DE102015211548A1 - Device for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs - Google Patents

Device for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (100) zum Betreiben einer Gleichrichterbrücke mit n-Kanal MOS FETs (1...4), aufweisend: – eine erste Ansteuereinrichtung (10) zum Ansteuern zweier Low-Side MOS FETS (1, 2); und – jeweils eine zweite Ansteuereinrichtung (20) zum Ansteuern jeweils eines High-Side MOS FETs (3, 4), wobei die zweiten Ansteuereinrichtungen (20) mit der ersten Ansteuereinrichtung (10) funktional derart verschaltet sind, dass Ansteuersignale für die zwei High-Side MOS FETs (3, 4) von Ansteuersignalen der zwei Low Side MOS FETS (1, 2) abgeleitet werden, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegend angeordnete MOS FETS (1...4) mittels eines elektrischen Stroms durch die MOS FETs (1...4) synchron schaltbar sind.Device (100) for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs (1 ... 4), comprising: - a first drive device (10) for driving two low-side MOS FETs (1, 2); and - in each case a second drive device (20) for driving in each case a high-side MOS FETs (3, 4), wherein the second drive devices (20) are functionally connected to the first drive device (10) such that drive signals for the two high-side MOS FETs Side MOS FETs (3, 4) of drive signals of the two low-side MOS FETS (1, 2) are derived, wherein in each case two diagonally opposite MOS FETS (1 ... 4) by means of an electric current through the MOS FETs (1. ..4) are synchronously switchable.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Gleichrichterbrücke mit n-Kanal MOS FETs. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichrichterbrücke mit n-Kanal MOS FETs.The invention relates to a device for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs. The invention further relates to a method for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs.

Stand der TechnikState of the art

Am Markt sind integrierte Schaltungen zur Ansteuerung von einem oder zwei MOS FETs bekannt, um diese als Synchrongleichrichter zu benutzen. Dabei dient ein elektrischer Spannungsabfall über dem MOS FET als ein Signal zum synchronen Ein- bzw. Ausschalten der MOS FETs. Mit den genannten ICs zur Ansteuerung von zwei n-Kanal MOS FETs kann man eine halbe Grätz-Brücke aufbauen. Die beiden anderen Gleichrichterelemente können als Dioden oder als zwei p-Kanal MOS FETs ausgebildet sein, wodurch Verluste der Gleichrichtung reduziert werden können.On the market, integrated circuits for driving one or two MOS FETs are known for use as synchronous rectifiers. In this case, an electrical voltage drop across the MOS FET serves as a signal for synchronous switching on and off of the MOS FETs. With the mentioned ICs for the control of two n-channel MOS FETs one can build up half a Grätz bridge. The two other rectifier elements may be formed as diodes or as two p-channel MOS FETs, whereby losses of the rectification can be reduced.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Betreiben einer synchronen Gleichrichterbrücke bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide an improved apparatus for operating a synchronous rectifier bridge.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zum Betreiben einer Gleichrichterbrücke mit n-Kanal MOS FETs, aufweisend:

  • – eine erste Ansteuereinrichtung zum Ansteuern zweier Low-Side MOS FETS; und
  • – jeweils eine zweite Ansteuereinrichtung zum Ansteuern jeweils eines High-Side MOS FETs, wobei die zweiten Ansteuereinrichtungen mit der ersten Ansteuereinrichtung funktional derart verschaltet sind, dass Ansteuersignale für die zwei High-Side MOS FETs von Ansteuersignalen der zwei Low Side MOS FETS abgeleitet werden, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegend angeordnete MOS FETS mittels eines elektrischen Stroms durch die MOS FETs synchron schaltbar sind.
According to a first aspect, the object is achieved with a device for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs, comprising:
  • - A first drive means for driving two low-side MOS FETS; and
  • In each case, a second drive means for driving in each case a high-side MOS FETs, wherein the second drive means are functionally connected to the first drive means such that drive signals for the two high-side MOS FETs of drive signals of the two low-side MOS FETs are derived in each case two diagonally opposite MOS FETs can be switched synchronously by means of an electrical current through the MOS FETs.

Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Vorrichtung zum Betreiben einer synchronen Gleichrichterbrücke mit n-Kanal MOS FETs bereitgestellt. Die MOS FETs werden dabei mittels der durchfließenden elektrischen Ströme ein- und ausgeschaltet. Aufgrund der einheitlichen Topologie der Schaltelemente in Form von n-Kanal MOS FETs ist dadurch eine kostengünstige Realisierung einer synchronen Gleichrichterbrücke unterstützt.In this way, an apparatus for operating a synchronous rectifier bridge with n-channel MOS FETs is advantageously provided. The MOS FETs are switched on and off by means of the flowing electrical currents. Due to the uniform topology of the switching elements in the form of n-channel MOS FETs thereby a cost-effective realization of a synchronous rectifier bridge is supported.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer Gleichrichterbrücke mit n-Kanal MOS FETs, aufweisend die Schritte:

  • – Anschließen der gleichzurichtenden Wechselspannung an einem Verbindungspunkt eines ersten Low Side MOS FETs mit einem ersten High-Side MOS FET und an einem Verbindungspunkt eines zweiten Low-Side MOS FETs mit einem zweiten High-Side MOS FET;
  • – Bereitstellen von Ansteuersignalen für die beiden Low-Side MOS FETs mittels einer ersten Ansteuereinrichtung, wobei mittels jeweils einer zweiten Ansteuereinrichtung aus einem Ansteuersignal eines Low-Side MOS FETs ein Ansteuersignal eines zum jeweiligen Low-Side MOS FET (1, 2) diagonal angeordneten High-Side MOS FETs abgeleitet wird; und
  • – Abgreifen einer gleichgerichteten Wechselspannung an einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten High-Side MOS FET und dem zweiten High-Side MOS FET und einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Low-Side MOS FET und dem zweiten Low-Side MOS FET.
According to a second aspect, the object is achieved with a method for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs, comprising the steps:
  • Connecting the rectified AC voltage at a connection point of a first low-side MOS FET with a first high-side MOS FET and at a connection point of a second low-side MOS FET with a second high-side MOS FET;
  • Provision of control signals for the two low-side MOS FETs by means of a first control device, wherein by means of a respective second control device from a drive signal of a low-side MOS FETs, a drive signal to a respective low-side MOS FET ( 1 . 2 ) is derived diagonal high-side MOS FETs; and
  • - Picking up a rectified AC voltage at a connection point between the first high-side MOS FET and the second high-side MOS FET and a connection point between the first low-side MOS FET and the second low-side MOS FET.

Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the device are the subject of dependent claims.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass

  • – eine elektrische Wechselspannung an einem Verbindungspunkt zwischen einem ersten High-Side MOS FET und einem ersten Low Side MOS FET und einem Verbindungspunkt zwischen einem zweiten High-Side MOS FET und einem zweiten Low-Side MOS FET anlegbar ist; wobei
  • – an jeweils einem Messeingang der ersten Ansteuereinrichtung jeweils ein elektrischer Spannungsabfall über die beiden Low-Side MOS FETs ermittelbar ist, wobei in Abhängigkeit vom ermittelten elektrischen Spannungsabfall eine elektrische Steuerspannung für jeweils ein Gate der beiden Low-Side MOS FETS bereitstellbar ist, wobei die elektrische Steuerspannung über die zweite Ansteuereinrichtung für jeweils ein Gate der beiden High-Side MOS FETs bereitstellbar ist; und wobei
  • – die gleichgerichtete elektrische Wechselspannung an einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten High-Side MOS FET und dem zweiten High-Side MOS FET und einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Low-Side MOS FET und dem zweiten Low-Side MOS FET abgreifbar ist.
A preferred development of the device provides that
  • - An electrical AC voltage at a connection point between a first high-side MOS FET and a first low-side MOS FET and a connection point between a second high-side MOS FET and a second low-side MOS FET can be applied; in which
  • - An electrical voltage drop across the two low-side MOS FETs can be determined in each case at a measuring input of the first drive device, wherein depending on the detected electrical voltage drop, an electrical control voltage for each gate of the two low-side MOS FETS can be provided, wherein the electric Control voltage via the second drive means for each gate of the two high-side MOS FETs can be provided; and where
  • - The rectified electrical AC voltage at a connection point between the first high-side MOS FET and the second high-side MOS FET and a connection point between the first low-side MOS FET and the second low-side MOS FET is tapped.

Auf diese Weise können für die Gleichrichterbrücke Schaltfrequenzen in der Größenordnung von ca. 100 kHz bis ca. 500 kHz realisiert werden. Ferner ist dadurch unterstützt, dass der Strom des jeweils durchgeschalteten MOS FETs nicht über die interne Freilaufdiode, sondern über den Kanal des MOS FETs erfolgt. Ein elektrischer Spannungsabfall am MOS FET kann dadurch proportional zum elektrischen Strom stark reduziert sein, wodurch in vorteilhafter Weise ohmsche Verluste reduziert sein können.In this way, switching frequencies in the order of about 100 kHz to about 500 kHz can be realized for the rectifier bridge. Furthermore, it is supported by the fact that the current of each through-connected MOS FETs not via the internal freewheeling diode, but via the channel of the MOS FETs takes place. An electrical voltage drop across the MOS FET can thereby be greatly reduced in proportion to the electric current, which results in advantageously ohmic losses can be reduced.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass eine elektrische Versorgung einer Ausgangsschaltung der zweiten Ansteuereinrichtung von einem Kondensator bereitstellbar ist, wobei eine Bootstrap-Diode und ein Vorwiderstand zur Nachladung des Kondensators intern oder extern der Vorrichtung angeordnet sein können. Auf diese Weise können für die zweite Ansteuereinrichtung verschiedene Varianten einer elektrischen Energieversorgung bereitgestellt werden.Advantageous developments of the device are characterized in that an electrical supply of an output circuit of the second drive means of a capacitor can be provided, wherein a bootstrap diode and a series resistor for recharging the capacitor can be arranged internally or externally of the device. In this way, different variants of an electrical power supply can be provided for the second control device.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sehen vor, dass ein effektiver Spannungspegel der gleichgerichteten Wechselspannung größer als ca. 20 V, bevorzugt größer als ca. 40 V, noch mehr bevorzugt ca. größer als 80 V ist. Dadurch können je nach Anforderung einer Last ein jeweils passender elektrischer Spannungspegel bereitgestellt werden.Further advantageous developments of the device provide that an effective voltage level of the rectified AC voltage is greater than approximately 20 V, preferably greater than approximately 40 V, even more preferably approximately greater than 80 V. As a result, depending on the requirement of a load, a respectively matching electrical voltage level can be provided.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen, wobei nicht notwendigerweise alle in den Figuren dargestellten Elemente beschrieben werden.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. In this case, all disclosed features, regardless of their representation in the description and in the figures, as well as regardless of their relationship in the claims the subject of the present invention. The figures are intended in particular to clarify the principles essential to the invention, whereby not necessarily all elements shown in the figures are described.

In den Figuren zeigt:In the figures shows:

1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a block diagram of an embodiment of the device according to the invention;

2 ein Detailschaltbild einer ersten Ansteuereinrichtung der Vorrichtung; 2 a detailed diagram of a first drive means of the device;

3 ein Detailschaltbild einer zweiten Ansteuereinrichtung der Vorrichtung; 3 a detailed diagram of a second drive means of the device;

4 eine zweite Ansteuereinrichtung mit externer Beschaltung; und 4 a second drive device with external circuitry; and

5 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 5 a schematic flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Mittels der Vorrichtung 100 können vier n-Kanal MOS FETs 1...4 synchron angesteuert werden, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegende MOS FETs 1...4 gleichzeitig angesteuert bzw. elektrisch leitend durchgeschaltet sind. Auf diese Weise kann eine elektrische Wechselspannung AC, die zwischen einem Verbindungspunkt der MOS FETs 1, 3 und einem Verbindungspunkt der MOS FETs 2, 4 angelegt wird, in eine gleichgerichtete Wechselspannung DC umgewandelt und zwischen einem Verbindungspunkt von MOS FET 3, 4 und einem Verbindungspunkt zwischen MOS FET 1, 2 abgegriffen werden. Diskrete Bootstrap-Kondensatoren 30 sind dazu vorgesehen, eine Ausgangsschaltung 22 (nicht dargestellt) einer zweiten Ansteuereinrichtung 20 (nicht dargestellt) der Vorrichtung 100 mit elektrischer Energie zu versorgen, wie weiter unten im Detail erläutert. Ein Effektivwert der gleichgerichteten Wechselspannung DC kann in einer Größenordnung von ca. 20V bis ca. 80V liegen. 1 shows a schematic block diagram of an embodiment of the device according to the invention 100 , By means of the device 100 can have four n-channel MOS FETs 1 ... 4 are controlled synchronously, with two diagonally opposite MOS FETs 1 ... 4 simultaneously activated or switched through electrically conductive. In this way, an alternating electrical voltage AC, which is between a connection point of the MOS FETs 1 . 3 and a connection point of the MOS FETs 2 . 4 is applied, converted into a rectified AC voltage DC and between a connection point of MOS FET 3 . 4 and a connection point between MOS FET 1 . 2 be tapped. Discrete bootstrap capacitors 30 are intended to be an output circuit 22 (not shown) of a second drive means 20 (not shown) of the device 100 to supply with electrical energy, as explained in detail below. An effective value of the rectified AC voltage DC can be on the order of about 20V to about 80V.

2 zeigt ein Detail der Vorrichtung 100 in Form einer ersten Ansteuereinrichtung 10. Mittels der ersten Ansteuereinrichtung 10 werden die beiden Low-Side MOS FETs 1, 2 an ihren Gates angesteuert. Die erste Ansteuereinrichtung 10 kann dabei beispielsweise als eine integrierte Schaltung vom Typ NXP TEA1795T ausgebildet sein, mittels der zwei massebasierte n-Kanal MOS FETs ansteuerbar sind. Die Ansteuerung der beiden Low Side MOS FETs 1, 2 erfolgt dabei derart, dass an Messeingängen 11, 12 der ersten Ansteuereinrichtung 10 jeweils ein Spannungsabfall über dem entsprechenden ersten Low-Side MOS FET 1, 2 nach Massepotential GND ermittelt wird. Wenn die interne Freilaufdiode des ersten Low-Side MOS FETs 1 gerade zu leiten beginnt, wird der erste Low-Side MOS FET 1 durchgeschaltet. Auf diese Weise fließt elektrischer Strom nicht mehr über die Freilaufdiode des MOS FETs 1, sondern über den Kanal des ersten Low-Side MOS FETs 1, wodurch die elektrische Spannung am angesteuerten Low-Side MOS FET 1 proportional zum Strom stark verringert ist. 2 shows a detail of the device 100 in the form of a first drive device 10 , By means of the first drive device 10 become the two low-side MOS FETs 1 . 2 driven at their gates. The first drive device 10 For example, it can be designed as an integrated circuit of the NXP TEA1795T type, by means of which two ground-based n-channel MOS FETs can be controlled. The control of the two low-side MOS FETs 1 . 2 takes place in such a way that at measuring inputs 11 . 12 the first drive device 10 one voltage drop across the corresponding first low-side MOS FET 1 . 2 to ground potential GND is determined. If the internal freewheeling diode of the first low-side MOS FETs 1 is just beginning to be the first low-side MOS FET 1 connected through. In this way, electrical current no longer flows through the freewheeling diode of the MOS FETs 1 but over the channel of the first low-side MOS FETs 1 , causing the voltage on the driven low-side MOS FET 1 is greatly reduced in proportion to the current.

Bevor die Drain-Source Spannung am ersten Low-Side MOS FET 1 positiv wird und dadurch ein elektrischer Strom über den Kanal des MOS FETs 1 zurückfließen könnte, wird der erste Low-Side MOS FET 1 wieder abgeschaltet, was zur Folge hat, dass der Low-Side MOS FET 1 sperrt. Auf diese Weise wird der Gleichrichtereffekt des MOS FETs 1 realisiert und es wird im Betrieb der Grätz-Brücke ein elektrischer Spannungsabfall über der Freilaufdiode des MOS FETs 1 vermieden. In analoger Weise steuert die erste Ansteuereinrichtung 10 mittels einer weiteren zweiten Ansteuereinrichtung 20 auch den zweiten Low-Side MOS FET 2 an. Im Ergebnis können auf diese Art und Weise Schaltverluste innerhalb der beiden Low-Side MOS FETs 1, 2 vorteilhaft reduziert sein.Before the drain-source voltage on the first low-side MOS FET 1 becomes positive and thereby an electric current through the channel of the MOS FETs 1 could flow back, becomes the first low-side MOS FET 1 switched off again, which has the consequence that the low-side MOS FET 1 locks. In this way, the rectifier effect of the MOS FETs 1 realized and it is in operation of the Grätz bridge an electrical voltage drop across the freewheeling diode of the MOS FETs 1 avoided. In an analogous manner, the first drive device controls 10 by means of a further second drive device 20 also the second low-side MOS FET 2 at. As a result, in this way can switching losses within the two low-side MOS FETs 1 . 2 be reduced advantageous.

Das Ansteuersignal der Low-Side MOS FETs 1, 2 wird jeweils einer zugeordneten zweiten Ansteuereinrichtung 20 zugeführt, die jeweils ein Ansteuersignal für einen High-Side MOS FET 3, 4 bereitstellt. Dabei werden das Ansteuersignal des ersten Low-Side MOS FETS 1 für den diagonal angeordneten zweiten High-Side MOS FET 4 bereitgestellt und das Ansteuersignal des zweiten Low-Side MOS FETs 2 für den diagonal angeordneten ersten High-Side MOS FET 3 bereitgestellt.The drive signal of the low-side MOS FETs 1 . 2 is each an associated second drive device 20 fed, each one Control signal for a high-side MOS FET 3 . 4 provides. In this case, the drive signal of the first low-side MOS FETS 1 for the diagonally arranged second high-side MOS FET 4 provided and the drive signal of the second low-side MOS FETs 2 for the diagonally arranged first high-side MOS FET 3 provided.

3 zeigt ein Übersichtsschaltbild der zweiten Ansteuereinrichtung 20, die beispielsweise eine Funktionalität eines ICs vom Typ Fairchild FAN73611 realisieren kann. Jede der beiden zweiten Ansteuereinrichtungen 20 weist jeweils eine Eingangsschaltung 21 und eine Ausgangsschaltung 22 auf, die schaltungstechnisch über zwei MOS FETs miteinander verbunden sind. Die beiden MOS FETs sind für die volle Ausgangsgleichspannung in der Höhe von ca. 20 V bis ca. 80 V ausgelegt. Im Folgenden wird die Funktionsweise der zweiten Ansteuereinrichtung 20 zur Ansteuerung des zweiten High-Side MOS FETs 4 erläutert, wobei die Funktionsweise der weiteren zweiten Ansteuereinrichtung 20 zur Ansteuerung des ersten High-Side MOS FETs 3 identisch ist. 3 shows an overview diagram of the second drive device 20 which, for example, can realize a functionality of a Fairchild FAN73611 type IC. Each of the two second drive devices 20 each has an input circuit 21 and an output circuit 22 which are interconnected in terms of circuitry via two MOS FETs. The two MOS FETs are designed for the full output DC voltage in the height of approx. 20 V to approx. 80 V. In the following, the operation of the second drive device 20 for controlling the second high-side MOS FET 4 explained, wherein the operation of the further second drive means 20 for controlling the first high-side MOS FET 3 is identical.

An einem Eingang 23 der zweiten Ansteuereinrichtung 20 wird eine elektrische Versorgungsspannung angelegt, ein weiterer Eingang 25 wird auf Massepotential GND gelegt. An einem Eingang 24 wird das Steuersignal des ersten Low-Side MOS FETs 1 angelegt, das mittels der am Eingang der Ausgangsschaltung 22 der zweiten Ansteuereinrichtung 20 angeordneten MOS FETs benutzt wird, um ein RS-Flip-Flop 29 im Takt des Steuersignals des ersten Low-Side MOS FETs 1 zu setzen und rückzusetzen. Im Ergebnis wird dadurch an einem Ausgang 27 ein Steuersignal für das Gate des zweiten High-Side MOS FETS 4 bereitgestellt. Ein Ausgang 26 wird dazu benutzt, um eine elektrische Bootstrap-Spannung bereitzustellen, die für eine definierte Zeit eine elektrische Versorgung der Ausgangsschaltung 22 der zweiten Ansteuereinrichtung 20 aus einem Bootstrap-Kondensator 30 übernehmen kann.At an entrance 23 the second drive device 20 an electrical supply voltage is applied, another input 25 is set to ground potential GND. At an entrance 24 becomes the control signal of the first low-side MOS FET 1 created by means of the at the input of the output circuit 22 the second drive device 20 arranged MOS FETs is used to an RS flip-flop 29 in time with the control signal of the first low-side MOS FET 1 to set and reset. As a result, this will result in an output 27 a control signal for the gate of the second high-side MOS FETS 4 provided. An exit 26 is used to provide an electrical bootstrap voltage that provides electrical power to the output circuit for a defined time 22 the second drive device 20 from a bootstrap capacitor 30 can take over.

4 zeigt die zweite Ansteuereinrichtung 20 mit externer Beschaltung, wobei der zweite High-Side MOS FET 4 über eine Diode auf GND verschaltet ist, wobei die Diode die Freilaufdiode des zweiten Low-Side MOS FETs 2 repräsentieren soll. Mittels des am Eingang 24 angelegten Ansteuersignals für den ersten Low-Side MOS FET 1 wird eine synchrone Ansteuerung des ersten Low-Side MOS FETs 1 und des zweiten High-Side MOS FETs 4 erreicht. 4 shows the second drive device 20 with external wiring, the second high-side MOS FET 4 is connected via a diode to GND, wherein the diode, the freewheeling diode of the second low-side MOS FETs 2 should represent. By means of the at the entrance 24 applied drive signal for the first low-side MOS FET 1 becomes a synchronous drive of the first low-side MOS FETs 1 and the second high-side MOS FET 4 reached.

In analoger Weise (nicht dargestellt) wird mit der weiteren zweiten Ansteuereinrichtung 20 der erste High-Side MOS FET 3 angesteuert, wobei in diesem Fall ein Ansteuersignal des zweiten Low-Side MOS FETs 2 an den Eingang 24 der zweiten Ansteuereinrichtung 20 angelegt wird.In an analogous manner (not shown) with the other second drive means 20 the first high-side MOS FET 3 controlled, in which case a drive signal of the second low-side MOS FETs 2 to the entrance 24 the second drive device 20 is created.

Der Bootstrap-Kondensator 30 wird über einen Bootstrap-Widerstand 32 und eine Bootstrap-Diode 31 regelmäßig nachgeladen, um auf diese Weise eine elektrische Versorgungsspannung für die Ausgangsschaltung 22 der zweiten Ansteuereinrichtung 20 bereitzustellen. Der Bootstrap-Kondensator 30 wird dabei jeweils dann nachgeladen, wenn der Source Anschluss des zweiten High-Side MOS FETs 4 vom zweiten Low-Side MOS FET 2 nach Massepotential GND gezogen wird. Wenn der Bootstrap-Kondensator 30 eine definierte Zeit nicht nachgeladen wurde, wird der zweite High-Side MOS FET 4 abgeschaltet.The bootstrap capacitor 30 gets over a bootstrap resistance 32 and a bootstrap diode 31 regularly recharged to provide an electrical supply voltage for the output circuit in this way 22 the second drive device 20 provide. The bootstrap capacitor 30 is in each case then recharged when the source terminal of the second high-side MOS FETs 4 from the second low-side MOS FET 2 is pulled to ground potential GND. If the bootstrap capacitor 30 a defined time has not been recharged, the second high-side MOS FET 4 off.

In einer nicht dargestellten Variante ist auch denkbar, dass die Bootstrap-Diode 31 und der Bootstrap-Widerstand 32 in der zweiten Ansteuereinrichtung 20 integriert sind.In a variant, not shown, it is also conceivable that the bootstrap diode 31 and the bootstrap resistance 32 in the second drive device 20 are integrated.

5 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 5 shows a schematic flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.

In einem ersten Schritt 200 wird ein Anschließen der gleichzurichtenden Wechselspannung an einem Verbindungspunkt eines ersten Low Side MOS FETs mit einem ersten High-Side MOS FET und an einem Verbindungspunkt eines zweiten Low-Side MOS FETs mit einem zweiten High-Side MOS FET 4 durchgeführt.In a first step 200 connecting the AC voltage to be rectified at a connection point of a first low-side MOS FET with a first high-side MOS FET and at a connection point of a second low-side MOS FET with a second high-side MOS FET 4 carried out.

In einem zweiten Schritt 210 wird ein Bereitstellen von Ansteuersignalen für die beiden Low-Side MOS FETs 1, 2 mittels einer ersten Ansteuereinrichtung 10 durchgeführt, wobei mittels jeweils einer zweiten Ansteuereinrichtung aus einem Ansteuersignal eines Low-Side MOS FETs 1, 2 ein Ansteuersignal eines zum jeweiligen Low-Side MOS FET (1, 2) diagonal angeordneten High-Side MOS FETs 3, 4 abgeleitet wird.In a second step 210 becomes provision of drive signals for the two low-side MOS FETs 1 . 2 by means of a first drive device 10 performed, in each case by means of a second drive means from a drive signal of a low-side MOS FETs 1 . 2 a drive signal of a respective low-side MOS FET ( 1 . 2 ) diagonally arranged high-side MOS FETs 3 . 4 is derived.

In einem dritten Schritt 220 wird ein Abgreifen einer gleichgerichteten Wechselspannung DC an einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten High-Side MOS FET 3 und dem zweiten High-Side MOS FET 4 und einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Low-Side MOS FET 1 und dem zweiten Low-Side MOS FET 2 durchgeführt.In a third step 220 picking up a rectified AC voltage DC at a connection point between the first high-side MOS FET 3 and the second high-side MOS FET 4 and a connection point between the first low-side MOS FET 1 and the second low-side MOS FET 2 carried out.

Vorteilhaft können auf diese Weise Funktionalitäten von an sich bekannten ICs in einer Schaltung, vorzugsweise einer integrierten Schaltung, alternativ aber auch in einer diskreten Schaltung realisiert werden, wobei die erste Ansteuereinrichtung 10 eine Art Master darstellt, der mit Slaves in Form der zweiten Ansteuereinrichtungen 20 zusammenwirkt.Advantageously, in this way functionalities of known ICs in a circuit, preferably an integrated circuit, but alternatively also in a discrete circuit can be realized, wherein the first drive means 10 represents a kind of master, with slaves in the form of the second control devices 20 interacts.

Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer synchronen Gleichrichterbrücke vorgeschlagen, mit denen ein Betrieb der Gleichrichterbrücke ausschließlich mit n-Kanal MOS FETs möglich ist. Realisiert wird dabei eine stromsynchrone Gate-Ansteuerung der jeweils leitenden n-Kanal MOS FETs. Erreicht wird dies dadurch, dass für die beiden Low-Side MOS FETS eine erste Ansteuereinrichtung verwendet wird, wobei daraus die beiden stromsynchronen Signale für die beiden entsprechenden High-Side MOS FETs abgeleitet werden. Dadurch können kostengünstige n-Kanal MOS FETs eingesetzt werden. Ein elektrischer Spannungspegel der Vorrichtung kann vorteilhaft auf mehrere 10 V ausgelegt sein, eine Frequenz der gleichzurichtenden Wechselspannung kann mehrere 100 kHz betragen.In summary, the present invention proposes a device and a method for operating a synchronous rectifier bridge, with which an operation of the rectifier bridge is possible exclusively with n-channel MOS FETs. In this case, a current-synchronous gate drive of the respectively conductive n-channel MOS FETs is realized. This is achieved by using a first drive device for the two low-side MOS FETs, from which the two current-synchronized signals for the two corresponding high-side MOS FETs are derived. As a result, inexpensive n-channel MOS FETs can be used. An electrical voltage level of the device may advantageously be designed for several 10 V, a frequency of the rectified AC voltage may be several 100 kHz.

Gegenüber herkömmlichen p-Kanal MOS FETs, die eine geringere Beweglichkeit von Ladungsträgern aufweisen und für einen gleichen minimalen Durchgangswiderstand RDS(on) eine mehrfache Siliziumfläche benötigen als n-Kanal MOS FETS, ist auf diese Weise eine kostengünstige synchrone Gleichrichterbrücke realisierbar.Compared to conventional p-channel MOS FETs, which have a lower mobility of charge carriers and for a same minimum volume resistivity R DS (on) require a multiple silicon area than n-channel MOS FETS, a cost-effective synchronous rectifier bridge can be realized in this way.

Vorteilhaft kann das Verfahren als eine Software implementiert werden, die über ein Steuergerät (nicht dargestellt) die Ansteuerung der Vorrichtung 100 übernimmt.Advantageously, the method can be implemented as a software, the control of the device via a control device (not shown) 100 takes over.

Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung für verlustarme Gleichrichter, z.B. beim kabellosen Laden (engl. Wireless Charging) verwendet werden.Advantageously, the device according to the invention can be used for low-loss rectifiers, e.g. used in wireless charging.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above by means of concrete examples of application, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments, without departing from the gist of the invention.

Claims (10)

Vorrichtung (100) zum Betreiben einer Gleichrichterbrücke mit n-Kanal MOS FETs (1...4), aufweisend: – eine erste Ansteuereinrichtung (10) zum Ansteuern zweier Low-Side MOS FETS (1, 2); und – jeweils eine zweite Ansteuereinrichtung (20) zum Ansteuern jeweils eines High-Side MOS FETs (3, 4), wobei die zweiten Ansteuereinrichtungen (20) mit der ersten Ansteuereinrichtung (10) funktional derart verschaltet sind, dass Ansteuersignale für die zwei High-Side MOS FETs (3, 4) von Ansteuersignalen der zwei Low Side MOS FETS (1, 2) abgeleitet werden, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegend angeordnete MOS FETS (1...4) mittels eines elektrischen Stroms durch die MOS FETs (1...4) synchron schaltbar sind.Contraption ( 100 ) for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs (1 ... 4), comprising: - a first drive device ( 10 ) for driving two low-side MOS FETS ( 1 . 2 ); and - in each case a second drive device ( 20 ) for driving in each case a high-side MOS FET ( 3 . 4 ), wherein the second drive devices ( 20 ) with the first drive device ( 10 ) are functionally connected such that drive signals for the two high-side MOS FETs ( 3 . 4 ) of drive signals of the two low-side MOS FETS ( 1 . 2 ), wherein in each case two diagonally opposite MOS FETS ( 1 ... 4 ) by means of an electric current through the MOS FETs ( 1 ... 4 ) are synchronously switchable. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei – eine elektrische Wechselspannung (AC) an einem Verbindungspunkt zwischen einem ersten High-Side MOS FET (3) und einem ersten Low Side MOS FET (1) und einem Verbindungspunkt zwischen einem zweiten High-Side MOS FET (4) und einem zweiten Low-Side MOS FET (2) anlegbar ist; wobei – an jeweils einem Messeingang (11, 12) der ersten Ansteuereinrichtung (10) jeweils ein elektrischer Spannungsabfall über die beiden Low-Side MOS FETs (1, 2) ermittelbar ist, wobei in Abhängigkeit vom ermittelten elektrischen Spannungsabfall eine elektrische Steuerspannung für jeweils ein Gate der beiden Low-Side MOS FETS (1, 2) bereitstellbar ist, wobei die elektrische Steuerspannung über die zweite Ansteuereinrichtung (20) für jeweils ein Gate der beiden High-Side MOS FETs (3, 4) bereitstellbar ist; und wobei – die gleichgerichtete elektrische Wechselspannung (DC) an einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten High-Side MOS FET (3) und dem zweiten High-Side MOS FET (4) und einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Low-Side MOS FET (1) und dem zweiten Low-Side MOS FET (2) abgreifbar ist.Contraption ( 100 ) according to claim 1, wherein - an alternating electrical voltage (AC) at a connection point between a first high-side MOS FET ( 3 ) and a first low-side MOS FET ( 1 ) and a connection point between a second high-side MOS FET ( 4 ) and a second low-side MOS FET ( 2 ) can be applied; where - at each measuring input ( 11 . 12 ) of the first drive device ( 10 ) in each case an electrical voltage drop across the two low-side MOS FETs ( 1 . 2 ) can be determined, wherein, depending on the determined electrical voltage drop, an electrical control voltage for each gate of the two low-side MOS FETS ( 1 . 2 ), wherein the electrical control voltage via the second drive device ( 20 ) for each gate of the two high-side MOS FETs ( 3 . 4 ) is available; and wherein - the rectified electrical alternating voltage (DC) at a connection point between the first high-side MOS FET ( 3 ) and the second high-side MOS FET ( 4 ) and a connection point between the first low-side MOS FET ( 1 ) and the second low-side MOS FET ( 2 ) can be tapped. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Versorgung einer Ausgangsschaltung (22) der zweiten Ansteuereinrichtung (20) von einem Kondensator (30) bereitstellbar ist.Contraption ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that an electrical supply of an output circuit ( 22 ) of the second drive device ( 20 ) of a capacitor ( 30 ) is available. Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei eine Bootstrap-Diode (31) und ein Bootstrap-Widerstand (32) zur Nachladung des Kondensators (30) der zweiten Ansteuereinrichtung (20) intern oder extern der Vorrichtung (100) angeordnet ist.Contraption ( 100 ) according to claim 3, wherein a bootstrap diode ( 31 ) and a bootstrap resistor ( 32 ) for recharging the capacitor ( 30 ) of the second drive device ( 20 ) internally or externally of the device ( 100 ) is arranged. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein effektiver Spannungspegel der gleichgerichteten Wechselspannung (AC) größer als ca. 20 V, bevorzugt größer als ca. 40 V, noch mehr bevorzugt ca. größer als 80 V ist.Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein an effective voltage level of the rectified AC voltage (AC) is greater than about 20 V, preferably greater than about 40 V, even more preferably about greater than 80 V. Verfahren zum Betreiben einer Gleichrichterbrücke mit n-Kanal MOS FETs (1...4), aufweisend die Schritte: – Anschließen der gleichzurichtenden Wechselspannung (AC) an einem Verbindungspunkt eines ersten Low Side MOS FETs (1) mit einem ersten High-Side MOS FET (3) und an einem Verbindungspunkt eines zweiten Low-Side MOS FETs (2) mit einem zweiten High-Side MOS FET (4); – Bereitstellen von Ansteuersignalen für die beiden Low-Side MOS FETs (1, 2) mittels einer ersten Ansteuereinrichtung (10), wobei mittels jeweils einer zweiten Ansteuereinrichtung (20) aus einem Ansteuersignal eines Low-Side MOS FETs (1, 2) ein Ansteuersignal eines zum jeweiligen Low-Side MOS FET (1, 2) diagonal angeordneten High-Side MOS FETs (3, 4) abgeleitet wird; und – Abgreifen einer gleichgerichteten Wechselspannung (DC) an einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten High-Side MOS FET (3) und dem zweiten High-Side MOS FET (4) und einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Low-Side MOS FET (1) und dem zweiten Low-Side MOS FET (2).Method for operating a rectifier bridge with n-channel MOS FETs ( 1 ... 4 ), comprising the steps of: - connecting the rectified AC voltage (AC) at a connection point of a first low-side MOS FET ( 1 ) with a first high-side MOS FET ( 3 ) and at a connection point of a second low-side MOS FET ( 2 ) with a second high-side MOS FET ( 4 ); Provision of control signals for the two low-side MOS FETs ( 1 . 2 ) by means of a first drive device ( 10 ), in each case by means of a second drive device ( 20 ) from a drive signal of a low-side MOS FET ( 1 . 2 ) a drive signal of a respective low-side MOS FET ( 1 . 2 ) diagonally arranged high-side MOS FETs ( 3 . 4 ) is derived; and - Picking up a rectified AC voltage (DC) at a connection point between the first high-side MOS FET ( 3 ) and the second high-side MOS FET ( 4 ) and a connection point between the first low-side MOS FET ( 1 ) and the second low-side MOS FET ( 2 ). Verfahren nach Anspruch 6, aufweisend die Schritte: – Ermitteln von elektrischen Spannungen mittels eines Messeingangs (11, 12) über den beiden Low-Side MOS FETs (1, 2), wobei in Abhängigkeit von den ermittelten elektrischen Spannungen elektrische Steuerspannungen für Gates der beiden Low-Side MOS FETS (1, 2) bereitgestellt werden, wobei die Steuerspannungen über die zweite Ansteuereinrichtung (20) für Gates der beiden High-Side MOS FETs (3, 4) bereitgestellt werden, wobei die MOS FETS (1...4) derart angesteuert werden, dass die Stromflüsse im Wesentlichen durch die Kanäle der MOS FETS (1...4) erfolgen.Method according to Claim 6, comprising the steps of: determining electrical voltages by means of a measuring input ( 11 . 12 ) over the two low-side MOS FETs ( 1 . 2 ), wherein depending on the detected electrical voltages electrical control voltages for gates of the two low-side MOS FETS ( 1 . 2 ), wherein the control voltages via the second drive device ( 20 ) for gates of the two high-side MOS FETs ( 3 . 4 ), the MOS FETS ( 1 ... 4 ) are controlled in such a way that the current flows essentially through the channels of the MOS FETS ( 1 ... 4 ) respectively. Verfahren nach Anspruch 7, wobei im Falle, dass eine Freilaufdiode eines MOS FETs (1...4) gerade zu leiten beginnt, das Gate dieses MOS FETs (1...4) eingeschaltet wird, wobei die Gate Spannung derart geregelt wird, dass die Drain-Source-Spannung über dem MOS FET (1...4) im Wesentlichen konstant bleibt.Method according to claim 7, wherein in case of a free-wheeling diode of a MOS FET ( 1 ... 4 ) just starts to conduct the gate of this MOS FET ( 1 ... 4 ) is switched on, wherein the gate voltage is controlled so that the drain-source voltage across the MOS FET ( 1 ... 4 ) remains substantially constant. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine Ausgangsschaltung (22) der zweiten Ansteuereinrichtung (20) von einem Kondensator (30) mit elektrischer Energie versorgt wird.Method according to one of claims 6 to 8, wherein an output circuit ( 22 ) of the second drive device ( 20 ) of a capacitor ( 30 ) is supplied with electrical energy. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wenn es auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert ist oder auf einer Rechnereinrichtung abläuft.Computer program product with program code means for carrying out the method according to one of claims 6 to 9, when it is stored on a computer-readable data carrier or runs on a computer device.
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