wenigstens zwei Wandlerzellen der mehreren Wandlerzellen basierend auf einem momentanen Spannungspegel der periodischen Spannung.
B33. Das Verfahren nach Punkt B32, das umfasst: Parallelschalten der Zellenausgänge, wenn der Spannungspegel unterhalb einer vordefinierten Spannungsschwelle ist.
B34. Das Verfahren nach Punkt B32, das weiterhin ausweist: Erhalten einer Zelleneingangsleistung am Zelleneingang jeder Wandlerzelle durch einen anderen Leistungswandler.
B35. Das Verfahren nach Punkt B33, bei dem der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
C1. Ein Verfahren, das umfasst: Erhalten einer periodischen Spannung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst; und Wechseln eines durchschnittlichen Leistungspegels einer durch wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen gewandelten Leistung in einer Folge von Zeitfenstern gleicher Dauer, wobei jedes der Folge von Zeitfenstern einer Zeitperiode zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen der periodischen Spannung entspricht.
C2. Das Verfahren nach Punkt C1, bei dem die periodische Spannung eine von einer Sinusspannung und einer gleichgerichteten Sinusspannung ist.
C3. Das Verfahren nach Punkt C1, bei der die Folge von Zeitfenstern eine erste Anzahl (P) von Zeitfenstern und eine zweite Anzahl (Q) von Zeitfenstern umfasst, und bei dem das Wechseln des durchschnittlichen Leistungspegels umfasst: Wandeln von Leistung in jedem der ersten Anzahl von Zeitfenstern und Wandeln von Leistung in jedem der zweiten Anzahl von Zeitfenstern derart, dass ein durchschnittlicher Leistungspegel in jedem der zweiten Anzahl von Zeitfenstern geringer ist als ein durchschnittlicher Leistungspegel in jedem der ersten Anzahl von Zeitfenstern.
C4. Das Verfahren nach Punkt C3, bei dem das Wechseln des durchschnittlichen Leistungspegels in der Folge von Zeitfenstern das aufeinander folgende Wechseln des durchschnittlichen Leistungspegels umfasst.
C5. Das Verfahren nach Punkt C3, bei dem der durchschnittliche Leistungspegel in der zweiten Anzahl von Zeitfenstern geringer ist als 50% des durchschnittlichen Leistungspegels in der ersten Anzahl von Zeitfenstern.
C6. Das Verfahren nach einem der Punkte C3–C5, bei dem der durchschnittliche Leistungspegel in der zweiten Anzahl von Zeitfenstern Null ist.
C7. Das Verfahren nach einem der Punkte C3–C6, bei dem ein Verhältnis zwischen der zweiten Anzahl von Zeitfenstern und der ersten Anzahl von Zeitfenstern größer als 1 ist.
C8. Das Verfahren nach einem der Punkte C3–C6, bei dem das Wechseln eines durchschnittlichen Leistungspegels der durch wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen gewandelten Leistung umfasst: Wechseln eines durchschnittlichen Leistungspegels der durch jede der mehreren Wandlerzellen gewandelten Leistung.
C9. Das Verfahren nach einem der Punkte C3–C8, bei dem der Leistungswandler einen Eingang umfasst und bei dem die periodische Spannung am Eingang erhalten wird.
C10. Das Verfahren nach Punkt C9, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zelleneingänge der Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zelleneingänge umfasst, an den Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
C11. Das Verfahren nach einem der Punkte C9–C10, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zelleneingänge der Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge umfasst, an den Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
C12. Das Verfahren nach einem der Punkte C10–C11, das weiterhin umfasst: Empfangen von Leistung von dem Leistungswandler durch einen anderen Leistungswandler, wobei der andere Leistungswandler an die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen gekoppelt ist.
C13. Das Verfahren nach Punkt C12, bei jeder der Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen an einen jeweiligen Kondensator von mehreren Kondensatoren gekoppelt ist.
C14. Das Verfahren nach Punkt C1, bei dem der Leistungswandler einen Ausgang umfasst, und bei dem die periodische Spannung am Ausgang erhalten wird.
C15. Das Verfahren nach Punkt C14, bei dem jede der Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zellenausgänge der Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die Zellenausgänge umfasst, an den Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
C16. Das Verfahren nach Punkt C14, bei dem jede der Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zellenausgänge der Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge umfasst, an den Ausgang des Leistungswandler gekoppelt ist.
C17. Das Verfahren nach einem der Punkte C14–C16, das weiterhin umfasst: Empfang von Leistung durch den Leistungswandler von einem anderen Leistungswandler, wobei der andere Leistungswandler an die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen gekoppelt ist.
C18. Das Verfahren nach Punkt C17, bei dem jeder Zelleneingang der mehreren Wandlerzellen an einen jeweiligen von mehreren Kondensatoren gekoppelt ist.
C19. Ein Verfahren, das umfasst: Wandeln von Gleichstromleistung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wanderzellen umfasst, in einem ersten Betrieb oder einem zweiten Betrieb, wobei im ersten Betrieb ein Leistungspegel der gewandelten Leistung im Wesentlichen konstant ist, und wobei im zweiten Betrieb der Leistungspegel der gewandelten Leistung wechselt.
C20. Das Verfahren nach Punkt C19, bei dem das Wandeln der Gleichstromleistung im zweiten Betrieb umfasst: wechselndes Betreiben wenigstens einer der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven Betrieb und einem inaktiven Betrieb.
C21. Das Verfahren nach Punkt C20, bei dem das Betreiben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb umfasst: Wandeln einer Leistung von Null durch die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen.
C22. Das Verfahren nach einem der Punkte C20–C21, bei dem das Wandeln der Gleichstromleistung in dem zweiten Betrieb umfasst: Betreiben nur einer Wandlerzelle im aktiven Betrieb zur selben Zeit.
C23. Das Verfahren nach Punkt C22, bei dem das Wandeln der Gleichstromleistung in dem zweiten Betrieb umfasst: Betreiben jeder der mehreren Wandlerzellen zu unterschiedlichen Zeiten.
C24. Das Verfahren nach einem der Punkte C19–C23, bei dem das Wandeln der Gleichstromleistung umfasst: Wandeln von Gleichstromleistung in dem ersten Betrieb oder dem zweiten Betrieb basierend auf einem Pegel eines Leistungsreferenzsignals.
C25. Das Verfahren nach Punkt C24, bei dem im ersten betrieb der Leistungspegel der gewandelten Leistung abhängig ist von einem Pegel des Leistungsreferenzsignals.
C26. Das Verfahren nach Punkt C24, bei dem das Wandeln der Gleichstromleistung umfasst: Wandeln der Gleichstromleistung in dem zweiten Betrieb, wenn der Pegel des Leistungsreferenzsignals unter eine vordefinierte Schwelle absinkt.
C27. Das Verfahren nach einem der Punkte C24–C26, bei dem das Wandeln der Gleichstromleistung in dem zweiten Betrieb umfasst: Wandeln der Gleichstromleistung derart, dass ein durchschnittlicher Leistungspegel in dem zweiten Betrieb abhängig ist von dem Pegel des Leistungsreferenzsignals.
C28. Das Verfahren nach einem der Punkte C19–C27, bei dem ein durchschnittlicher Leistungspegel in dem zweiten Betrieb geringer ist als 50% des Leistungspegels in dem ersten Betrieb.
C29. Das Verfahren nach einem der Punkte C24–C28, bei dem das Wandeln der Gleichstromleistung das Bereitstellen eines Ausgangsstroms an einem Ausgang des Leistungswandlers umfasst, und bei dem das Leistungsreferenzsignal ein Ausgangsstromreferenzsignal umfasst.
C30. Das Verfahren nach Punkt C29, das weiterhin umfasst: Erhalten von Leistung durch den Leistungswandler von einem anderen Leistungswandler.
C31. Das Verfahren nach Punkt C19, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge umfasst, an den Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
C32. Das Verfahren nach Punkt C19, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zellenausgänge umfasst, an den Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
C33. Das Verfahren nach Punkt C19, bei dem das Wandeln der Gleichstromleistung das Erhalten eines Eingangsstroms an einem Eingang des Leistungswandlers umfasst, und bei dem das Leistungsreferenzsignal ein Eingangsstromreferenzsignal umfasst.
C34. Das Verfahren nach Punkt C33, das weiterhin umfasst: Empfangen von Leistung von dem Leistungswandler durch einen anderen Leistungswandler.
C35. Das Verfahren nach Punkt C19, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge umfasst, an den Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
C36. Das Verfahren nach Punkt C19, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zelleneingänge umfasst, an den Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
C37. Eine Leistungswandlerschaltung, die umfasst: einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen umfasst, wobei der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine periodische Spannung zu erhalten; und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, in einer Folge von Zeitfenstern einen durchschnittlichen Leistungspegel einer durch wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen gewandelten Leistung zu wechseln, wobei jedes Zeitfenster einer Zeitperiode zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen des periodischen Signals entspricht.
C38. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt C37, bei dem die periodische Spannung eine von einer Sinusspannung und einer gleichgerichteten Sinusspannung ist.
C39. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt C37, bei dem der Leistungswandler einen Eingang umfasst, bei dem der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, das periodische Signal an dem Eingang zu erhalten, und bei dem die Leistungswandlerschaltung dazu ausgebildet ist, Leistung an einen anderen Leistungswandler auszugeben.
C40. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt C37, bei der der Leistungswandler einen Ausgang umfasst, bei der der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, die periodische Spannung an dem Ausgang zu erhalten, und bei der die Leistungswandlerschaltung einen weiteren Leistungswandler umfasst, der dazu ausgebildet ist, Leistung an den Leistungswandler zu liefern.
C41. Die Leistungswandlerschaltung, die umfasst: einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen und einen Controller umfasst; wobei der Controller dazu ausgebildet ist, den Leistungswandler in einem von einem ersten Betrieb und einem zweiten Betrieb zu betreiben, wobei im ersten Betrieb ein Leistungspegel der gewandelten Leistung im Wesentlichen konstant ist, und wobei im zweiten Betrieb der Leistungspegel der gewandelten Leistung wechselt.
C42. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt C41, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen wechselnd in einem von einem aktiven Betrieb und einem inaktiven Betrieb zu betreiben.
C43. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt C42, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen im inaktiven Betrieb derart zu betreiben, dass die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen eine Leistung von Null wandelt.
C44. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt C41, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, nur eine der mehreren Wandlerzellen im aktiven Betrieb zur selben Zeit zu betreiben.
D1. Ein Verfahren, das umfasst: Wandeln von Leistung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen und wenigstens eine Filterzelle umfasst; Erhalten einer Zelleneingangsleistung an einem Zelleneingang und Bereitstellen einer Zellenausgangsleistung an einem Zellenausgang wenigstens einer der mehreren Wandlerzellen; und Betreiben der Filterzelle in einem von einem Eingangsleistungsbetrieb, in dem die Filterzelle eine Eingangsleistung erhält, und einem Ausgangsleistungsbetrieb, in dem die Filterzelle eine Ausgangsleistung bereitstellt.
D2. Das Verfahren nach Punkt D1, bei dem das Betreiben der Filterzelle in dem Eingangsleistungsbetrieb das Erhalten der Eingangsleistung an einem Anschluss der Filterzelle umfasst, und bei dem das Betreiben der Filterzelle in dem Ausgangsleistungsbetrieb das Bereitstellen der Ausgangsleistung an dem Anschluss der Filterzelle umfasst.
D3. Das Verfahren nach Punkt D1, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen und der Anschluss der wenigstens einen Filterzelle in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zelleneingänge und den Anschluss umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
D4. Das Verfahren nach Punkt D3, das weiterhin umfasst: Erhalten einer Eingangsspannung an dem Eingang des Leistungswandlers; und Bereitstellen einer Zellenausgangsspannung durch jede der mehreren Wandlerzellen; und Betreiben der Filterzelle in dem einen von dem Eingangsleistungsbetrieb und dem Ausgangsleistungsbetrieb basierend auf einem Spannungspegel der Eingangsspannung und auf Spannungspegeln der Zellenausgangsspannungen.
D5. Das Verfahren nach Punkt D4, bei dem das Betreiben der Filterzelle in dem einen von dem Eingangsleistungsbetrieb und dem Ausgangsleistungsbetrieb umfasst: Betreiben einer ersten Anzahl der mehreren Wandlerzellen in einem Aus-Zustand und Betreiben einer zweiten Anzahl der Wandlerzellen in einem Ein-Zustand, Betreiben der Filterzelle in dem Eingangsleistungsbetrieb, wenn eine Summe der Zellenausgangsspannungen der ersten Anzahl von Wandlerzellen geringer ist als der Pegel der Eingangsspannung, und Betreiben der Filterzelle in dem Ausgangsleistungsbetrieb, wenn eine Summe der Zellenausgangsspannungen der ersten Anzahl von Wandlerzellen größer ist als der Pegel der Eingangsspannung.
D6. Das Verfahren nach Punkt D5, bei dem die erste Anzahl abhängig ist von dem Pegel der Eingangsspannung.
D7. Das Verfahren nach Punkt D4, bei dem die Eingangsspannung eine periodische Spannung ist.
D8. Das Verfahren nach Punkt D3, das weiterhin umfasst: Erhalten einer Eingangsspannung und eines Eingangsstroms am Eingang des Leistungswandlers und Regeln des Eingangsstroms derart, dass er eine vordefinierte Phasendifferenz relativ zu der Eingangsspannung besitzt.
D9. Das Verfahren nach Punkt D8, das weiterhin umfasst: Regeln einer Zellenausgangsspannung am Zellenausgang jeder der mehreren Wandlerzellen.
D10. Das Verfahren nach einem der Punkte D2–D9, das weiterhin umfasst: Erhalten einer Zellenausgangsleistung, die durch jede der mehreren Wandlerzellen bereitgestellt wird, durch einen anderen Leistungswandler.
D11. Das Verfahren nach Punkt D10, bei dem der andere Leistungswandler nur eine Wandlerzelle umfasst.
D12. Das Verfahren nach Punkt D10, bei dem der andere Leistungswandler mehrere Wandlerzellen umfasst, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen des anderen Leistungswandlers die durch eine zugehörige Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen des Leistungswandlers bereitgestellte Zellenausgangsleistung erhält.
D13. Das Verfahren nach Punkt D10, bei dem der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
D14. Das Verfahren nach Punkt D1, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei dem die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen und der Anschluss der Filterzelle in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zellenausgänge und den Anschluss umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
D15. Das Verfahren nach Punkt D14, das weiterhin umfasst: Erhalten einer Ausgangsspannung am Ausgang des Leistungswandlers; Erhalten einer Zelleneingangsspannung durch jede Wandlerzelle; und Betreiben der Filterzelle in dem einen von dem Eingangsleistungsbetrieb und dem Ausgangsleistungsbetrieb basierend auf einem Spannungspegel der Ausgangsspannung und auf Spannungspegeln der Zelleneingangsspannungen.
D16. Das Verfahren nach Punkt D15, bei dem das Betreiben der Filterzelle in dem einen von dem Eingangsleistungsbetrieb und dem Ausgangsleistungsbetrieb umfasst: Betreiben einer ersten Anzahl der mehreren Wandlerzellen in einem Aus-Zustand und Betreiben einer zweiten Anzahl der Wandlerzellen in einem Ein-Zustand, Betreiben der Filterzelle in dem Ausgangsleistungsbetrieb, wenn eine Summe der Zelleneingangsspannungen der ersten Anzahl von Wandlerzellen geringer ist, als der Pegel der Ausgangsspannung, und Betreiben der Filterzelle in dem Eingangsleistungsbetrieb, wenn eine Summe der Zelleneingangsspannungen der ersten Anzahl von Wandlerzellen größer ist als der Pegel der Ausgangsspannung.
D17. Das Verfahren nach Punkt D16, bei dem die erste Anzahl abhängig ist von dem Pegel der Ausgangsspannung.
D18. Das Verfahren nach Punkt D16, bei dem die Ausgangsspannung eine periodische Spannung ist.
D19. Das Verfahren nach Punkt D14, das weiterhin umfasst: Erhalten einer Ausgangsspannung und Bereitstellen eines Ausgangsstroms am Ausgang des Leistungswandlers und Regeln des Ausgangsstroms derart, dass er eine vordefinierte Phasendifferenz relativ zu der Ausgangsspannung umfasst.
D20. Das Verfahren nach einem der Punkte D14–D19, das weiterhin umfasst: Bereitstellen einer Zelleneingangsleistung, die durch jede der mehreren Wandlerzellen erhalten wird, durch einen anderen Leistungswandler.
D21. Das Verfahren nach Punkt D20, bei dem der andere Leistungswandler nur eine Wandlerzelle umfasst.
D22. Das Verfahren nach Punkt D20, bei dem der andere Leistungswandler mehrere Wandlerzellen umfasst; und bei dem jede der mehreren Wandlerzellen des Leistungswandlers die Zelleneingangsleistung von einer zugehörigen Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen des anderen Leistungswandlers erhält.
D23. Das Verfahren nach einem der Punkte D20–D22, bei dem der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
D24. Eine Leistungswandlerschaltung, die einen Leistungswandler umfasst, der umfasst: mehrere Wandlerzellen, wobei wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet ist, eine Zelleneingangsleistung an einem Zelleneingang zu erhalten und eine Zellenausgangsleistung an einem Zellenausgang bereitzustellen; und wenigstens eine Filterzelle, die dazu ausgebildet ist, in einem von einem Eingangsleistungsbetrieb, in dem die Filterzelle eine Eingangsleistung erhält, und einem Ausgangsleistungsbetrieb, in dem die Filterzelle eine Ausgangsleistung bereitstellt, zu arbeiten.
D25. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D24, bei der die Filterzelle dazu ausgebildet ist, im Eingangsleistungsbetrieb die Eingangsleistung an einem Anschluss der Filterzelle zu erhalten, und im Ausgangsleistungsbetrieb die Ausgangsleistung an dem Anschluss der Filterzelle bereitzustellen.
D26. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D24, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen und der Anschluss der Filterzelle in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zelleneingänge und den Anschluss umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
D27. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D26, bei der der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung an dem Eingang des Leistungswandlers zu erhalten; bei der jede Wandlerzelle dazu ausgebildet ist, eine Zellenausgangsspannung bereitzustellen; und bei der die Filterzelle dazu ausgebildet ist, in dem einen von dem Eingangsleistungsbetrieb und dem Ausgangsleistungsbetrieb basierend auf einem Spannungspegel der Eingangsspannung und Spannungspegeln der Zellenausgangsspannungen zu arbeiten.
D28. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D27, bei der eine erste Anzahl der mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet ist, in einem Aus-Zustand zu arbeiten und eine zweite Anzahl der mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet ist, in einem Ein-Zustand zu arbeiten, und bei der die Filterzelle dazu ausgebildet ist, im Eingangsleistungsbetrieb zu arbeiten, wenn eine Summe der Zellenausgangsspannungen der ersten Anzahl von Wandlerzellen geringer ist als der Pegel der Eingangsspannung, und im Ausgangsleistungsbetrieb zu arbeiten, wenn eine Summe der Zellenausgangsspannungen der ersten Anzahl von Wandlerzellen größer ist als der Pegel der Eingangsspannung.
D29. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D28, bei der die erste Anzahl abhängig ist von dem Pegel der Eingangsspannung.
D30. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D16–D29, bei der die Eingangsspannung eine periodische Spannung ist.
D31. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D26, bei der der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung und einen Eingangsstrom an dem Eingang des Leistungswandlers zu erhalten und den Eingangsstrom so zu regeln, dass er eine vordefinierte Phasendifferenz relativ zu der Eingangsspannung besitzt.
D32. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D31, bei der der Leistungswandler weiterhin dazu ausgebildet ist, eine Zellenausgangsspannung am Zellenausgang jeder der mehreren Wandlerzellen zu regeln.
D33. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D20–D32, die weiterhin umfasst: einen anderen Leistungswandler, der dazu ausgebildet ist, eine Zellenausgangsleistung zu erhalten, die durch jede der mehreren Wandlerzellen bereitgestellt wird.
D34. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D33, bei der der andere Leistungswandler nur eine Wandlerzelle umfasst.
D35. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D33, bei der der andere Leistungswandler mehrere Wandlerzellen umfasst, und bei der jede der mehreren Wandlerzellen des anderen Leistungswandlers die durch eine der mehreren Wandlerzellen des Leistungswandlers bereitgestellte Ausgangsleistung erhält.
D36. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D33–D35, bei der der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
D37. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D24–D36, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen und der Anschluss der Filterzelle in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zellenausgänge und den Anschluss umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
D38. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D37, bei der der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung an dem Ausgang des Leistungswandlers zu erhalten; bei der jede Wandlerzelle dazu ausgebildet ist, eine Zelleneingangsspannung erhalten; und bei der die Filterzelle dazu ausgebildet ist, in dem einen von dem Eingangsleistungsbetrieb und dem Ausgangsleistungsbetrieb basierend auf einem Spannungspegel der Ausgangsspannung und auf Spannungspegeln der Zelleneingangsspannungen zu arbeiten.
D39. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D38, bei der eine erste Anzahl der mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet ist, in einem Aus-Zustand zu arbeiten, und eine zweite Anzahl der mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet ist, in einem Ein-Zustand zu arbeiten, und bei der die Filterzelle dazu ausgebildet ist, in dem Eingangsleistungsbetrieb zu arbeiten, wenn eine Summe der Zelleneingangsspannungen der ersten Anzahl von Wandlerzellen kleiner ist als der Pegel der Ausgangsspannung, und in dem Ausgangsleistungsbetrieb zu arbeiten, wenn eine Summe der Zelleneingangsspannungen der ersten Anzahl von Wandlerzellen größer ist als der Pegel der Ausgangsspannung.
D40. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D39, bei der die erste Anzahl abhängig ist von dem Pegel der Ausgangsspannung.
D41. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D38–D40, bei der die Ausgangsspannung eine periodische Spannung ist.
D42. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D37–D41, bei der der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, an dem Ausgang des Leistungswandlers eine Ausgangsspannung zu erhalten und einen Ausgangsstrom bereitzustellen, und den Ausgangsstrom so zu regeln, dass dieser eine vordefinierte Phasendifferenz relativ zu der Ausgangsspannung besitzt.
D43. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D42, bei der der Leistungswandler weiterhin dazu ausgebildet ist, eine Zelleneingangsspannung am Zelleneingang jeder der mehreren Wandlerzellen zu regeln.
D44. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D37–D43, die weiterhin umfasst: einen anderen Leistungswandler, der dazu ausgebildet ist, eine Zelleneingangsleistung an jede der mehreren Wandlerzellen zu liefern.
D45. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt D44, bei der der andere Leistungswandler wenigstens eine Wandlerzelle umfasst.
D46. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D44–D45, bei der der andere Leistungswandler mehrere Wandlerzellen umfasst, und bei der jede der mehreren Wandlerzellen des anderen Leistungswandlers die Zelleneingangsleistung an eine der mehreren Wandlerzellen des Leistungswandlers liefert.
D47. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte D44–D46, bei der der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
E1. Eine Leistungswandlerschaltung, die umfasst: einen Leistungswandler mit mehreren in Reihe geschalteten Wandlerzellen, wobei jede der mehreren Wandlerzellen wenigstens eine erste Halbbrückenschaltung umfasst, die einen ersten Silizium-MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field-Effect Transistor) und einen zweiten Silizium-MOSFET umfasst, und wobei wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet ist, in einem Kontinuierlichstrombetrieb zu arbeiten.
E2. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E1, bei der im Kontinuierlichstrombetrieb ein Strom in der ersten Halbbrücke ungleich Null ist.
E3. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte E1–E2, bei der jede der mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet ist, in einem Kontinuierlichstrombetrieb zu arbeiten.
E4. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte E1–E3, bei der jede der mehreren Wandlerzellen weiterhin eine zweite Halbbrücke umfasst, die einen dritten Silizium-MOSFET und einen vierten Silizium-MOSFET umfasst.
E5. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E4, bei der wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet ist, eine periodische Spannung zu erhalten und in einem Totem-Pole-Modulationsbetrieb zu arbeiten.
E6. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E5, bei der die wenigstens eine Wandlerzelle im Totem-Pole-Modulationsbetrieb dazu ausgebildet ist, eine der ersten und zweiten Halbbrücken bei einer ersten Frequenz zu betreiben, die abhängig ist von einer Frequenz der periodischen Spannung, und die andere der ersten und zweiten Halbbrücken bei einer zweiten Frequenz zu betreiben, die höher ist als die Frequenz der periodischen Spannung.
E7. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E6, bei der die erste Frequenz das Zweifache der Frequenz der periodischen Spannung ist.
E8. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E6, bei der die zweite Frequenz wenigstens das 200-fache der Frequenz der periodischen Spannung ist.
E9. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte E1–E8, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet ist und bei der eine Reihenschaltung, die die Zelleneingänge umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
E10. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E9, bei der der Leistungswandler weiterhin wenigstens eine Spule umfasst, die in Reihe zu den Zelleneingängen geschaltet ist.
E11. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E9, die weiterhin mehrere Kondensatoren umfasst, wobei jeder der Zellenausgänge an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren angeschlossen ist.
E12. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E1, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
E13. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E12, bei der der Leistungswandler weiterhin wenigstens eine in Reihe zu den Zellenausgängen geschaltete Spule umfasst.
E14. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E12, die weiterhin umfasst: mehrere Kondensatoren, wobei der Zelleneingang jeder der mehreren Wandlerzellen an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren angeschlossen ist.
E15. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte E1–E14, die weiterhin umfasst: einen anderen Leistungswandler, der an den Leistungswandler gekoppelt ist.
E16. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte E1–E15, bei der jeder der ersten und zweiten Silizium-MOSFETs eine Sperrspannungsfestigkeit von mehr als 100V besitzt.
E17. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte E1–E16, bei der der erste Silizium-MOSFET einen ersten Einschaltwiderstand und eine erste Sperrspannungsfestigkeit umfasst und der zweite Silizium-MOSFET einen zweiten Einschaltwiderstand und eine zweite Sperrspannungsfestigkeit umfasst, wobei die erste Sperrspannungsfestigkeit und die zweite Sperrspannungsfestigkeit im Wesentlichen gleich sind, und wobei der erste Einschaltwiderstand sich von dem zweiten Einschaltwiderstand unterscheidet.
E18. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E17, bei der der erste Einschaltwiderstand kleiner als 90% des zweiten Einschaltwiderstands ist.
E19. Ein Verfahren, das umfasst: Betreiben wenigstens einer Wandlerzelle eines Leistungswandlers, der mehrere in Reihe geschaltete Wandlerzellen umfasst, in einem Kontinuierlichstrombetrieb, wobei jeder der Wandlerzellen wenigstens eine erste Halbbrücke umfasst, die einen ersten Silizium-MOSFET und einen zweiten Silizium-MOSFET umfasst.
E20. Das Verfahren nach Punkt E19, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem Kontinuierlichstrombetrieb das Betreiben der ersten Halbbrücke derart umfasst, dass ein Strom in der ersten Halbbrücke von Null verschieden ist.
E21. Das Verfahren nach Punkt E20, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem Kontinuierlichstrombetrieb das Betreiben jeder der mehreren Wandlerzellen in dem Kontinuierlichstrombetrieb umfasst.
E22. Das Verfahren nach einem der Punkte E19–E21, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen weiterhin eine zweite Halbbrücke umfasst, die einen dritten Silizium-MOSFET und einen vierten Silizium-MOSFET umfasst.
E23. Das Verfahren nach Punkt E22, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem Kontinuierlichstrombetrieb umfasst: Erhalten einer periodischen Spannung durch die wenigstens eine Wandlerzelle, und Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem Totem-Pole-Modulationsbetrieb.
E24. Das Verfahren nach Punkt E23, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem Totem-Pole-Modulationsbetrieb umfasst: Betreiben einer der ersten und zweiten Halbbrücken bei einer ersten Frequenz, die abhängig ist von einer Frequenz der periodischen Spannung, und Betreiben der anderen, der ersten und zweiten Halbbrücken bei einer zweiten Frequenz, die höher ist als die Frequenz der periodischen Spannung.
E25. Das Verfahren nach Punkt E24, bei dem die erste Frequenz das Zweifache der Frequenz der periodischen Spannung ist.
E26. Das Verfahren nach Punkt E25, bei dem die zweite Frequenz wenigstens das 200-fache der Frequenz der periodischen Spannung ist.
E27. Das Verfahren nach einem der Punkte E19–E26, bei dem eine Sperrspannungsfestigkeit jedes der ersten und zweiten Silizium-MOSFETs größer ist als 100V.
E28. Eine Leistungswandlerschaltung, die umfasst: einen Leistungswandler mit mehreren Wandlerzellen, wobei jede Wandlerzelle eine Halbbrücke umfasst, die einen ersten elektronischen Schalter und einen zweiten elektronischen Schalter umfasst, wobei der erste elektronische Schalter einen ersten Einschaltwiderstand und eine erste Sperrspannungsfestigkeit umfasst, und der zweite elektronische Schalter einen zweiten Einschaltwiderstand und eine zweite Sperrspannungsfestigkeit umfasst, und wobei in wenigstens einer Wandlerzelle die erste Sperrspannungsfestigkeit und die zweite Sperrspannungsfestigkeit im Wesentlichen gleich sind und der erste Einschaltwiderstand und der zweite Einschaltwiderstand unterschiedlich sind.
E29. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E28, bei der in der wenigstens einen Wandlerzelle der erste Einschaltwiderstand kleiner als 90% des zweiten Einschaltwiderstands ist.
E30. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E29, bei der der erste Einschaltwiderstand kleiner als 80% des zweiten Einschaltwiderstands ist.
E31. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E28, bei der in der wenigstens einen Wandlerzelle die erste Sperrspannungsfestigkeit zwischen 90% und 110% der zweiten Sperrspannungsfestigkeit ist.
E32. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E28, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind und bei der eine Reihenschaltung, die die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
E33. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E32, die weiterhin eine in Reihe zu den Zelleneingängen geschaltete Spule umfasst.
E34. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E32, die weiterhin umfasst: Mehrere Kondensatoren, wobei der Zellenausgang jeder Wandlerzelle an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren angeschlossen.
E35. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E28, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Reihenschaltung, die die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
E36. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E35, die weiterhin eine in Reihe zu den Zellenausgängen geschaltete Spule umfasst.
E37. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E35, die weiterhin umfasst: mehrere Kondensatoren, wobei der Zelleneingang jeder Wandlerzelle an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren angeschlossen ist.
E38. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E28, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
E39. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E28, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang umfasst, und bei der die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
E40. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt E28, bei der jeder der ersten und zweiten elektronischen Schalter aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einem MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field-Effect Transistor); einem HEMT (High Electron Mobility Transistor); einem JFET (Junction Field-Effect Transistor); einem IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor); und einem Bipolarsperrschichttransistor (BJT, Bipolar Junction Transistor).
E41. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte E28–E40, die weiterhin umfasst: mehrere Kondensatoren, wobei jeder mehreren Kondensatoren an eine jeweilige der mehreren Wandlerzellen gekoppelt ist; und einen anderen Leistungswandler, der an die mehreren Kondensatoren gekoppelt ist.
F1. Eine Leistungswandlerschaltung, die einen Leistungswandler umfasst, der mehrere Wandlerzellen umfasst, die dazu ausgebildet sind, in einem PWM-Betrieb zu arbeiten, wobei die mehreren Wandlerzellen eine erste Wandlerzelle, die dazu ausgebildet ist, in dem PWM-Betrieb bei einer ersten Schaltfrequenz zu arbeiten, und eine zweite Wandlerzelle, die dazu ausgebildet ist, in dem PWM-Betrieb bei einer von der ersten Schaltfrequenz unterschiedlichen zweiten Schaltfrequenz zu arbeiten, umfassen.
F2. Die Leistungswandlerschaltung nach Punkt F1, bei der die zweite Schaltfrequenz wenigstens das 1,2-fache der ersten Schaltfrequenz ist.
F3. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte F1–F2, bei der der Leistungswandler eine Topologie umfasst, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: IS, OS, IP, OP.
F4. Die Leistungswandlerschaltung nach einem der Punkte F1–F3, bei der der Leistungswandler eine von einer IS- und OS-Topologie umfasst, wobei der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine periodische Spannung zu erhalten und wobei die erste Wandlerzelle und die zweite Wandlerzelle dazu ausgebildet sind, im Wesentlichen bei demselben Modulationsindex bzw. Duty-Cycle zu arbeiten.
G1. Ein Verfahren, das umfasst: Betreiben einer ersten Wandlerzelle in einem Multizellenwandler in einem PWM-Betrieb bei einer ersten Frequenz und Betreiben einer zweiten Wandlerzelle in dem Multizellenwandler in einem PWM-Betrieb bei einer von der ersten Frequenz unterschiedlichen zweiten Frequenz.
H1. Das Verfahren, das umfasst: Erhalten von Eingangsleistung durch einen Multizellenwandler und Bereitstellen einer Ausgangsleistung an mehrere separate Lasten, wobei der Multizellenwandler eine IS-Topologie umfasst.
H2. Das Verfahren nach Punkt H1, bei dem der Multizellenwandler mehrere Wandlerzellen umfasst, und bei dem jede Wandlerzelle Leistung an eine jeweilige Last liefert.
H3. Das Verfahren nach einem der Punkte H1–H2, bei dem die Eingangsleistung von einem Wechselspannungsnetz erhalten wird.
I1. Ein Verfahren, das umfasst: Erhalten von Eingangsleistung durch einen Multizellenwandler von mehreren separaten Leistungsquellen und Bereitstellen einer Ausgangsleistung an eine Last.
I2. Das Verfahren nach Punkt I1, bei dem die Last ein Wechselspannungsnetz ist.
I3. Das Verfahren nach einem der Punkte I1–I2, bei dem der Multizellenwandler eine OS-Topologie umfasst.

Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist für Fachleute selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige Vorteile der Erfindung erreichen. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass andere Komponenten, die dieselbe Funktion erfüllen, geeignet ersatzweise verwendet werden können. Es sei erwähnt, dass Merkmale, die anhand einer speziellen Figur erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in solchen Fällen, in denen dies nicht explizit erwähnt wurde. Außerdem können die Verfahren der Erfindung entweder als reine Softwareimplementierungen unter Verwendung geeigneter Prozessorbefehle oder als Hybrid-Implementierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik nutzen, erreicht werden, um die gleichen Ergebnisse zu erreichen.
Räumlich relative Begriffe, wie "unter", "unterhalb", "untere(r)", "über", "oberer(r)" oder ähnliche werden zur Erleichterung der Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu beschreiben. Diese Begriffe sind dazu gedacht, verschiedene Orientierungen der Anordnung zusätzlich zu anderen als den in den Figuren dargestellten Orientierungen zu umfassen. Außerdem werden Begriffe, wie "erste(r)", "zweite(r)" und ähnliche dazu verwendet, verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben und sind nicht als einschränkend beabsichtigt. Gleiche Begriffe betreffen gleiche Elemente in der Beschreibung.
Die hierin verwendeten Begriffe "aufweisend", "enthaltend", "umfassend" und ähnliche sind nicht abschließende Begriffe, die das Vorhandensein eines bezeichneten Elements oder Merkmals anzeigen, die aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel "ein" und "der/die/das" sind beabsichtigt, den Plural ebenso wie den Singular zu umfassen, sofern der Zusammenhang nicht explizit etwas anderes anzeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Everts, J.; Krismer, F.; Van den Keybus, J.; Driesen, J.; Kolar, J.W., "Comparative evaluation of soft-switching, bidirectional, isolated AC/DC converter topologies," Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, pp.1067–1074, 5–9 Feb. 2012 [0201]
F. Krismer, J. W. Kolar „Closed form solution for minimum conduction loss modulation of DAB converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, Issue 1, 2012 [0205]

Claims

Verfahren, das aufweist: Wandeln, von Leistung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen aufweist; und selektives Betreiben wenigstens einer Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einem Pegel eines Leistungsreferenzsignals.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: Betreiben wenigstens einer anderen Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem aktiven Betrieb, wenn die wenigstens eine Wandlerzelle im inaktiven Betrieb betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die wenigstens eine andere Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen die übrigen der mehreren Wandlerzellen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle im inaktiven Betrieb das Wandeln einer Leistung von Null durch die wenigstens eine Wandlerzelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb basierend auf dem Pegel des Leistungsreferenzsignals aufweist: Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb, wenn der Pegel des Leistungsreferenzsignals unterhalb einer vordefinierten Schwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem aktiven Betrieb das Betreiben wenigstens eines Schalters in der wenigstens einen Wandlerzelle pulsweitenmoduliert (PWM) bei einer Schaltfrequenz aufweist: und bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb für eine Zeitdauer, die wenigstens das zehnfache eines Kehrwerts der Schaltfrequenz beträgt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb aufweist: Das Festlegen einer Anzahl von Wandlerzellen, die basierend auf dem Pegel des Leistungsreferenzsignals im inaktiven Betrieb betrieben werden, wobei die Anzahl zunimmt, wenn der Pegel abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang, der dazu ausgebildet ist, eine Zellenspannung zu erhalten, und einen Zellenausgang aufweist, und bei dem die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet sind, basierend auf dem Leistungsreferenzsignal eines von einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom zu regeln, wobei das Leistungsreferenzsignal ein Ausgangsstromreferenzsignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Betreiben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb aufweist: das Betreiben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb, wenn ein Pegel des Ausgangsstromreferenzsignals unterhalb einer vordefinierten Stromschwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb aufweist: Auswählen einer Anzahl K von Wandlerzellen, die im inaktiven Betrieb betrieben werden sollen, basierend auf dem Pegel des Ausgangsstromreferenzsignals; Identifizieren der K Wandlerzellen, die die niedrigste Zelleneingangsspannung erhalten; und Betreiben der identifizierten Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb.
Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin aufweist: Wiederholen des Auswählens, des Identifizierens und des Betreibens. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Wiederholen ein regelmäßiges Wiederholen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Wiederholen aufweist: das Wiederholen, wenn ein Spannungspegel der Eingangsspannung einer der mehreren Wandlerzellen unter eine vordefinierte Spannungsschwelle absinkt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet sind, die Ausgangsspannung so zu regeln, dass sie im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin aufweist: Bereitstellen einer Zelleneingangsspannung am Zelleneingang jeder der mehreren Wandlerzellen durch einen weiteren Leistungswandler.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der andere Leistungswandler wenigstens eine Wandlerzelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem jede der Zelleneingangsspannungen eine Spannung über einem jeweiligen der mehreren Kondensatoren ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der andere Leistungswandler dazu ausgebildet ist, eine Summe der Zelleneingangsspannungen zu regeln. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang, der dazu ausgebildet ist, eine Zellenausgangsspannung bereitzustellen, aufweist, und bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet sind, basierend auf dem Leistungsreferenzsignal eines von einer Eingangsspannung und einem Eingangsstrom am Eingang des Leistungswandlers zu regeln, und wobei das Leistungsreferenzsignal ein Eingangsstromreferenzsignal aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Betreiben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb aufweist: Betrieben der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb, wenn ein Strompegel des Eingangsstromreferenzsignals unterhalb einer vordefinierten Stromschwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven Betrieb und dem inaktiven Betrieb aufweist: Auswählen einer Anzahl K von Wandlerzellen, die im inaktiven Betrieb betrieben werden sollen, basierend auf dem Pegel des Eingangsstromreferenzsignals; Identifizieren der K Wandlerzellen, die die höchste Zellenausgangspannung haben; und Betreiben der identifizierten Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb.
Verfahren nach Anspruch 24, das weiterhin aufweist: Wiederholen des Auswählens, Identifizierens und Betreibens.
Verfahren nach Anspruch 25, bei das Wiederholen ein regelmäßiges Wiederholen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 25, bei das Wiederholen aufweist: Wiederholen, wenn ein Spannungspegel der Eingangsspannung einer der mehreren Wandlerzellen über eine vordefinierte Spannungsschwelle ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die mehreren Wandlerzellen dazu ausgebildet sind, die Eingangsspannung so zu regeln, dass sie im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 21, das weiterhin aufweist: Erhalten einer Zellenausgangsspannung am Zellenausgang jeder der mehreren Wandlerzellen durch einen weiteren Leistungswandler.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem der andere Leistungswandler nur eine Wandlerzelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem der Leistungswandler und der andere Leistungswandler durch mehrere Kondensatoren verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem jede der Zellenausgangsspannungen eine Spannung über einem jeweiligen der mehreren Kondensatoren ist.
Verfahren, das aufweist: Erhalten einer periodischen Spannung durch einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen aufweist; und selektives Betreiben wenigstens einer Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einer Änderung eines Spannungspegels der periodischen Spannung derart, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung sich die Anzahl der aktiven Wandlerzellen ändert, wenn sich der Spannungspegel der periodischen Spannung ändert.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem das selektive Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven und dem inaktiven Betrieb aufweist: Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle derart, dass die Anzahl der aktiven Wandlerzellen zunimmt, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem das selektive Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in einem von dem aktiven und dem inaktiven Betrieb aufweist: Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle derart, dass die Anzahl der aktiven Wandlerzellen abnimmt, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang aufweist, bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge umfasst, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist, und bei dem der Zellenausgang jeder Wandlerzelle an einen jeweiligen Kondensator gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang aufweist, bei dem die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge aufweist, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist, und bei dem der Zelleneingang jeder Wandlerzelle an einen jeweiligen Kondensator gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem in jeder der mehreren aufeinander folgenden Perioden oder Halbperioden zwei oder mehr Wandlerzellen aktiviert werden, wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung zunimmt, und bei dem eine Reihenfolge, in der die zwei oder mehr Wandlerzellen aktiviert werden, in wenigstens zwei unterschiedlichen Perioden oder Halbperioden unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem in jeder der mehreren aufeinander folgenden Perioden oder Halbperioden zwei oder mehr Wandlerzellen deaktiviert werden, wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung abnimmt, und bei dem eine Reihenfolge, in der die zwei oder mehr Wandlerzellen deaktiviert werden, in wenigstens zwei unterschiedlichen Perioden oder Halbperioden unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem das Betreiben der wenigstens einen Wandlerzelle in dem inaktiven Betrieb das Wandeln einer Leistung von Null durch die wenigstens eine Wandlerzelle aufweist.
Leistungswandlerschaltung, die einen Leistungswandler aufweist, wobei der Leistungswandler aufweist: mehrere Wandlerzellen; und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen basierend auf einem Pegel eines Leistungsreferenzsignals in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb zu betreiben.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 41, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang, der dazu ausgebildet ist, eine Zelleneingangsspannung zu erhalten, und einen Zellenausgang aufweist, und bei der die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zellenausgänge der mehreren Wandlerzellen aufweist, an einen Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 42, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Pegel des Leistungsreferenzsignals eines von einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom am Ausgang des Leistungswandlers zu regeln, wobei das Leistungsreferenzsignal ein Ausgangsstromreferenzsignal aufweist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 43, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb zu betreiben, wenn ein Pegel des Ausgangsstromreferenzsignals unterhalb einer vordefinierten Stromschwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 42, bei dem der Controller dazu ausgebildet ist, eine Anzahl K von Wandlerzellen, die in dem inaktiven Betrieb betrieben werden sollen, basierend auf dem Pegel des Ausgangsstromreferenzsignals auszuwählen; die K Wandlerzellen zu identifizieren, die die niedrigste Zelleneingangsspannung erhalten; und die identifizierten Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb zu betreiben.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 38, bei der jede der mehreren Wandlerzellen einen Zelleneingang und einen Zellenausgang, der dazu ausgebildet ist, eine Zellenausgangsspannung bereitzustellen, aufweist, und bei dem die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen parallel geschaltet sind, wobei eine Parallelschaltung, die die Zelleneingänge der mehreren Wandlerzellen aufweist, an einen Eingang des Leistungswandlers gekoppelt ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 46, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Leistungsreferenzsignal eines von einer Eingangsspannung und einem Eingangsstrom an dem Eingang des Leistungswandlers zu regeln, wobei das Leistungsreferenzsignal ein Eingangsstromreferenzsignal aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 47, bei dem der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen in dem inaktiven Betrieb zu betreiben, wenn ein Pegel des Eingangsstromreferenzsignals unter einer vordefinierten Stromschwelle ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 46, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Pegel des Eingangsstromreferenzsignals eine Anzahl K von Wandlerzellen auszuwählen, die in dem inaktiven Betrieb betrieben werden sollen; die K Wandlerzellen zu identifizieren, die die niedrigste Ausgangsspannung haben; und die identifizierten Wandlerzellen im inaktiven Betrieb zu betreiben.
Leistungswandlerschaltung, die aufweist: einen Leistungswandler, der mehrere Wandlerzellen aufweist und dazu ausgebildet ist, eine periodische Spannung zu erhalten; und einen Controller, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, selektiv wenigstens eine Wandlerzelle der mehreren Wandlerzellen in einem von einem aktiven und einem inaktiven Betrieb basierend auf einer Änderung der periodischen Spannung derart zu betreiben, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung die Anzahl der aktiven Wandlerzellen sich ändert, wenn sich ein Spannungspegel der periodischen Spannung ändert.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 50, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Wandlerzelle selektiv in einem von dem aktiven und dem inaktiven Betrieb derart zu betreiben, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung die Anzahl der aktiven Wandlerzellen zunimmt, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung zunimmt.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 50, bei der der Controller dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Wandlerzelle in einem von dem aktiven und inaktiven Betrieb derart zu betreiben, dass innerhalb einer Periode der periodischen Spannung die Anzahl der aktiven Wandlerzellen abnimmt, wenn der Spannungspegel der periodischen Spannung abnimmt.