DE102016104294B4

DE102016104294B4 - Verfahren zum Betreiben einer Leistungswandlerschaltung und Leistungswandlerschaltung

Info

Publication number: DE102016104294B4
Application number: DE102016104294.3A
Authority: DE
Inventors: Kennith Kin Leong; Gerald Deboy
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: US9647548B2; US10122276B2; US20190052172A1; CN110022057A; KR20160110241A; CN106130338B; US20170194866A1; KR101820232B1; CN110022057B; US20160268898A1; DE102016104294A1; US10673334B2; CN106130338A

Abstract

Verfahren, das aufweist:In einem Ladezyklus einer Leistungswandlerschaltung, Schalten mehrerer Kondensatoren (221-22n) in Reihe zwischen Eingangsknoten (11, 12) der Leistungswandlerschaltung, wobei die Leistungswandlerschaltung außerdem mehrere Wandlerzellen (31-3n) aufweist, wobei jede Wandlerzelle (31-3n) an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren (221-22n) angeschlossen ist;nach dem Ladezyklus und vor Aktivieren einer Wandlerzelle (31) der mehreren Wandlerzellen (31-3n), Reduzieren eines elektrischen Potentials an einem ersten Eingangsknoten (131) der einen Wandlerzelle (31) durch Einschalten eines Masseschalters (312-315) wenigstens einer anderen Wandlerzelle (32-35) der mehreren Wandlerzellen (31-3n), wobei der Masseschalter zwischen einen zweiten Eingangsknoten (142-145) der anderen Wandlerzelle (32-35) und einen Masseknoten (18) geschaltet ist; undAktivieren der einen Wandlerzelle (31), um elektrische Leistung von dem an die eine Wandlerzelle (31) angeschlossenen Kondensator (221) an einen Ausgang (17, 18) der Leistungswandlerschaltung zu übertragen,wobei die wenigstens eine andere Wandlerzelle (32-35) mehrere andere Wandlerzellen umfasst (32-35),wobei die mehreren anderen Wandlerzellen (32-35) derart zeitlich aufeinanderfolgend aktiviert werden, dass das elektrische Potential an dem ersten Eingangsknoten (131) der einen Wanderzelle (31) mit jeder Aktivierung einer der mehreren anderen Wandlerzellen (32-35) absinkt undwobei die Aktivierung jeder der mehreren anderen Wandlerzellen (32-35) das Einschalten eines Masseschalters (312-315) der jeweiligen anderen Wandlerzelle (32-35) umfasst.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zum Wandeln elektrischer Leistung und eine Leistungswandlerschaltung, insbesondere eine geschaltete Leistungswandlerschaltung (engl.: switched-mode power converter circuit) mit mehreren Wandlerstufen (Wandlerzellen).
Geschaltete Leistungswandler sind in Automobil-, Industrie-, Verbraucherelektronik- oder Informationstechnologie-(IT)-Anwendungen zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine einer Last zugeführte Ausgangsspannung weit verbreitet. Bei vielen Anwendungen, wie beispielsweise CPU-(Central Processing Units)-Leistungsversorgungs-anwendungen ist es notwendig, eine Ausgangsspannung mit einem relativ niedrigen Pegel aus einer Eingangsspannung mit einem höheren Spannungspegel zu erzeugen.
Ein wichtiger Aspekt beim Entwurf von Leistungswandlern ist die Reduktion von Leistungsverlusten. Eine viel versprechende Wandlertopologie ist eine Mehrphasenwandlertopologie mit mehreren Wandlerstufen (Wandlerzellen), die jeweils einen Zelleneingang und einen Zellenausgang aufweisen, wobei jede Wandlerzelle als eine Zelleneingangsspannung einen Teil einer Gesamt-Eingangsspannung des Leistungswandlers erhält und wobei die Zellenausgänge dazu ausgebildet sind, parallel geschaltet zu werden. Eine solche Wandlertopologie ist beispielsweise in der DE 10 2014 103 563 A1 beschrieben. Eingangsspannung einzelner Wandlerzellen werden bei dieser Topologie durch eine Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren bereitgestellt, wobei jeder der mehreren Kondensatoren an den Eingang einer Wandlerzelle angeschlossen ist. Die Kondensatoren werden in einem Ladzyklus geladen und geben anschließend die beim Laden gespeicherte Energie wenigstens teilweise an die Wandlerzellen ab, die während dem Ladezyklus deaktiviert sind und anschließend aktiviert werden.
Die DE 10 2013 220 125 A1 beschreibt eine Leistungswandleranordnung mit drei Leistungswandlern, die zwischen eine jeweilige Phase eines Spannungsnetzes und eine gemeinsame Last geschaltet sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein verlustleistungsreduziertes Verfahren zur Leistungswandlung mittels eines Leistungswandlers, der mehrere Kondensatoren und mehrere Wandlerzellen aufweist, zur Verfügung zu stellen und einen solchen Leistungswandler zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Leistungswandler nach Anspruch 9 gelöst.
Das Verfahren umfasst: in einem Ladezyklus einer Leistungswandlerschaltung mehrere Kondensatoren in Reihe zwischen Eingangsknoten der Leistungswandlerschaltung zu schalten, wobei der Leistungswandler außerdem mehrere Wandlerzellen aufweist, wobei jede Wandlerzelle an einen der mehreren Kondensatoren angeschlossen ist; nach dem Ladezyklus und vor Aktivieren wenigstens einer der mehreren Wandlerzellen, ein elektrisches Potential an einem ersten Eingangsknoten wenigstens einer der mehreren Wandlerzellen zu reduzieren durch Einschalten eines Masseschalters der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen, wobei der Masseschalter zwischen einen zweiten Eingangsknoten der anderen der mehreren Wandlerzellen und einen Masseknoten geschaltet ist; und Aktivieren der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen, um elektrische Leistung von dem an die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen angeschlossenen Kondensator an einen Ausgang der Leistungswandlerschaltung zu übertragen.
Die Leistungswandlerschaltung umfasst mehrere Kondensatoren, die dazu ausgebildet sind, in Reihe zwischen Eingangsknoten der Leistungswandlerschaltung geschaltet zu werden, mehrere Wandlerzellen, wobei jede der mehreren Wandlerzellen an einen der mehreren Kondensatoren angeschlossen ist, und eine Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, in einem Ladezyklus der Leistungswandlerschaltung, die mehreren Kondensatoren in Reihe zwischen die Eingangsknoten der Leistungswandlerschaltung zu schalten, nach dem Ladezyklus und vor dem Aktivieren wenigstens einer der mehreren Wandlerzellen, ein elektrisches Potential an einen ersten Eingangsknoten wenigstens einer der mehreren Wandlerzellen durch Einschalten eines Masseschalters wenigstens einer der mehreren Wandlerzellen zu reduzieren, wobei der Masseschalter zwischen einem zweiten Eingangsknoten der anderen der mehreren Wandlerzellen und einen Masseknoten geschaltet ist, und die wenigstens eine der mehreren Wandlerzellen zu aktivieren, elektrische Leistung von dem daran angeschlossenen Kondensator an einen Ausgang der Leistungswandlerschaltung zu übertragen.
Beispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zum Veranschaulichen des Grundprinzips, so dass nur solche Merkmale, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die eine Leistungsversorgungsschaltung, mehrere Wandlerzellen, die an die Leistungsversorgungsschaltung gekoppelt sind, und eine Steuerschaltung aufweist;
2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgungsschaltung;
3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgungszelle, die mit einem MOSFET-Schalter realisiert ist;
4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgungsschaltung;
5 veranschaulicht eine Betriebsart der in 4 gezeigten Leistungsversorgungsschaltung;
6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer der mehreren, in 1 gezeigten Wandlerzellen im Detail;
7 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart des in 6 gezeigten Leistungswandlers veranschaulichen;
8 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer der mehreren, in 1 gezeigten Wandlerzellen im Detail;
9 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart des in 8 gezeigten Leistungswandlers veranschaulichen;
10 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer der mehreren, in 1 gezeigten Wandlerzellen im Detail;
11 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart des in 10 gezeigten Leistungswandlers veranschaulichen;
12 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung mit einer Versorgungsschaltung, wie sie in einer der 2 und 4 gezeigt ist, veranschaulichen;
13 zeigt Zeitverläufe, die eine weitere Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung mit einer Versorgungsschaltung, wie sie in einer der 2 und 4 gezeigt ist, veranschaulichen;
14 zeigt Zeitverläufe, die eine weitere Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung mit einer Versorgungsschaltung, wie sie in einer der 2 und 4 gezeigt ist, veranschaulichen;
15 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung;
16 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart der in 15 gezeigten Steuerschaltung veranschaulichen;
0026] 17 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer Versorgungsschaltung;
18 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart der in 17 gezeigten Leistungswandlerschaltung veranschaulichen;
19 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer Versorgungsschaltung;
20 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart der in 19 gezeigten Leistungswandlerschaltung veranschaulichen;
21 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines ersten Schalters in einer der mehreren Wandlerzellen;
22 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Ansteuerschemas einer Leistungswandlerschaltung mit n=6 Wandlerzellen;
0032] 23 zeigt die Versorgungsschaltung und Teile der Wandlerzellen einer Leistungswandlerschaltung mit n=6 Wandlerzellen;
24, die 24A und 24B umfasst, zeigt eine weitere Darstellung eines Ansteuerschemas des in 22 gezeigten Typs;
25 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ansteuerschemas einer Leistungswandlerschaltung mit n=6 Wandlerzellen;
26 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung mit zwei parallel geschalteten Leistungswandlerschaltungen;
27 zeigt eine Reihenfolge, in der Wandlerzellen in jeder der in 26 gezeigten Leistungswandlerschaltung aktiviert werden können;
28, die 28A und 28B umfasst, zeigt Ausführungsbeispiele eines Ansteuerschemas für die in 26 gezeigte elektronische Schaltung;
29 zeigt eine Reihenfolge, in der Wandlerzellen in jeder von drei parallel geschalteten Leistungswandlerschaltungen aktiviert werden können;
30 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ansteuerschemas für eine elektronische Schaltung, die drei parallel geschaltete Leistungswandlerschaltungen umfasst;
31, die 31A-3 1C umfasst zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben einer Leistungswandlerschaltung bei einer variierenden Aktivierungsfrequenz; und
32 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben einer Leistungswandlerschaltung bei einer variierenden Aktivierungsfrequenz.

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die begleitenden Figuren Bezug genommen. Die Figuren bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen mittels Darstellungen spezifische Ausführungsbeispiele, wie die Erfindung genutzt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern explizit nichts anderes angegeben.
1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung 1. Die Leistungswandlerschaltung 1 umfasst einen Eingang 11, 12 zum Erhalten einer Eingangsspannung Vin und eines Eingangsstroms Iin und einen Ausgang 17, 18 zum Ausgeben einer Ausgangsspannung Vout und eines Ausgangsstroms Iout. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Eingangsspannung Vin eine Gleichspannung (DC Spannung). Diese Eingangsspannung Vin kann von einer herkömmlichen Energiequelle VS (in gestrichelten Linien in 1 dargestellt), wie einer geschalteten Energieversorgung, einer Batterie oder ähnlichem, bereitgestellt werden. Ein Spannungspegel für die Eingangsspannung Vin liegt beispielsweise zwischen 5 V und 100 V, insbesondere zwischen 10 V und 60 V.
Die Ausgangsspannung Vout und der Ausgangsstrom Iout können einer Last Z zur Verfügung gestellt werden (in gestrichelten Linien in 1 dargestellt). Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsspannung Vout niedriger als die Eingangsspannung Vin. Beispielsweise beträgt die Ausgangsspannung Vout etwa 1,2 V, 1,8 V oder etwa 3 V. Die Last Z ist beispielsweise ein Mikroprozessor in einer Server- oder Telekomanwendung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Leistungswandlerschaltung 1 dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung Vout im Wesentlichen konstant zu halten. In diesem Fall kann der Ausgangsstrom Iout abhängig von einem Leistungsverbrauch der Last Z variieren. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung Vin im Wesentlichen konstant ist, kann der Eingangsstrom Vin abhängig von dem Leistungsverbrauch der Last Z variieren.
Der Ausgang 17, 18 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen ersten Ausgangsknoten 17 und einen zweiten Ausgangsknoten 18. Optional ist ein Ausgangskondensator 19 zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsknoten 17, 18 gekoppelt. Die Ausgangsspannung Vout ist eine Spannung zwischen den Ausgangsknoten 17, 18. Gleichermaßen umfasst der Eingang 11, 12 einen ersten Eingangsknoten 11 und einen zweiten Eingangsknoten 12. Die Eingangsspannung Vin ist eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsknoten 11, 12.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beziehen sich die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout auf denselben Schaltungsknoten bezogen, der nachfolgend als Masseknoten bezeichnet wird. In diesem Fall sind der zweite Eingangsknoten 12 und der zweite Ausgangsknoten 18 beide an den Masseknoten angeschlossen, an dem das Massepotential verfügbar ist.
Gemäß 1 umfasst die Leistungswandlerschaltung 1 eine Leistungsversorgungsschaltung 2, die mit dem Eingang 11, 12 gekoppelt ist. Die Leistungsversorgungsschaltung 2 ist dazu ausgebildet, die Eingangsspannung Vin und den Eingangsstrom Iin zu erhalten und mehrere Versorgungsspannungen V₁, V₂, V_n von der Eingangsspannung Vin auszugeben. Diese Versorgungsspannungen V₁, V₂, V_n können auch als Zwischenkreisspannungen bezeichnet werden. Des Weiteren umfasst die Leistungswandlerschaltung 1 mehrere Wandlerzellen 3₁ , 3₂ , 3_n , wobei jede dieser Wandlerzellen 3₁ - 3_n eine der mehreren Versorgungsspannungen V₁ - V_n erhält und dazu ausgebildet ist einen Ausgangsstrom I₁ - In dem Ausgang 17, 18 bereitzustellen. Der Ausgangsstrom Iout der Leistungswandlerschaltung 1 entspricht der Summe der Ausgangsströme I₁ - I_n der einzelnen Wandlerzellen 3₁ - 3_n . Die einzelnen Wandlerzellen 3₁ - 3_n steuern ihre Ausgangsströme I₁ - I_n, so dass die Ausgangsspannung Vout einen vordefinierten Sollwert aufweist. Eine Art des Funktionsprinzips der einzelnen Wandlerzellen 31 - 3_n ist nachfolgend detaillierter erläutert. In der Leistungswandlerschaltung 1, die in 1 dargestellt ist, gibt die Leistungsversorgungsschaltung 2 n=3 Versorgungsspannungen V₁ - V_n aus und n=3 Wandlerzellen 3₁ - 3_n sind mit der Leistungsversorgungsschaltung 2 gekoppelt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Die Zahl n der Wandlerzellen, die in der Leistungswandlerschaltung 1 implementiert sind, ist beliebig und nicht auf n=3 beschränkt.
Gemäß 1 umfasst jede der Wandlerzellen 31-3_n einen Zelleneingang mit einem ersten Eingangsknoten 13₁-13_n und einem zweiten Eingangsknoten und erhält eine der Versorgungsspannung V₁-V_n an dem jeweiligen Zelleneingang. Außerdem umfasst jede der mehreren Wandlerzellen 3₁-3_n einen Zellenausgang mit einem ersten Ausgangsknoten 15₁-15_n und einem zweiten Ausgangsknoten 16₁-16_n . Die ersten Ausgangsknoten 15₁-15_n der einzelnen Wandlerzellen 31-3_n sind an den ersten Ausgangsknoten 17 der Leistungswandlerschaltung 1 gekoppelt, und zweite Ausgangsknoten 16₁-16_n sind an den zweiten Ausgangsknoten 18 der Leistungswandlerschaltung 1 gekoppelt.
Gemäß 1 steuert eine Steuerschaltung 4 den Betrieb der Versorgungsschaltung 2 und der einzelnen Wandlerzellen 3 ₁ - 3_n . In 1 sind die Steuersignale S2, S3₁ - S3_n, die von der Versorgungsschaltung 2 und den einzelnen Wandlerzellen 3₁ - 3_n entsprechend erhalten werden, nur schematisch dargestellt. Abhängig von der speziellen Implementierung der Versorgungsschaltung 2 und der einzelnen Wandlerzellen 3₁ - 3_n kann jede dieser Schaltungen zwei oder mehr Steuersignale erhalten, so dass das Steuersignal S2, S3₁ - S3_n, das in 1 dargestellt ist, je ein Steuersignal oder zwei oder mehr Steuersignale repräsentieren kann.
2 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgungsschaltung 2. Die Leistungsversorgungsschaltung 2 umfasst mehrere Leistungsversorgungszellen (Versorgungszellen) 2₁ - 2_n , die in Reihe zwischen dem ersten um dem zweiten Eingangsknoten 11, 12 geschaltet sind. Jede dieser Versorgungszellen 2₁ - 2_n ist dazu ausgebildet, eine der Versorgungsspannungen V₁ - V_n auszugeben. Jede der Versorgungszellen 2₁ - 2_n umfasst eine Reihenschaltung mit einem ersten Schalter 21₁ - 21_n und einem ersten kapazitiven Speicherelement (Kondensator) 22₁ - 22_n , wobei die Versorgungsspannungen V₁ - V_n über den ersten Kondensatoren 22₁ - 22_n der Versorgungszelle 2₁ - 2_n verfügbar sind. In der in 2 gezeigten Versorgungsschaltung 2 und in anderen Ausführungsbeispielen der Versorgungsschaltung 2, die nachfolgend beschrieben wird, besitzen gleiche Merkmale der einzelnen Versorgungszellen 2₁ - 2_n gleiche Bezugszeichen, die sich durch die tiefgestellten Indizes „1“, „2“, „n“ voneinander unterscheiden. Im Folgenden werden Bezugszeichen ohne Indizes benutzt, wenn die Beschreibung sich gleichermaßen auf alle Versorgungsschaltungen 2₁ - 2_n und auf deren einzelne Komponenten bezieht. Gleichermaßen besitzen die Wandlerzellen 3₁ - 3_n und deren Komponenten gleiche Bezugszeichen, die sich durch die tiefgestellten Indizes „1“, „2“, „n“ voneinander unterscheiden. Im Folgenden werden Bezugszeichen ohne Indizes genutzt, wenn die Beschreibung gleichermaßen auf jede der Wandlerzellen 3₁ - 3_n und deren einzelne Komponenten zutrifft.
Jede der einzelnen Versorgungszellen 2₁-2_n gibt eine der Versorgungsspannungen V₁ - V_n aus und versorgt damit die Wandlerzelle (3₁ - 3_n in 1), die daran angeschlossen ist.
Bezug nehmend auf 2 ist jede der mehreren Versorgungszellen 2 an eine der mehreren Wandlerzellen 3 angeschlossen (dieser zugeordnet). Jede der Versorgungszellen 2 erhält die Energie, die sie der zugeordneten Wandlerzelle 3 bereitstellt, von den Eingangsknoten 11, 12. Jede der Versorgungszellen 2 kann in einem Lademodus und in einem Versorgungsmodus betrieben werden. Im Lademodus erhält die Versorgungszelle 2 Energie von den Eingangsknoten 11, 12, so dass der erste Kondensator 22 der Versorgungszelle 2 geladen wird. Im Versorgungsmodus ist die Versorgungszelle 2 bereit, der ihr zugeordneten, an sie angeschlossenen Wandlerzelle 3 Energie bereitzustellen, d.h., die Versorgungszelle 2 ist bereit, den ersten Kondensator 22 zu entladen. Ob eine Versorgungszelle 2 im Versorgungsmodus wirklich Energie der zugeordneten Wandlerzelle 3 bereitstellt ist abhängig vom Betriebsmodus der Wandlerzelle 3. Das ist nachfolgend detaillierter beschrieben.
Im Ausführungsbeispiel der Versorgungsschaltung 2, das in 2 dargestellt ist, werden die einzelnen Versorgungszellen 2₁ - 2_n im Lademodus zur gleichen Zeit betrieben. Im Lademodus schaltet die Steuerschaltung 4 (in 2 nicht dargestellt) die ersten Schalter 21₁ - 21_n der einzelnen Versorgungszellen 2₁ - 2_n ein. Wenn die ersten Schalter 21₁ - 21_n eingeschaltet sind, sind die Kondensatoren 22₁ - 22_n der einzelnen Versorgungszellen 2₁ - 2_n in Reihe zwischen den ersten und zweiten Eingangsknoten 11, 12 geschaltet. Die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n werden dann jeweils auf eine Versorgungsspannung V₁ - V_n geladen. Die Versorgungsspannung jeder Versorgungszellen ist abhängig von der Eingangsspannung Vin und den Kapazitäten des jeweiligen Kondensators 22₁ - 22_n ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren 22₁- 22_n im Wesentlichen gleich. In diesem Fall haben die einzelnen Kondensatoren am Ende der Ladephase im Wesentlichen den gleichen Spannungspegel, d.h. $V_{1} = V_{2} = V_{n} = \frac{V i n}{n}$
wobei n die Zahl der Versorgungszellen 2₁ - 2_n in der Versorgungsschaltung 2 ist.
Ob die einzelnen ersten Kondensatoren 22₁ - 22_n vollständig geladen werden (auf die Spannung Vin/n im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel) oder ob die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n nur teilweise geladen werden (auf eine Spannung niedriger als Vin/n), hängt von der Dauer der Ladephase ab. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Dauer der Ladephase so gewählt, dass die ersten Kondensatoren 22₁ - 22_n vollständig während dieser Ladephase geladen werden. Am Ende der Ladephase öffnet die Steuerschaltung 4 die ersten Schalter 21₁ - 21_n und die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n sind bereit, von den einzelnen Wandlerzellen 3₁ -3_n entladen zu werden. In diesem Ausführungsbeispiel können die ersten Schalter 21₁ - 21_n gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden, so dass ein Steuersignal S2, das von der Steuerschaltung 4 erhalten wird, dazu genutzt werden kann, die einzelnen ersten Schalter 21₁ - 21_n zu steuern.
Die ersten Schalter 21₁ - 21_n können als herkömmliche elektronische Schalter ausgebildet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die ersten Schalter 21₁ - 21_n Transistoren. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die ersten Schalter 21₁ - 21_n Relais. 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Versorgungszelle 2i, die einen ersten Schalter 21 umfasst, der als Transistor ausgebildet ist. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Transistor 21i ein MOSFET. Dieser MOSFET kann als n-leitender MOSFET oder p-leitender MOSFET ausgebildet sein und kann als Anreicherungstransistor (selbstsperrend) oder als Verarmungstransistor (selbstleitend), wie beispielsweise als ein Verarmungs-MOSFET oder ein JFET (engl.: Junction Field-Effect Transistor) ausgebildet sein. Die Transistoren können aus einem herkömmlichen Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) oder ähnlichem, ausgebildet sein. Der MOSFET weist einen Steueranschluss (Gateanschluss), um ein Steuersignal S2 zu erhalten, und eist eine Laststrecke (Drain-Source-Strecke) auf, die in Reihe zu dem Kondensator 22i geschaltet ist. Die Steuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, einen Signalpegel des Steuersignals S2 zu erzeugen abhängig von dem speziellen Typ des MOSFETs, so dass der MOSFET eingeschaltet wird, wenn die Versorgungszelle 2i im Lademodus ist und so dass der MOSFET ausgeschaltet wird, wenn die Versorgungszelle 2i im Versorgungsmodus ist. Der MOSFET 21i kann eine interne Bodydiode umfassen, die auch in 3 dargestellt ist. Die Polarität dieser Bodydiode kann derart gewählt werden, dass der Kondensator 22i der Versorgungszelle 2i nicht über die Bodydiode geladen werden kann. Dazu ist im Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine Anode der Bodydiode mit dem Kondensator 22i verbunden. Implementieren des Schalters 21i als einen n-leitenden MOSFET ist nur ein Beispiel. Jede andere Art eines elektronischen Schalters, wie beispielsweise ein anderer Typ eines MOSFETs oder ein anderer Typ eines Transistors, wie beispielsweise ein BJT (Bipolar Junction Transistor, Bipolar-Sperrschichttransistor) oder ein JFET (Junction Field-Effect Transistor, Sperrschicht-Feldeffekttransistor) oder ein GaN-HEMT (Gallium-Nitride High Electron-Mobility Transistor) können ebenfalls genutzt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Schalter 21₁-21_n unter Verwendung einer Leistungs-IC-Technologie implementiert, die laterale Leistungstransistoren unterstützt.
4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Versorgungsschaltung 2. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 umfasst die Versorgungsschaltung 2 eine Spule 23, die in Reihe mit den Versorgungszellen 2₁ - 2_n geschaltet ist. Bei der in 2 gezeigten Versorgungsschaltung kann der Eingangsstrom Iin einen relativ hohen Strompegel zu Beginn der Ladephase (Lademodus) aufweisen. Dieser Strompegel ist abhängig davon, wie stark die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n entladen wurden. In der Versorgungsschaltung 2 gemäß 4 hilft die Spule 23 dabei, den Strompegel des Eingangsstroms Iin zu begrenzen. Des Weiteren macht die Spule 23 es möglich, die Schalter 21₁ - 21_n der Versorgungszellen 2₁ - 2_n einzuschalten und auszuschalten, wenn ein Strom durch die Spule 23 und die Schalter 21₁ - 21_n im Wesentlichen null ist. Gemäß 4 ist ein optionales Freilaufelement 26, wie beispielsweise eine Diode, parallel zu der Spule 23 geschaltet. Das Freilaufelement 26 übernimmt den Strom durch die Spule 23, wenn die Schalter 21₁ - 21_n ausschalten, bevor die Spule 23 vollständig entmagnetisiert wurde. Die Spule ist nicht notwendigerweise ein diskretes Bauelement sondem kann durch die Gesamt-Streuinduktivität in dem Strompfad, der die Kondensatorreihenschaltung zwischen dem ersten Eingangsknoten 11 und dem zweiten Eingangsknoten 12 umfasst, gebildet sein.
Eine Funktionsweise der Versorgungsschaltung gemäß 4 wird anhand von 5 erläutert, in der Zeitverläufe des Betriebsmodus der Versorgungsschaltung 2 und des Eingangsstroms Iin dargestellt sind. Der Betriebsmodus wird durch das Steuersignal S2 repräsentiert. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass das Steuersignal S2 einen hohen Pegel (der die einzelnen ersten Schalter 21₁ - 21_n einschaltet), wenn die Versorgungsschaltung 2 im Lademodus ist, und einen niedrigen Pegel, wenn die Versorgungsschaltung im Versorgungsmodus ist, aufweist. Zu Erläuterungszwecken wird weiterhin angenommen, dass die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n nicht vollständig zu Beginn des Lademodus geladen sind, d.h., die Summe der einzelnen Versorgungsspannungen V₁ - V_n niedriger ist als die Eingangsspannung Vin: $\sum_{k = 1}^{n} V_{k} > V i n$
In diesem Fall steigt der Eingangsstrom Iin zu Beginn des Lademodus, wobei der Beginn des Lademodus in 5 durch die Zeit t1 repräsentiert wird. Gemäß 5 steigt der Eingangsstrom Iin auf einen maximalen Eingangsstrom Iin_max an und nimmt dann auf null ab. Der maximale Eingangsstrom Iin_max hängt von der Differenz zwischen dem Spannungspegel der Eingangsspannung Vin und dem Spannungspegel der Spannung über der Reihenschaltung mit den Kondensatoren 22₁ - 22_n zu Beginn der Ladephase ab, wobei der maximale Eingangsstrom Iin_max zunimmt, wenn die Spannungsdifferenz zunimmt. Eine Ladedauer T, die eine Zeitspanne zwischen dem Beginn einer Ladedauer zum Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 ist, wenn der Eingangsstrom Iin auf null abfällt, ist unabhängig von der Spannungsdifferenz und hängt nur von der Induktivität der Spule 23 und einer gesamten Kapazität der Kondensatorreihenschaltung mit den mehreren Kondensatoren 22₁-22_n ab. Gemäß einen Ausführungsbeispiel entspricht eine Zeitdauer, in der die Versorgungsschaltung 2 im Lademodus betrieben wird, der Ladedauer T oder ist sogar kürzer.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die gesamte Spannung über die Kondensatorreihenschaltung am Ende der Ladedauer höher sein als die Eingangsspannung Vin, d.h.: $\sum_{k = 1}^{n} V_{k} > V i n$
Ob die gesamte Spannung höher ist als die Eingangsspannung Vin hängt von dem Zeitpunkt ab, zu dem die Schalter 21₁ - 21_n ausgeschaltet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel schalten die Schalter 21₁ - 21_n aus, wenn der Eingangsstrom Iin im Wesentlichen den Maximalpegel erreicht hat (was zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 in 5 der Fall ist). In diesem Fall entspricht die gesamte Spannung der Eingangsspannung. Wenn die Schalter 21₁ - 21_n jedoch später ausschalten, wird die Energie, die magnetisch in der Spule 23 gespeichert wurde, zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt, zu dem der Eingangsstrom Iin das Maximum erreicht, an die Kondensatoren 22₁ - 22_n übertragen und sorgt dafür, dass die gesamte Spannung über die Eingangsspannung Vin steigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Schalter 22₁ - 22_n ausgeschaltet wenn oder bevor der Eingangsstrom Iin null wird, um ein Entladen der Kondensatoren 22₁ - 22_n zu verhindern.
Im Lademodus beziehen sich die Versorgungsspannungen V₁ - V_n, die von den einzelnen Versorgungszellen 2₁ - 2_n ausgegeben werden, auf verschiedene elektrische Potentiale. Die Versorgungsspannung V_n der Versorgungszelle 2_n, die direkt mit dem zweiten Eingangsknoten 12 verbunden ist, bezieht sich auf das elektrische Potential am zweiten Eingangsknoten 12. Dieses elektrische Potential am zweiten Eingangsknoten 12 wird im Folgenden als erstes Massepotential bezeichnet. Die Versorgungszelle 2_n , die direkt mit dem zweiten Eingangsknoten 12 verbunden ist, wird weiterhin als unterste Versorgungszelle bezeichnet und die Wandlerzelle 3_n , die mit der untersten Versorgungszelle 2_n verbunden ist, wird weiterhin als unterste Wanderzelle bezeichnet.
Die Versorgungsspannung V₂ der Versorgungszelle 2₂ , die an die unterste Versorgungszelle 2_n angrenzt, bezieht sich auf P12+V_n, wobei P12 das erste Massepotential und V_n die Versorgungsspannung der untersten Versorgungszelle 2_n bezeichnet. Gleichermaßen bezieht sich die Versorgungsspannung V₁ der Versorgungszelle 2₁ auf P12+V₂. Im Allgemeinen bezieht sich im Lademodus die Versorgungsspannung V_i einer Versorgungszelle 2i (wobei 2i eine beliebige der Versorgungszellen 2₁ - 2_n bezeichnet) auf $P 12 + \sum_{k = i + 1}^{n} V_{k}$
Im Versorgungsmodus ist die Versorgungsspannung V₁ - V_n jeder einzelnen Versorgungszelle 2₁-2_n auf das elektrische Potential am zweiten Ausgangsknoten 18 bezogen, das nachfolgend als zweites Massepotential bezeichnet wird. Zu diesem Zweck umfasst jede der Wandlerzellen 3₁ - 3_n einen zweiten Schalter 31₁ - 31_n , der zwischen Kondensator 22₁ - 22_n der entsprechenden Versorgungszelle 2₁ - 2_n und den zweiten Ausgangsknoten 18 geschaltet ist. Diese zweiten Schalter, die nachfolgend auch als Masseschalter bezeichnet werden, sind schematisch in den Wandlerzellen 3₁ - 3_n gemäß 2 und 4 dargestellt. Die Steuerschaltung 4 steuert diese zweiten Schalter 21₁ , 212 derart, dass sie ausgeschaltet sind (offen sind), wenn die entsprechende Versorgungszelle 2₁ - 2_n im Lademodus ist. Bei der untersten Wandlerzelle 3_n ist der zweite Schalter 31_n optional und kann weggelassen werden.
Neben dem Lademodus und dem Versorgungsmodus kann jede der Versorgungszellen 2 auch in einem Standby-Modus sein, in dem der Kondensator 22 geladen wurde und in dem der erste Schalter 21 und der zweite Schalter 31 offen sind. In diesem Betriebsmodus ist die Versorgungsspannung V, die von der jeweiligen Versorgungszelle 2 bereitgestellt wird, floatend.
Optional ist ein weiterer Schalter 24 zwischen die Reihenschaltung der Versorgungszelle 21₁ - 21_n und den zweiten Eingangsknoten 12 geschaltet. Dieser weitere Schalter 24 wird gleichzeitig mit den ersten Schaltern 21₁ - 21_n ein- und ausgeschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die unterste Wandlerzelle 3_n zudem einen zweiten Schalter 31_n . In diesem Ausführungsbeispiel können die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout auf verschiedene Massepotentiale bezogen sein. D.h., die Eingangsspannung Vin kann auf ein erstes Referenzpotential bezogen sein, das Potential am zweiten Eingangsknoten 12 und die Ausgangsspannung Vout können auf das zweite Massepotential bezogen sein, das heißt, nämlich das Potential am zweiten Ausgangsknoten 18.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der zweite Schalter einer der Wandlerzellen 3₁ - 3_n , die nicht die unterste Wandlerzelle 3_n ist, weg gelassen, während die unterste Wandlerzelle 3_n den zweiten Schalter 31_n umfasst. Wenn beispielsweise der zweite Schalter 312 der zweiten Wandlerzelle 3₂ weg gelassen wird, dann bezieht sich die Ausgangsspannung Vout auf das elektrische Potential an einem der Anschlüsse des Kondensators 22₂ der der Versorgungszelle 2₂ zugeordnet ist.
Verschiedene Topologien sind möglich, um die einzelnen Wandlerzellen 3₁ . 3_n zu implementieren. Zwei mögliche Implementierungen werden anhand von 6 und 8 nachfolgend erläutert.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wandlerzelle 3i (wobei 3i eine beliebige der Wandlerzellen 3₁ - 3_n repräsentiert). Diese Wandlerzelle 3 _i ist mit einer Tiefsetzstellertopologie implementiert und umfasst eine Reihenschaltung mit einem dritten Schalter 32i und einer Spule 33i, die zwischen einen ersten Eingangsknoten 13i und einen ersten Ausgangsknoten 15i geschaltet ist, wobei der erste Ausgangsknoten 15i mit dem ersten Ausgangsknoten 17 der Leistungswandlerschaltung 1 verbunden ist. Ein Freilaufelement 34i ist zwischen einen zweiten Ausgangsknoten 16_i und einen Schaltungsknoten geschaltet, den der dritte Schalter 32 und die Spule 33i gemeinsam haben. Der zweite Ausgangsknoten 16_i ist der Ausgangsknoten, der mit dem zweiten Ausgangsknoten 18 der Leistungswandlerschaltung 1 verbunden ist. Das Freilaufelement 34i kann als ein gewöhnliches Freilaufelement ausgebildet sein, wie beispielsweise als eine Diode oder ein SR-MOSFET (Synchronous Rectifier MOSFET, Synchrongleichrichter-MOSFET). Der dritte Schalter 32i wird weiterhin als Steuerschalter bezeichnet.
Eine Betriebsart der in 6 gezeigten Wandlerzelle 3i wird anhand von 7 erläutert, die Zeitverläufe eines Steuersignals S31_i, das den zweiten Schalter 31_i steuert, eines Steuersignals S32i, das den Steuerschalter 32i steuert, und des Ausgangsstroms Ii der Wandlerzelle 3i darstellt. Das Steuersignal S31, das den zweiten Schalter 31_i steuert, wird als Versorgungsmodus-Steuersignal fortan bezeichnet und das Steuersignal S32i, das den Steuerschalter 32i steuert, wird als Stromsteuersignal bezeichnet, da dieses Steuersignal dabei hilft, den Ausgangsstrom Ii zu steuern. Das ist detaillierter nachfolgend erläutert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Steuersignal S32i ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM), das den Steuerschalter 32i in einer pulsweitenmodulierten Art (PWM) ansteuert. D.h., es gibt mehrere aufeinander folgende Ansteuerdauern, wobei in jeder Ansteuerdauer das Steuersignal S31 den Steuerschalter S32i für eine Ein-Periode T_ON einschaltet und den Steuerschalter für eine Aus-Periode T_OFF ausschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Perioden T_PWM der einzelnen Ansteuerzyklen identisch, wobei ein Tastverhältnis, das ein Verhältnis zwischen der Dauer der Ein-Periode T_ON und der Dauer T_PWM des Ansteuerzyklus ist, variieren kann. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass ein hoher Pegel des Ansteuersignals S32i gemäß 7 einen eingeschalteten Zustand des Steuerschalters 32i repräsentiert, während ein niedriger Pegel des Ansteuersignals S32i einen ausgeschalteten Zustand des Steuerschalters 32i repräsentiert. Gemäß 7 nimmt der Ausgangsstrom Ii während der Ein-Periode T_ON zu und nimmt während der Aus-Periode T_OFF ab. 7 zeigt den Zeitverlauf des Ausgangsstroms I_i im stationären Zustand der Wandlerzelle 3_i und in einem kontinuierlichen Strommodus (engl.: continuous current mode CCM). CCM ist ein Betriebsmodus, in dem der Ausgangsstrom I_i nicht auf null während der Aus-Periode T_OFF absinkt. Der durchschnittliche Ausgangsstrom I_i kann durch Variieren des Tastverhältnisses des Steuersignals S32i variiert werden. Der durchschnittliche Ausgangsstrom kann durch temporäres Erhöhen des Tastverhältnisses erhöht werden und der durchschnittliche Ausgangsstrom kann durch temporäres Verringern des Tastverhältnisses verringert werden. Das Steuersignal S32i, das den Steuerschalter 32i steuert, wird auch als Stromsteuersignal im Folgenden bezeichnet. Im stationären Zustand ist das Tastverhältnis im Wesentlichen konstant, wie beispielsweise etwa 0,25 (falls zum Beispiel n=4 und Vout ist ungefähr 1 V).
Das Betreiben der Wandlerzelle 3i im CCM ist nur ein Beispiel. Es ist auch möglich, die Wandlerzelle in einem diskontinuierlichen Strommodus (engl.: discontinuous current mode, DCM) zu betreiben, in dem der Ausgangsstrom I_i während der Aus-Periode T_OFF absinkt.
Während der Ein-Periode T_ON wird Energie magnetisch in der Spule 33i gespeichert. Während der Aus-Periode sorgt die in der Spule 33i gespeicherte Energie dafür, dass der Ausgangsstrom I_i weiterhin fließt, wobei das Freilaufelement 34i eine Freilaufstrecke bereitstellt, die es dem Ausgangsstrom I_i erlaubt, weiter zu fließen.
In der in 6 gezeigten Wandlerzelle 3i ist der Masseschalter 31_i zwischen den zweiten Eingangsknoten 14i und die Freilaufstrom-Strecke mit dem Gleichrichtelement 34i und der Spule 33i geschaltet, so dass der Freilaufstrom fließen kann, wenn der zweite Schalter 31_i ausgeschaltet wurde. Gemäß der vorangehenden Erläuterung befindet sich die Wandlerzelle 3i im Versorgungsmodus, wenn der zweite Schalter 31_i eingeschaltet wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel (in durchgezogenen Linien in 7 dargestellt) werden der Masseschalter 31_i und der Steuerschalter 32i gleichzeitig ein- und ausgeschaltet von deren entsprechenden Steuersignalen S31_i, S32i. In diesem Fall können der Masseschalter 31_i und der Steuerschalter 32i durch ein gemeinsames Steuersignal S3i gesteuert werden und die Versorgungszelle (nicht in 6 dargestellt), die mit der Wandlerzelle 3i gekoppelt ist, ist nur dann im Versorgungsmodus, wenn der Steuerschalter 32i eingeschaltet ist. Die Versorgungszelle kann zwischen aufeinanderfolgenden Ein-Zeiten des Steuerschalters 31_i wieder aufgeladen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Masseschalter 31_i eingeschaltet, bevor der Steuerschalter 32i einschaltet, so dass eine Verzögerungszeit zwischen dem Einschalten des Masseschalters 31_i und des Steuerschalters 32i vorhanden ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gibt es zwei oder mehr Ansteuerzyklen des Steuerschalters 31, bevor die zugeordnete Versorgungszelle wieder aufgeladen wird. In diesem Fall kann der Masseschalter 31_i für mehrere Ansteuerzyklen in dem eingeschalteten Zustand gehalten werden. Dies ist in gestrichelten und gepunkteten Linien in 7 dargestellt.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Masseschalter31_i als der Steuerschalter betrieben und der Steuerschalter 32i dient dazu, die elektrischen Potentiale anzugleichen. D.h., bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Masseschalter31 wie in Verbindung mit dem Steuerschalter 32i beschrieben pulsweitenmoduliert (PWM) angesteuert und der Steuerschalter 32i kann wie der zuvor beschriebene Masseschalter31_i betrieben werden. Das ist vorteilhaft, wenn das Freilaufelement 34 und der erste Schalter 31₁ als Transistoren ausgebildet sind, insbesondere als MOSFETs. In diesem Fall können diese Transistoren mittels Ansteuerspannungen gesteuert werden, die sich auf das selbe Referenzpotential beziehen können, nämlich das Potential an dem gemeinsamen Schaltungsknoten des zweiten Schalters 31_i des Freilaufelements 34i, so dass diese Ansteuerspannungen von einem gemeinsamen Treiber erzeugt werden können.
Wenn die in 6 gezeigte Diode 34i durch einen Schalter ersetzt wird, der sich wie ein Freilaufelement verhält, kann die Wandlerzelle 3i in einem Nullspannungsschaltungsmodus (engl.: zero-voltage switching mode ZVS) betrieben werden. Der Nullspannungsmodus ist insbesondere nützlich, wenn der Steuerschalter 32i ein elektronischer Schalter mit einer Ausgangskapazität ist, die sich auflädt, wenn sich der Steuerschalter 32i ausschaltet. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Wandlerzelle 3i, die einen Schalter 34i als das Freilaufelement umfasst und die einen MOSFET mit einer Ausgangskapazität Coss als den Steuerschalter 32i umfasst. Eine Betriebsart dieser Wandlerzelle 3i im Nullspannungsschaltungsmodus wird anhand von 9 erläutert, die Zeitverläufe des Ausgangsstroms Iin, des Steuersignals S32i des Steuerschalters 32i und das Steuersignal S34i des Freilaufschalters 34i zeigt.
Im Nullspannungsschaltungsmodus schaltet der Freilaufschalter 34i ein, wenn der Steuerschalter 32i ausschaltet und der Freilaufschalter 34i verbleibt im eingeschalteten Zustand bis der Ausgangsstrom Iin die Stromflussrichtung ändert (negativ wird). Dieser negative Strom magnetisiert die Spule 33i (leicht). Die Spannung im Ausgangskondensator Coss des Steuerschalters 32i entspricht im Wesentlichen der Differenz zwischen der Eingangsspannung V_i und der Ausgangsspannung Vout, wenn der Steuerschalter 32i im ausgeschalteten Zustand ist. Wenn der Freilaufschalter 34i ausschaltet, entlädt der Strom, der durch die magnetisierte Spule 33i induziert wird, den Ausgangskondensator Coss des Steuerschalters 32i, so dass der Steuerschalter 32i eingeschaltet werden kann, wenn die Spannung über dem Steuerschalter 32i im Wesentlichen null ist. Das hilft dabei Schaltungsverluste zu reduzieren.
Insbesondere wenn die Wandlerzelle 3i im DCM- oder im ZVS-Modus betrieben wird, kann die Spule mit einer geringeren Induktivität als im CCM-Modus implementiert werden. Die Schaltfrequenz des Schalters, der auf PWM-Art angesteuert wird (d.h. der Steuerschalter 32i oder der erste Schalter 31_i ), beträgt beispielsweise mehrere MHz, wie beispielsweise 10 MHz oder mehr.
Bei der in 6 gezeigten Wandlerzelle ist ein maximaler Spannungspegel der Ausgangsspannung Vout niedriger als ein Spannungspegel der Versorgungsspannung Vi. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wandlerzelle 3i, die eine Ausgangsspannung Vout mit einem höheren Spannungspegel als die Versorgungsspannung Vi erzeugen kann. Diese Wandlerzelle 3i weist eine Hochsetzstellertopologie auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Reihenschaltung mit einer Spule 33i und einem Steuerschalter 32i zwischen die Eingangsknoten 13i, 14i geschaltet. Des Weiteren ist ein Gleichrichtelement 34 zwischen einen Schaltungsknoten, den die Spule 33i und der Steuerschalter 32i gemeinsam haben, und den ersten Ausgangsknoten 15i geschaltet. Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird der Steuerschalter 32_i auf PWM-Art angesteuert, wobei Energie jedes Mal, wenn der Schalter 32 eingeschaltet wird, magnetisch in der Spule 33i gespeichert wird. Die Energie, die in der Spule 33i gespeichert ist, wird wenigstens teilweise zu den Ausgangsknoten 15_i , 16_i transferiert, wenn der Steuerschalter 32i ausgeschaltet wird. Der Steuerschalter 32i und der zweite Schalter 31_i können gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Wenn der zweite Schalter 31_i ausgeschaltet wurde, ermöglicht das weitere Gleichrichtelement 35i es dem Ausgangsstrom I_i zu fließen.
Zeitverläufe des Steuersignals S32i des Steuerschalters 32i und des Ausgangsstroms I_i sind in 11 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel fließt der Ausgangsstrom I_i nur während der Aus-Periode. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß 6 kann ein durchschnittlicher Ausgangsstrom I_i gesteuert werden, indem das Tastverhältnis des Steuersignals S32i eingestellt wird.
Jede der Wandlerzellen 3i, die zuvor erläutert wurden, kann in einem kontinuierlichen Strommodus (CCM), einem diskontinuierlichen Strommodus (DCM) oder in dem ZVS-Modus betrieben werden. Des Weiteren kann die Wandlerzelle 3i mit einer anderen Topologie als einer Tiefsetzstellertopologie (wie in den 6 und 8 gezeigt) und ebenfalls einer Hochsetzstellertopologie (wie in 10 gezeigt) ausgebildet sein. Beispiele solcher anderer Wandlerzellentopologien umfassen eine Tiefsetz-Hochsetzstellertopologie (engl.: buck-boost converter topology) oder eine Hochsetz-Tiefsetzstellertopologie (engl.: boost-buck converter topology), um nur zwei zu nennen.
12 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung 1 des in 1 gezeigten Typs veranschaulichen, wenn sie mit einer Versorgungsschaltung 2, wie sie in einer der 2 und 4 gezeigt ist, und mit mehreren Wandlerzellen 3₁ - 3_n , wie sie in einer der 6 und 8 gezeigt ist, implementiert ist. 12 zeigt Zeitverläufe der Steuersignale S31₁ - S32_n des Steuerschalters 32i einer jeden Wandlerzelle 3₁ - 3_n . Der Masseschalter 31_i kann wie zuvor erläutert gesteuert werden, d.h., der Masseschalter 31_i und der Steuerschalter 32i einer jeden Wandlerzelle 3i können gleichzeitig gesteuert werden oder der Masseschalter 31_i ist bereits im Ein-Zustand, bevor der Steuerschalter einschaltet. 12 zeigt Zeitverläufe von PWM-Steuersignalen S3₁, S3₂, S3_n, wobei jedes dieser Steuersignale den Steuerschalter (32i in 6 und 8) und den zweiten Schalter (31_i in 6 und 8) einer der Wandlerzellen 3₁ - 3_n steuert. 12 zeigt des Weiteren einen Zeitverlauf des Versorgungsschaltungssteuersignals S2, das den Lademodus der einzelnen Versorgungszellen 2₁ - 2_n steuert. In diesem Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Versorgungszellen 2₁ - 2_n im Lademodus gleichzeitig betrieben.
Gemäß 12 kann jedes der Steuersignale S3₁ - S3_n einen von einem Ein-Pegel und einem Aus-Pegel annehmen. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass ein hoher Pegel eines Steuersignals S3₁ - S3_n, der von einer Wandlerzelle 3₁ - 3_n erhalten wird, dem Ein-Pegel entspricht und den Steuerschalter (32i in 6 und 8) und den Masseschalter der Wandlerzelle 3₁ - 3_n einschaltet, während ein niedriger Pegel einem Aus-Pegel entspricht und den Steuerschalter und den Masseschalter ausschaltet. Gleichermaßen repräsentiert ein hoher Pegel des Versorgungsschaltungssteuersignals S2 einen Lademodus der Versorgungszellen 2₁ - 2_n .
Im dem Betriebsszenario, das in 12 dargestellt ist, betreibt die Steuerschaltung 4 die einzelnen Wandlerzellen 3₁ - 3_n derart, dass der Steuerschalter nur einer Wandlerzelle 31-3_n auf einmal eingeschaltet wird. D.h., Ein-Perioden T_ON1, T_ON2, T_ONn der Steuerschalter in den einzelnen Wandlerzellen 3₁ - 3_n überlappen zeitlich nicht. Gemäß der vorangehenden Erläuterung können die einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n in entweder dem DCM-Modus, dem ZVS-Modus oder dem CCM-Modus betrieben werden, wobei der ZVS-Modus die untersten Schaltverluste aufweist. In 12 ist das Steuersignal S3_n das Steuersignal der untersten Wandlerzelle 3_n , die mit der untersten Versorgungszelle 2_n gekoppelt ist. Wenn die Eingangsspannung Vin und die Ausgangspannung Vout auf das gleiche Referenzpotential bezogen sind, das heißt, wenn das erste Massepotential und das zweiten Massepotential, die oben erläutert sind, identisch sind, kann die unterste Versorgungszelle im Lademodus und im Versorgungsmodus zur gleichen Zeit betrieben werden. D.h., der Steuerschalter der untersten Wandlerzelle 3_n kann eingeschaltet werden, um Leistung von der untersten Versorgungszelle 2n zu erhalten, während der Kondensator 22_n mit dem Eingang 11, 12 gekoppelt ist. Daher können bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel die Ein-Periode T_ON des Steuerschalters der untersten Wandlerzelle 3_n und die Lademodusdauer der untersten Versorgungszelle 2_n überlappen. Eine „Lademodusdauer“ einer Versorgungszelle ist die Zeitdauer, während der die Versorgungszelle im Lademodus ist.
13 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Betriebs der Wandlerschaltung 1. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Steuerschalter der einzelnen Wandlerzellen 3₁ - 3_n im Wesentlichen gleichzeitig ein- und ausgeschaltet, so dass eine gemeinsame Ein-Dauer vorhanden ist. In diesem Ausführungsbeispiel überlappen die Lademodusdauer und die Ein-Periode T_ON der untersten Wandlerzelle 3n nicht. Die Versorgungsschaltung 2 wird nach den gemeinsamen Ein-Perioden T_ON1, T_ON2, T_ONn im Lademodus betrieben. Dieser Modus ermöglicht es, den Ausgangsstrom extrem schnell zu erhöhen. Dieser Betriebsmodus wird beispielsweise dazu genutzt, um die Ausgangsspannung Vout nach raschen Änderungen der Last wieder einzustellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 14 dargestellt ist, werden die einzelnen Wandlerzellen interlaved betrieben, so dass die Ein-Perioden T_ON1, T_ON2, T_ONn der Steuerschalter (und der zweiten Schalter) in den einzelnen Wandlerzellen 3₁ - 3_n überlappen. Wenn die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout sich auf das gleiche Massepotential beziehen, können die Lademodusdauer und die Ein-Periode T_ONn des Steuerschalters in der untersten Wandlerzelle 3_n überlappen. Jedoch kann die Lademodusdauer nur einen Teil der Ein-Periode T_ONn überlappen, indem keiner der anderen Steuerschalter eingeschaltet wird. D.h., die Lademodusdauer sollte mit keinen anderen Ein-Perioden T_ON1, T_ON2 überlappen.
Obwohl die 12 bis 14 eine Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung mit n=3 Wandlerzellen darstellen, ist der anhand dieser 12 - 14 erläuterte Betrieb nicht auf Leistungswandlerschaltungen mit n=3 Wandlerzellen beschränkt, sondem gilt für Leistungswandlerschaltungen mit nur zwei (n=2) oder mehr als drei (n>3) Wandlerzellen entsprechend.
In jedem anhand von 12 bis 14 erläuterten Ausführungsbeispiele kann die Steuerschaltung 4 die Ausgangsströme der einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n steuern, so dass der (durchschnittliche) Pegel der Ausgangsspannung Vout gleich einer vordefinierten Referenzspannung ist, oder kann die Ausgangsströme der einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n steuern, so dass der (durchschnittliche) Pegel des Ausgangsstroms Iout einem vordefinierten Referenzstrom entspricht. In einem Betriebsmodus, in dem die Wandlerzellen 3₁-3_n den Ausgangsstrom Iout steuern, kann der optionale Ausgangskondensator (in gestrichelten Linien in 1 dargestellt) weggelassen werden. Die Steuerschaltung 4 kann die einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n steuern, so dass die Steuersignale S321-S32n die gleichen Tastverhältnisse in einem Ansteuerzyklus T_PWM aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel steuert die Steuerschaltung 4 eine der Wandlerzellen wie Wandlerzelle 3₁ als eine Master-Wandlerzelle derart, dass ein Tastverhältnis des entsprechenden Steuersignals S3₁ abhängig von der Ausgangsspannung Vout (oder abhängig von dem Ausgangsstrom Iout) ist und steuert die anderen Wandlerzellen wie Wandlerzellen 3₂-3_n als Slave-Wandlerzellen derart, dass die Ausgangsströme I₂-I_n dieser anderen Wandlerzellen im Wesentlichen gleich dem Ausgangsstrom I₁ der Master-Wandlerzelle 3₁ sind. Die Ausgangsströme der Slave-Wandlerzellen können durch Einstellen des Tastverhältnisses der Steuersignale S31₁-S32_n gesteuert werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ausgangsströme I₁-I_n der einzelnen Wandlerzellen 31-3_n im Wesentlichen ausgeglichen. Die Wandlerzelle 3₁ agiert als eine Master-Wandlerzelle und die anderen Wandlerzellen 3₂-3_n agieren als Slave-Wandlerzellen in diesem Ausführungsbeispiel. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Wandlerzellen 31-3_n unabhängig voneinander gesteuert, so dass jede Wandlerzelle 3₁-3_n einen vordefinierten Ausgangsstrom dem Ausgang 17, 18 bereit stellt, wobei die Ausgangsströme I₁-I_n der einzelnen Wandlerzellen 31-3_n paarweise verschieden sein können.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Wandlerzellen 31-3_n unabhängig voneinander gesteuert, um einen gleich vordefinierten Ausgangsspannungspegel am Ausgang 17, 18 zu erzeugen.
15 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung 4, die dazu ausgebildet ist, die Leistungswandlerschaltung 1 in Übereinstimmung mit dem Betriebsszenario, das in 12 dargestellt ist, zu steuern, so dass die einzelnen Steuersignale S3₁-S3_n das gleiche Tastverhältnis aufweisen. Gemäß 15 umfasst die Steuerschaltung 4 einen PWM-Generator 41, der dazu ausgebildet ist, ein Referenzsignal S_REF und ein Ausgangssignal S_OUT, das entweder die Ausgangsspannung Vout oder den Ausgangsstrom Iout repräsentiert, zu erhalten. Der PWM-Generator 41 ist dazu ausgebildet, ein PWM-Signal S3 abhängig von dem Ausgangssignal S_OUT und dem Referenzsignal S_REF auszugeben. Im Ausführungsbeispiel gemäß 15 umfasst der PWM-Generator 41 einen Controller 411, der dazu ausgebildet ist, ein Regelsignal S411 abhängig von einem Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal S_OUT und dem Referenzsignal S_REF auszugeben. Ein Komparator 412 erhält das Regelsignal S411 und ein Sägezahnsignal S413 von einem Sägezahngenerator 413. Ein Flip-Flop 414 wird jedes Mal gesetzt, wenn eine fallende Flanke eines Sägezahnsignals S413 auftritt und wird jedes Mal zurückgesetzt, wenn Sägezahnsignal das Regelsignal S411 erreicht. Das PWM-Signal S3 ist am Ausgang des Flip-Flops 411 verfügbar. Das PWM-Signal S32 wird von dem PWM-Generator 41 erzeugt und wird als Steuersignal S3₁ in der Wandlerzelle 3₁ verwendet. Des Weiteren werden zeitverzögerte Versionen dieses PWM-Signals S3 mit einem ersten und einem zweiten Verzögerungselement 42₁ , 42₂ erzeugt, wobei das erste Verzögerungselement 42₁ das erste Steuersignal S3₁ verzögert und das Steuersignal S3₂ für die Wandlerzelle 3₂ ausgibt und das zweite Verzögerungselement 42₂ das zweite Steuersignal S32₂ verzögert und das Steuersignal S3_n zu der untersten Wandlerzelle 3_n ausgibt. Das Versorgungsschaltung S2 entspricht dem Steuersignal S3_n der untersten Wandlerzelle 3_n in diesem Ausführungsbeispiel.
Eine Betriebsart der in 15 gezeigten Steuerschaltung 4 ist in 16 dargestellt, in der Zeitverläufe des Sägezahnsignals S413, des Regelsignals S411 und der Steuersignal S3₁-S3_n dargestellt sind. Die Dauer eines Ansteuerzyklus einer Wandlerzelle ist definiert durch die Frequenz des Sägezahnsignals, wobei T_PWM=1/f_SW, wobei f_SW die Frequenz des Sägezahnsignals ist. Die Verzögerungszeit, die von jedem der Verzögerungselemente 421, 422 eingeführt wird, beträgt T_PWM/3 in einer Leistungswandlerschaltung mit n=3 Wandlerzellen. Im Allgemeinen werden n-1 Verzögerungselemente benötigt, um Endsteuersignale für n verschiedene Wandlerzellen zu erzeugen, wobei die Verzögerungszeit, die von jedem der Verzögerungselemente eingeführt wird, T_PWM/n beträgt. Die Tastverhältnisse der einzelnen Steuersignale sind identisch und hängen von einem Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal S_OUT und dem Referenzsignal S_REF ab. Der Controller 411 stellt das Regelsignal S411 bereit. Der Controller kann ein herkömmlicher P-Controller, 1-Controller, PI-Controller oder PID-Controller sein.
Optional ist das Tastverhältnis der Steuersignale S3₁-S3_n auf ein vordefiniertes maximales Tastverhältnis S_MAX beschränkt. Eine solche Begrenzung kann durch Duty-Cycle-Begrenzungsschaltung 43 durchgeführt werden, die einen Komparator 432, der dem Komparator 412 des PWM-Generators entspricht, und ein Flip-Flop 434, das dem Flip-Flop 414 des PWM-Generators 41 entspricht, umfasst. Der Komparator 432 der Begrenzungsschaltung 43 erhält ein maximales Tastverhältnissignal DC_MAX anstatt eines Regelsignals. Ein PWM-Signal S3_MAX, das von der Begrenzungsschaltung 43 ausgegeben wird, repräsentiert ein PWM-Signal mit einem maximalen Tastverhältnis. Ein optionales Logikgatter 44 erhält das maximale PWM-Signal S3_MAX und das PWM-Signal S3, das von dem PWM-Generator 32 ausgegeben wird. Das erste Steuersignal S32₁ in diesem Ausführungsbeispiel ist entweder das PWM-Signal S3, das von dem PWM-Generator 41 ausgegeben wird oder das maximale PWM-Signal S43, welches auch immer das geringere Tastverhältnis ausweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Logikgatter 44 ein UND-Gatter.
In der in 2 gezeigten Versorgungsschaltung werden die einzelnen Versorgungszellen 2₁-2_n gleichzeitig im Lademodus betrieben. 17 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Versorgungsschaltung 2, bei der die einzelnen Versorgungszellen 2₁-2_n im Lademodus unabhängig voneinander betrieben werden können. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Versorgungsschaltung 2 mehrere zweite kapazitive Speicherelemente (Kondensatoren) 25₁-25_n, die in Reihe zwischen die Eingangsknoten 11, 12 geschaltet sind. Jeder dieser zweiten Kondensatoren 25₁-25_n ist parallel mit einer der Versorgungszellen 2₁-2_n geschaltet, wobei die einzelnen Versorgungszellen 2₁-2_n in Reihe zwischen die Eingangsknoten 11, 12 geschaltet sind. Wie bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst jede der Versorgungszellen 2₁-2_n einen Kondensator 22₁-22_n und einen ersten Schalter 21₁-21_n , der in Reihe mit dem Kondensator 22₁-22_n geschaltet ist. Des Weiteren umfasst jede Versorgungszelle 2₁-2_n eine Spule 23₁-23_n , die in Reihe mit dem Kondensator 22₁-22_n und dem ersten Schalter 21₁-21_n geschaltet ist. Des Weiteren umfasst jede Versorgungszelle 21₁-21_n außer der untersten Versorgungszelle 2_n einen weiteren Schalter 24₁-24_n , der in Reihe mit dem Kondensator 22₁-22_n , dem ersten Schalter 21₁-21_n und der Spule 23₁-23_n geschaltet ist. Die Reihenschaltung mit dem Kondensator, dem ersten Schalter, der Spule und dem weiteren Schalter einer der Versorgungszellen 2₁-2_n ist parallel mit dem zweiten Kondensator 25₁-25_n geschaltet, der mit der entsprechenden Versorgungszelle 2₁-2_n gekoppelt ist.
Der weitere Schalter 24_n der untersten Versorgungszelle 2_n ist optional. In jeder der Versorgungszellen 2₁-2_n , die einen ersten Schalter 21₁-21_n und einen weiteren Schalter 24₁-24_n umfasst, ist der Kondensator 22₁-22_n zwischen diese Schalter geschaltet. Die Versorgungsspannung V₁-V_n, die von den einzelnen Versorgungszellen 2₁-2_n bereitgestellt wird, ist die Spannung über dem Kondensator 22₁-22_n der jeweiligen Versorgungszelle 2₁-2_n . Bei der in 17 gezeigten Versorgungsschaltung 2 stellt jeder dieser zweiten Kondensatoren 25₁-25_n eine Eingangsspannung Vin₁-Vin_n bereit, um eine Versorgungszelle 2₁-2_n zu versorgen. Die Spannungspegel der einzelnen Eingangsspannungen Vin₁-Vin_n hängen von der gesamten Eingangsspannung Vin zwischen die Eingangsknoten 11, 12 ab und hängen von den Kapazitäten der einzelnen zweiten Kondensatoren 25₁-25_n ab. Gemäß einen Ausführungsbeispiel sind die Kapazitäten der einzelnen zweiten Kondensatoren 25₁-25_n im Wesentlichen gleich. In diesem Fall sind die einzelnen Eingangsspannungen Vin₁-Vin_n gleich und entsprechend Vin/n.
Die Spulen 23₁-23_n der einzelnen Versorgungszellen 2₁-2_n sind optional. Wie im Ausführungsbeispiel, das anhand von 4 erläutert wurde, helfen diese Spulen dabei, hohe Einschaltströme in dem ersten Kondensatoren 22₁-22_n der einzelnen Versorgungszellen 2₁-2_n zu vermeiden. Es ist auch möglich einige Versorgungszellen 2₁-2_n mit einer Spule zu implementieren und andere der Versorgungszellen 2₁-2_n ohne eine Spule zu implementieren.
Die einzelnen Versorgungszellen 2₁-2_n können auf gleiche Weise betrieben werden ist identisch. Eine Betriebsart einer Versorgungszelle 2 (wobei das Bezugszeichen 2 eine der Versorgungszellen 2₁-2_n bezeichnet) ist nachfolgend erläutert. Die Versorgungszelle 2 wird im Lademodus betrieben, wenn der erste Schalter 21 und der zweite Schalter 24 eingeschaltet sind. In diesem Fall ist der erste Kondensator 22 parallel mit dem zweiten Kondensator 25 geschaltet, so dass der zweite Kondensator 22 auf die Versorgungsspannung, die von dem zweiten Kondensator 25 bereitgestellt wird, geladen wird (oder durch die Spulen 23₁-23_n auf eine Spannung, die höher ist als diese Versorgungsspannung). Am Ende des Lademodus werden der erste Schalter 21 und der weitere Schalter 24 ausgeschaltet. Nach der Ladephase kann der erste Kondensator 22 im Versorgungsmodus betrieben werden. Zu diesem Zweck ist der zweite Kondensator 22 mit dem zweiten Ausgangsknoten 18 über den zweiten Schalter 31 der Wandlerzelle 3 gekoppelt, die mit der Versorgungszelle 2 gekoppelt ist.
Die weiteren Schalter 24₁-24_n der Versorgungszellen 2₁-2_n schützen die zweiten Kondensatoren 25₁-25_n davor, entladen zu werden, wenn die Versorgungszelle 2₁-2_n im Versorgungsmodus betrieben wird. Die unterste Versorgungszelle 2_n kann zur gleichen Zeit im Lademodus und Versorgungsmodus betrieben werden, wenn der zweite Eingangsknoten 12 und der zweite Ausgangsknoten 18 sich auf das gleiche Massepotenzial beziehen. Wenn sich der zweite Eingangsknoten 12 und der zweite Ausgangsknoten 18 auf unterschiedliche Referenzpotenziale beziehen, umfasst die unterste Versorgungszelle 2₁ den weiteren Schalter 24_n , und die Wandlerzelle 3_n , die mit der untersten Versorgungszelle 2 _n gekoppelt ist, umfasst den Masseschalter 31_n .
Eine Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung, die eine Versorgungschaltung 2 des in 17 gezeigten Typs umfasst, wird nachfolgend anhand von 18 erläutert. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass die Versorgungsschaltung 2 n=6 Versorgungszellen umfasst, wobei jede dieser Versorgungszellen eine von n=6 Wandlerzellen bereitstellt. 18 zeigt Zeitverläufe von den Steuersignalen S32₁-S32_n, wobei jedes dieser Steuersignale den Steuerschalter an einem der Wandlerzellen steuert. Des Weiteren sind Zeitverläufe von Versorgungsschaltungssteuersignalen S2₁-S2_n dargestellt. Jedes dieser Versorgungsschaltungssteuersignale S2₁-S2_n steuert den Betrieb einer der Versorgungszellen 2₁-2_n , wobei das Versorgungsschaltungssteuersignal S2₁ den Betrieb der Versorgungszellen 2₁-2_n steuert, wobei das Versorgungsschaltungssteuersignal S2₁ den Betrieb der Versorgungszelle 2₁ steuert, die mit der Wandlerzelle 3₁ gekoppelt ist, die das Steuersignal S3₁ erhält, das Versorgungsschaltungssteuersignal S2₂ den Betrieb der Versorgungszelle 2₂ steuert, die mit der Wandlerzelle 3₂ gekoppelt ist, die das Steuersignal S3₂ erhält, und so weiter.
Bei dem in 18 gezeigten Ausführungsbeispiel repräsentiert ein hoher Pegel eines Versorgungsschaltungssteuersignals S2₁-S2_n einen Lademodus der entsprechenden Versorgungszelle 2₁-2_n und ein hoher Pegel eines Wandlersteuersignals S3₁-S3_n repräsentiert eine Zeitdauer, in der eine Wandlerzelle 3₁-3_n Energie von einer entsprechenden Versorgungszelle 2₁-2_n erhält. D.h., ein hoher Pegel eines Wandlersteuersignals S3₁-S3_n repräsentiert den Versorgungsmodus der entsprechenden Versorgungszelle 2₁-2_n .
Bei dem in 18 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Wandlerzellen interleaved betrieben, wobei jede Versorgungszelle wieder aufgeladen wird, nachdem der Steuerschalter der zugehörigen Ansteuerzelle ausgeschaltet wurde. D.h., ein Versorgungsschaltungssteuersignal S2₁-S2_n wechselt auf einen Signalpegel (einen hohen Pegel im vorliegenden Ausführungsbeispiel), der die entsprechende Versorgungszelle 2₁-2_n im Lademodus betreibt, nachdem das Steuersignal S32₁-S32_n der Wandlerzelle 3₁-3_n , die mit der Versorgungszelle gekoppelt ist, auf einen Aus-Pegel wechselt. Die Dauer des Ladezyklus ist wenigstens die Dauer in der der Steuerschalter 32i der entsprechenden Wandlerzelle 3i im ausgeschalteten Zustand ist.
19 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung. Diese Leistungswandlerschaltung ist eine Kombination der Leistungswandlerschaltungen, die anhand der 2 und 17 erläutert wurden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 19, sind m zwei von den Kondensatoren 25₁ , 25_m zwischen die Eingangsknoten 11, 12 geschaltet, wobei jeder dieser zweiten Kondensatoren 25₁ , 25_m parallel mit einer Reihenschaltung, die einige der mehreren Versorgungszellen 2₁-2_n umfasst, geschaltet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 19 sind zwei zweite Kondensatoren 25₁-25_m zwischen die Eingangsknoten 11, 12 geschaltet und eine Reihenschaltung mit drei Versorgungszellen ist parallel mit jedem zweiten Kondensator 25₁ , 25_m geschaltet. Jede der Versorgungszellen umfasst einen ersten Kondensator 25₁-25_n und einen ersten Schalter 21₁ , 21_n . Optional ist eine Spule 23₁ , 23_n in Reihe mit jeder dieser Versorgungszellenreihenschaltungen geschaltet. Jeder der Versorgungszellenreihenschaltungen ist parallel mit einem zweiten Kondensator 25₁ , 25_m geschaltet, der eine unterste Versorgungszelle aufweist, welche der Versorgungszelle 2₃ in der Reihenschaltung, die parallel mit dem zweiten Kondensator 25₁ geschaltet ist, entspricht, welche der Versorgungszelle 2_n in der Reihenschaltung, die parallel mit dem zweiten Kondensator 25_m geschaltet ist, entspricht. Die Versorgungszelle 2_n ist die unterste Versorgungszelle der gesamten Reihenschaltung. Ein weiterer Schalter 24₁ , 24_m ist zwischen die unterste Versorgungszelle 2₃ , 2_n von jeder Reihenschaltung geschaltet, die mit einem zweiten Kondensator 25₁-25_m parallel geschaltet ist, wobei der weitere Schalter 24_m , der mit der untersten Versorgungszelle 2_n der gesamten Versorgungszellenreihenschaltung 2₁-2_n verbunden ist, optional ist.
Bei der in 19 gezeigten Versorgungsschaltung 2 werden die Versorgungszellen, die mit einem zweiten Kondensator 25₁ , 25_m gekoppelt sind, gleichzeitig im Lademodus betrieben und können unabhängig im Versorgungsmodus betrieben werden. 20 veranschaulicht Zeitverläufe, die eine Betriebsart der in 19 gezeigten Leistungswandlerschaltung 18 veranschaulichen. In 20 bezeichnet S2₁ das Versorgungsschaltungssteuersignal, das den Lademodus der Versorgungszellen 2₁-2₃ der ersten Reihenschaltung steuert, S2_m bezeichnet das Versorgungsschaltungssteuersignal, das den Lademodus der Versorgungszellen 2₃-2_n der ersten Reihenschaltung steuert und S2_m bezeichnet das Versorgungsschaltungssteuersignal, das den Lademodus der Versorgungszellen 2₃-2_n der zweiten Reihenschaltung steuert. S3₁-S3_n bezeichnet das Wandlersteuersignal der einzelnen Wandlerzellen, die mit den Versorgungszellen verbunden sind. Gemäß 20 können die einzelnen Wandlerzellen interleaved betrieben. Ein Tastzyklus beträgt im Wesentlichen D=0,5 im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Versorgungszellen 2₁-2_n der ersten Reihenschaltung werden wieder aufgeladen, nach dem eine Aktivierungssequenz aktiviert wurde, in der jeder der Wandlerzellen 3₁-3_n , die mit den Versorgungszellen 2₁-2_n der ersten Reihenschaltung gekoppelt sind, und die Versorgungszellen 2₄-2_n der zweiten Reihenschaltung werden nach einer Aktivierungssequenz wieder aufgeladen, in der jede der Wandlerzellen 3₄-3_n, die mit den Versorgungszellen 2₄-2_n der zweiten Reihenschaltung verbunden ist, aktiviert wurde.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Leistungswandlerschaltung 1 m=2 zweite Kondensatoren 25₁-25_n und eine Reihenschaltung mit drei Versorgungszellen, die parallel mit jedem zweiten Kondensator 25₁-25_m geschaltet sind. Dies führt zu einer Gesamtzahl von 6 (=m x 3) Versorgungszellen. Jedoch ist das nur ein Beispiel. Die Zahl der zweiten Kondensatoren 25₁-25_m ist nicht auf m=2 beschränkt. Mehr als m=2 zweite Kondensatoren 25₁-25_m können ebenfalls genutzt werden und eine Reihenschaltung mit zwei oder mehr Versorgungszellen kann parallel mit jedem zweiten Kondensator 25₁-25_m geschaltet sein.
In den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen wird jede der Versorgungszellen 3i mindestens einmal im Versorgungsmodus zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ladenzyklen betrieben. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Es ist ebenfalls möglich, wenn beispielsweise eine Leistungsaufnahme einer Last Z sehr niedrig ist (Leichtlastbetrieb), eine oder mehrere Wandlerzellen zwischen zwei Ladezyklen zu deaktivieren. „Deaktivieren“ bedeutet, dass die entsprechende Wandlerzelle 3i nicht im Versorgungsmodus in der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ladezyklen betrieben wird, obwohl der entsprechende Kondensator 22i geladen wurde. Die wenigstens eine deaktivierte Wandlerzelle 3i kann sich zyklisch von Ladezyklus zu Ladezyklus ändern.
Die zuvor erläuterte Leistungswandlerschaltung kann mit elektronischen Schaltern ausgebildet sein, die verschiedene Spannungsfestigkeiten aufweisen. Der zweite Schalter 31₁ der Wandlerzelle 3₁ , die mit der obersten Versorgungszelle 2₁ verbunden ist, benötigt die höchste Spannungsfestigkeit, welche V₂+V_n im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist. Im Allgemeinen beträgt die Spannungsfestigkeit V31_MAXi eines zweiten Schalters 31_i mindestens: $V 31_{M A X i} = \sum_{k = i + 1}^{n} V_{k}$
Im Versorgungsmodus ist die maximale Spannung über dem Steuerschalter 32i einer Wandlerzelle im Wesentlichen die Differenz zwischen der Eingangsspannung Vi der Wandlerzelle 3i und der Ausgangsspannung Vout. Im Lademodus ist die maximale Spannung über den Steuerschaltern 32i jedoch höher und abhängig von der Wandlerzelle 3i, in der der Steuerschalter 32i implementiert ist. Beispielsweise ist die maximale Spannung V32_MAX1 über dem Steuerschalter 32₁ der ersten Wandlerzelle 3i (V₁+V₂+V_n)-Vout=Vin-Vout. Allgemein ist die maximale (statische) Spannung V32_MAXi über einem Steuerschalter 32i im Wesentlichen $V 32_{M a x i} = \sum_{k = i}^{n} V_{k} - V o u t$
Die maximalen Spannungen über den Freilaufelementen 34i entsprechen der Ausgangsspannung Vout.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Versorgungszelle 2, die einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n und optional die Spulen 33_I in einem ersten Halbleiterchip integriert und die Steuerschaltung 4 ist in einem zweiten Halbleiterchip integriert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 4 in einer CMOS Technologie integriert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die ersten Schalter 31₁-31_n der einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n als Schalter (Transistor) mit einer niedrigeren Spannungsfestigkeit implementiert. 21 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Schalters 32i. Dieser zweite Schalter 32i umfasst einen ersten Transistor 32ii und wenigstens einen zweiten Transistor 32_i2 , 32_i3 , nämlich zwei zweite Transistoren 32_i2 , 32_i3 in diesem Ausführungsbeispiel. Der erste Transistor 32ii und der wenigstens eine zweite Transistor 32_i2 , 32_i3 sind in Reihe geschaltet. Der erste Transistor 32ii erhält das Steuersignal S3i und schaltet sich ein oder aus abhängig von dem Steuersignal S3i. Die zweiten Transistoren 32_i2 , 32_i3 sind derart verbunden, dass jeder dieser Transistoren die Laststreckenspannung des ersten Transistors 32ii oder die Laststreckenspannung eines anderen zweiten Transistors als Ansteuerspannung erhält. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Laststreckenspannung eines der ersten und zweiten Transistoren die Drain-Source-Spannung V32_i1, V32_i2, V32_i3 des Transistors und die Ansteuerspannung ist die Gate-Source-Spannung (die Spannung zwischen den Gate- und Sourceanschlüssen). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erhält ein erster 32_i2 der zweiten Transistoren die Laststreckenspannung V32ii des ersten Transistors als Ansteuerspannung und ein zweiter 32i3 der zweiten Transistoren erhält die Laststreckenspannung V32_i2 des zweiten Transistors 32_i2 als eine Ansteuerspannung.
Der Betriebszustand des ersten Transistors 32ii regelt den Betriebszustand des ersten Schalters 32ii. D.h., der erste Schalter 32ii wird eingeschaltet, wenn der erste Transistor 32ii eingeschaltet wird und der erste Schalter 32ii wird ausgeschaltet, wenn der erste Transistor 32ii ausgeschaltet wird. Die zweiten Transistoren sind derart ausgebildet, dass der Transistor 32_i2 ausschaltet, wenn der erste Transistor 32ii ausschaltet und eine Laststreckenspannung des ersten Transistors 32_i1 zunimmt. Wenn der Transistor 32_i2 ausschaltet, nimmt die Laststreckenspannung dieses Transistors zu, so dass Transistor 32_i3 ausgeschaltet wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Transistor 32ii als Anreicherungs-MOSFET (selbstsperrend) ausgebildet und die zweiten Transistoren 32_i2 , 32_i3 sind als Verarmungs-MOSFETs (selbstleitend) oder als Junction-FETs (JFETs) ausgebildet.
Die gesamte Spannungsfestigkeit des zweiten Schalters 32i, der in 21 dargestellt ist, hängt von den Spannungsfestigkeiten der einzelnen Transistoren 32_i1-32_i3 ab, die in Reihe geschaltet sind und hängt von der Zahl der zweiten Transistoren 32_i2-32_i3 ab, die in Reihe mit dem ersten Transistor 32ii geschaltet sind, wobei die Spannungsfestigkeit mit der Zahl der Transistoren 32_i2-32_i3 , die in Reihe geschaltet sind, zunimmt. Daher können durch simples variieren der Zahl der zweiten Transistoren 32_i1-32_i3, die in Reihe mit dem ersten Transistor 32_i1 geschaltet sind, erste Schalter 32_i mit verschiedenen Spannungsfestigkeiten realisiert werden.
Bezug nehmend auf die obige Erläuterung haben bei einer Leistungswandlerschaltung, wie sie in 2 gezeigt ist, die ersten Eingangsknoten 13₁-13_n der einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n nach dem Ladezyklus unterschiedliche elektrische Potentiale. Ein elektrisches Potential P13₁ am ersten Eingangsknoten 13₁ der obersten Wandlerzelle 3₁ ist beispielsweise Vin relativ zu dem ersten Massepotential (dem elektrischen Potential an dem zweiten Eingangsknoten 12). Das elektrische Potential an dem ersten Eingangsknoten 13₂ der ersten Wandlerzelle 3₂ ist Vin-Vi, und so weiter. Allgemein ist bei einer Leistungswandlerschaltung mit n Wandlerzellen, bei der die Kapazitäten der ersten Kondensatoren 22₁-22_n so gewählt sind, dass die Eingangsspannungen V₁-V_n der einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n im Wesentlichen gleich (Vin/n) sind, die elektrischen Potentiale P13i am ersten Eingangsknoten 13i einer beliebigen Wandlerzelle 3i gegeben durch: $P 3_{i} = \frac{V i n}{n} (n + 1 - i)$
Wenn beispielsweise die Wandlerzellen 3₁-3_n mit einer Tiefsetzstellertopologie realisiert sind, wie sie in 6 gezeigt ist, und die Wandlerzellen 3₁-3_n nach einem Ladezyklus in einer Reihenfolge aktiviert werden, wie sie in 12 gezeigt ist, sind die Spannungen über den Steuerschaltern (32i in 6) der einzelnen Wandlerzellen 3 i-3_n unmittelbar vor Einschalten des jeweiligen Steuerschalters unterschiedlich. Wenn beispielsweise das erste Massepotential (das elektrische Potential an dem zweiten Eingangsknoten 12) gleich dem zweiten Massepotential (dem elektrischen Potential an dem zweiten Ausgangsknoten 18) ist, ist die Spannung über dem Steuerschalter in der ersten Wandlerzelle 3₁ $P 13_{1} - V o u t = V i n - V o u t$
die Spannung über dem Steuerschaltung der zweiten Wandlerzelle 3₂ ist $\frac{(n - 1) V i n}{n} - V o u t$
und so weiter. Die Spannung über dem Steuerschalter 32i kurz vor Einschalten des Steuerschalters 32i beeinflusst die Schaltverluste, wobei die Schaltverluste umso höher sind, je höher die Spannung über dem Steuerschalter 32i vor dem Einschalten des Steuerschalters ist. Außerdem wird umso mehr Energie benötigt, um das oben erläuterte Nullspannungsschalten (zero voltage switching, ZVS) zu erreichen, je höher die Spannung über dem Steuerschalter 32i ist.
Es kann daher wünschenswert sein, die Leistungswandlerschaltung so zu betreiben, dass die Spannungen über den Steuerschaltern in den einzelnen Wandlerzellen 31-3_n unmittelbar vor Einschalten des jeweiligen Steuerschalters so gering wie möglich sind.
22 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Ansteuerschemas, das für niedrigere Spannungen über den Steuerschaltern wenigstens einiger der Wandlerzellen 3₁-3_n als das anhand von 12 erläuterte Ansteuerschema sorgt. Das in 22 gezeigte Ansteuerschema basiert auf einer Leistungswandlerschaltung des in 2 gezeigten Typs, mit n=6 Wandlerzellen. 6 zeigt Zeitdiagramme des Versorgungsschaltungssteuersignals s, des Masseschaltersteuersignals S31₁-S31_n und der elektrischen Potentiale P31₁-P31_n an den ersten Eingangsknoten 13₁-13_n der einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n . Das in 22 gezeigte Ansteuerschema hat den Effekt, dass die Spannung über dem Steuerschalter jeder Wandlerzelle, außer der untersten Wandlerzelle 3_n , unmittelbar vor Einschalten des jeweiligen Steuerschalters 2Vin/n-Vout ist, während die Spannung über dem Steuerschalter der untersten Wandlerzelle 3_n unmittelbar vor dem Einschalten des Steuerschalters Vin/n-Vout ist.
Die in 22 gezeigten Zeitdiagramme beginnen mit dem Ladezyklus. Während des Ladezyklus sind die ersten Kondensatoren (22₁-22_n in 2) in der Versorgungsschaltung 2 geladen, so dass die Spannungen über diesen Kondensatoren 22₁-22_n zunehmen. Entsprechend nehmen die elektrischen Potentiale P13₁-P13_n an den ersten Eingangsknoten 13₁-13_n der einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n zu. Ein solcher Anstieg ist in 22 schematisch gezeigt. Am Ende des Ansteuerzyklus ist jedes der elektrischen Potentiale P13₁-P13_n an den ersten Eingangsknoten 13₁-13_n durch Gleichung (6) gegeben.
Das in 22 gezeigte Ansteuerschema ist derart, dass vor dem Einschalten des Steuerschalters einiger der Wandlerzellen 3₁-3_n das elektrische Potential P31₁-P31_n an dem ersten Eingangsknoten durch Einschalten des Masseschalters wenigstens einer anderen Wandlerzelle reduziert wird. In dem speziellen, in 22 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die elektrischen Potentiale P31₁-P31₄ an den ersten Eingangsknoten der Wandlerzellen 3₁-3₄ durch Einschalten des Masseschalters wenigstens einer Wandlerzelle, die zwischen der jeweiligen Wandlerzellen und den zweiten Eingangsknoten 12 bzw. den zweiten Ausgangsknoten 18 geschaltet ist, reduziert. Dies ist nachfolgend erläutert.
Bei dem in 22 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Wandlerzellen nach dem Ladezyklus in der folgenden Reihenfolge aktiviert: 3₅-3₄-3₃-3₂-3₁-3_n . Gemäß einem Ausführungsbeispiel bedeutet „Aktivieren einer Wandlerzelle“ das Einschalten des Masseschalters (31₁-31_n ) und des Steuerschalters (32_i in 6) der jeweiligen Wandlerzelle 3₁-3_n . Jedes Mal, wenn eine der Wandlerzellen 3₂-3₅ aktiviert wird, sinkt das elektrische Potential P31₁ am ersten Eingangsknoten 13₁ der ersten Wandlerzelle 3₁ ab, so dass dieses elektrische Potential auf 2Vin/n abgesunken ist unmittelbar bevor diese Wandlerzelle 3₁ aktiviert wird. Entsprechend sinkt das elektrische Potential P13₂ an dem ersten Eingangsknoten 13₂ der zweiten Wandlerzelle 3₂ jedes Mal dann ab, wenn eine der Wandlerzellen 3 ₃-3₅ aktiviert wird, so dass dieses elektrische Potential P13₂ auf 2Vin/n abgesunken ist unmittelbar bevor diese Wandlerzelle 3₂ aktiviert wird, und so weiter. Das elektrische Potential P13₅ an dem ersten Eingangsknoten der fünften Wandlerzelle (die Wandlerzelle benachbart zu der untersten Wandlerzelle 3_n ) ist 2Vin/n unmittelbar ab nach dem Ladezyklus, und das elektrische Potential P13_n an dem ersten Eingangsknoten der untersten Wandlerzelle 13_n ist Vin/n unmittelbar ab nach dem Ladezyklus. In jedem Fall verbleibt, nachdem eine Wandlerzelle aktiviert wurde, das elektrische Potential an dem jeweiligen ersten Eingangsknoten 13i bei Vin/n (oder darunter, da der jeweilige Kondensator 22i während der Aktivierungsphase entladen werden kann) bis zum nächsten Ladezyklus.
Das Absinken des elektrischen Potentials P13i an dem ersten Eingangsknoten 13i einer beliebigen Wandlerzelle 3i durch Einschalten des Masseschalters einer anderen Wandlerzelle, die zwischen der Wandlerzelle 3i und der untersten Wandlerzelle 3_n angeordnet ist, ist unten anhand von 23 erläutert. 23 zeigt nur die Versorgungsschaltung 2 in einer Leistungswandlerschaltung mit n=6 Wandlerzellen, die ersten und zweiten Eingangsknoten 13₁-13_n , 14₁-14_n und die Masseschalter 31₁-31_n der jeweiligen Wandlerzellen. Bezug nehmend auf 23 hat jeder der ersten Schalter 21₁-21_n der Versorgungsschaltung 2 eine parasitäre Kapazität parallel zu dem tatsächlichen Schalter. Wenn die ersten Schalter 21₁-21_n beispielsweise als MOSFETs realisiert sind, sind diese parasitären Kapazitäten Drain-Source-Kapazitäten der MOSFETs. Während des Ladezyklus, wenn die ersten Schalter eingeschaltet sind, bilden die ersten Kondensatoren 22₁-22_n einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen dem ersten Eingangsknoten 11 und dem zweiten Eingangsknoten 12. Während des Ladezyklus werden die parasitären Kapazitäten der ersten Schalter 21₁-21_n entladen.
Nach dem Ladezyklus bilden die ersten Kondensatoren 22₁-22_n und die parasitären Kapazitäten der ersten Schalter 21₁-21_n einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen dem ersten Eingangsknoten 11 und dem zweiten Eingangsknoten 12, wobei die Wandlerzellen 31-3_n Energie aus den einzelnen Kondensatoren 22₁-22_n aufnehmen können und die Energie an den Ausgang übertragen können.
Jedes Mal, wenn das elektrische Potential eines Schaltungsknotens in diesem kapazitiven Spannungsteiler durch Einschalten eines der Masseschalter 31₁-31₅ auf Masse gezogen wird, werden die elektrischen Potentiale P13i vom ersten Eingangsknoten, die zwischen diesem Schaltungsknoten und dem ersten Eingangsknoten 11 angeordnet sind, entsprechend nach unten gezogen. Wenn beispielsweise nach dem Ladezyklus das elektrische Potential an dem zweiten Eingangsknoten 14₅ der Wandlerzelle 3₅ durch Einschalten des Masseschalters 31₅ dieser Wandlerzelle 3₅ auf Masse gezogen wird, sinkt das elektrische Potential an diesem Schaltungsknoten 14₅ von V_n auf Null ab. Entsprechend werden die elektrischen Potentiale an dem ersten Eingangskonten 13₁ , 13₂ , 13₃ , 13₄ um Vn reduziert, wobei Vn gleich Vin/n ist, wenn die Eingangsspannung V₁-V_n nach dem Ladezyklus im Wesentlichen gleich sind. Nachdem der Masseschalter 31₅ ausgeschaltet (geöffnet) ist, werden die elektrischen Potentiale an den ersten Eingangsknoten 13₁-13₄ auf diesen reduzierten Pegeln gehalten. Wenn die elektrischen Potentiale an diesem Schaltungsknoten 13₁-13₄ nach unten gezogen werden, steigt die Spannung über dem obersten ersten Schalter 21₁ an.
Wenn die ersten Schalter 21₁-21_n als MOSFETs realisiert sind, umfassen sie eine interne Diode (Bodydiode) parallel zu dem tatsächlichen Schalter. Diese Dioden sind in 23 ebenfalls gezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der oberste erste Schalter 21₁ so verschaltet, dass die Bodydiode, wie in 23 gezeigt, orientiert ist. In diesem Fall ist die Kathode dem ersten Eingangsknoten 11 zugewandt, so dass nach dem Ladezyklus das elektrische Potential an den ersten Eingangsknoten 13₁ des obersten (ersten) Wandlers 3₁ unter das elektrische Potential an dem ersten Eingangsknoten 11 der Leistungswandlerschaltung fallen kann. Die anderen ersten Schalter 212-21_n können so verschaltet sein, dass deren Bodydioden entgegen gesetzt (antiseriell) zu der Orientierung der Bodydiode in dem ersten Schalter 21₁ orientiert sind. Das heißt, die Kathoden der Bodydioden in diesen Schaltern 21₂-21_n sind dem zweiten Eingangsknoten 12 der Leistungswandlerschaltung zugewandt. Damit verhindern diese Dioden, dass die Kondensatoren 22₁-22_n entladen werden, wenn ein anderer Masseschalter als der Masseschalter der zugeordneten Wandlerzelle geschlossen wird. Wenn beispielsweise der Masseschalter 31₁ der ersten Wandlerzelle 3₁ einschaltet, ist die Polarität der Dioden in den ersten Schaltern 21₂-21_n so, dass die Kondensatoren 22₂-22_n über diese Dioden und den Masseschalter 31₁ nicht entladen werden können.
Bei dem in 22 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das elektrische Potential an den ersten Eingangsknoten jeder Wandlerzelle 3₁-3₄ außer der untersten Wandlerzelle 3_n und der direkt zu der untersten Wandlerzelle 3_n benachbarten Wandlerzelle reduziert (nach unten gezogen) unmittelbar vor Aktivieren der jeweiligen Wandlerzelle 3₁-3₄ . Die Wandlerzelle unmittelbar benachbart zu der untersten Wandlerzelle 3_n ist bei dem in 23 gezeigten Ausführungsbeispiel die Wandlerzelle 3₅ und allgemein die Wandlerzelle 3_n-1 . Das Reduzieren des elektrischen Potentials an dem ersten Eingangsknoten einer Wandlerzelle umfasst das Einschalten des Masseschalters einer anderen Wandlerzelle, die zwischen der jeweiligen Wandlerzelle und der untersten Wandlerzelle 3_n angeordnet ist. Allgemein umfasst das Reduzieren des elektrischen Potentials an dem ersten Eingangsknoten 13i einer Wandlerzelle, wobei bei dem in 23 gezeigten Ausführungsbeispiel i eines von 1, 2, 3, 4 ist, das Einschalten des Masseschalters wenigstens einer anderen Wandlerzelle 3_k , wobei k bei dem in 23 gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen i-1 bis 5 ausgewählt ist.
Bei dem in 22 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die unterste Wandlerzelle 3_n nach der obersten (ersten) Wandlerzelle 3₁ und vor dem Ladezyklus aktiviert. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Die Aktivierung der untersten Wandlerzelle 3_n kann an einer beliebigen Position in der Aktivierungssequenz eingeschoben werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) wird die unterste Wandlerzelle 3_n direkt nach dem Ladezyklus aktiviert. In diesem Fall folgt der Ladezyklus einer neuen Aktivierungssequenz direkt der Aktivierungsperiode der obersten (ersten) Wandlerzelle 3₁.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel überlappen die Aktivierungsperioden der einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n nicht. Das heißt, nur eine der mehreren Wandlerzellen 3₁-3_n ist zum selben Zeitpunkt aktiviert. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die unterste Wandlerzelle 3_n zusammen mit einer der anderen Wandlerzellen aktiviert, das heißt, mit einer der Wandlerzellen 3₁-3_n-1 .
24A ist eine andere Darstellung des in 22 gezeigten Ansteuerschemas. 24A veranschaulicht die Reihenfolge, in der die einzelnen Wandlerzellen 3₁-3_n nach dem Ladezyklus aktiviert werden. Diese Reihenfolge ist 3₅-3₄-3₃-3₂-3 i-3_n bei dem in 24A gezeigten Ausführungsbeispiel. 24B zeigt eine Modifikation des in den 22 und 24A gezeigten Ansteuerschemas. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die unterste Wandlerzelle 3_n direkt nach dem Ladezyklus aktiviert, so dass ein Ladezyklus einer darauf folgenden Ansteuersequenz direkt der Aktivierungsperiode der obersten Wandlerzelle 3₁ folgt. In den 24A und 24B bezeichnet „CH“ den Ladezyklus.
Bezug nehmend auf das oben stehende kann das Aktivieren einer 3i der mehreren Wandlerzellen das Betreiben des Masseschalters 31_i und des Steuerschalters 32i der jeweiligen Wandlerzelle 3i in einer PWM-Weise umfassen, wobei der Duty-Cycle in oben erläuterter Weise geregelt werden kann, um eines von der Ausgangsspannung Vout und dem Ausgangsstrom Iout zu regeln. Während einer Aktivierungsperiode kann ein PWM-Ansteuerzyklus (eine Ein-Periode) des Steuerschalters 32i vorhanden sein oder es können mehrere PWM-Ansteuerzyklen vorhanden sein.
25 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ansteuerschemas. Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt es nach einem Ansteuerzyklus eine Massesequenz, in der jeder der Masseschalter einmal eingeschaltet wird, um die zweiten Eingangsknoten 14₁-14_n-1 auf Masse zu legen, um die elektrischen Potentiale an den ersten Eingangsknoten 13₁-13_n-1 auf 2Vin/n zu ziehen. Nach dieser Massesequenz gibt es eine Aktivierungssequenz, in der jede der Wandlerzellen 3₁-3_n-1 einmal aktiviert wird, wobei das Aktivieren einer Wandlerzelle das Einschalten des Masseschalters und des Steuerschalters der jeweiligen Wandlerzelle umfasst. In der Massesequenz können die Masseschalter 31₁-31_n-1 in einer beliebigen Reihenfolge eingeschaltet werden, das heißt, die Reihenfolge des Einschaltens dieser Masseschalter ist nicht auf die in 25 gezeigte Reihenfolge beschränkt. Außerdem können nach der Massesequenz die Wandlerzellen 3 i-3_n in einer beliebigen Reihenfolge aktiviert werden, das heißt, die Reihenfolge des Aktivierens der Wandlerzellen 3₁-3_n ist nicht auf die in 25 gezeigte Reihenfolge beschränkt. Die unterste Wandlerzelle 3_n kann in dieser Sequenz zu einer beliebigen Zeit aktiviert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das elektrische Potential an dem ersten Eingangsknoten 13₁-13_n jeder Wandlerzelle 3₁-3_n während der Massesequenz auf Vin/n gezogen.
Das in den 22 und 24 gezeigte Aktivierungsschema ist derart, dass das elektrische Potential an dem ersten Eingangsknoten jeder Wandlerzelle 3₁-3₄ (allgemein, 3₁-3_n-4 ) auf Vin/n gezogen wird, bevor die jeweilige Wandlerzelle aktiviert wird. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Eine beliebige Reduktion des elektrischen Potentials an dem ersten Eingangsknoten einer Wandlerzelle reduziert die Schaltverluste, obwohl sie möglicherweise nicht zu minimalen Verlusten führt. Wenn beispielsweise das Ansteuerschema nach dem Ladezyklus 3₅-3₁-3₂-3₃-3₄-3_n , ist, werden die elektrischen Potentiale an den ersten Eingangsknoten der Wandlerzellen 3₁ , 3₂ , 3₃ , 3₄ nur einmal reduziert, nämlich um Vin/n.
26 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung, die zwei Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 12 umfasst. Diese Leistungswandlerschaltungen 11, 12 sind parallel geschaltet, das heißt, jede dieser Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ erhält die Eingangsspannung Vin an einem jeweiligen Eingang, und Ausgänge dieser Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ sind verbunden. Insbesondere sind die ersten Ausgangsknoten 17₁, 17₂ dieser Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ verbunden, und zweite Ausgangsknoten 18₁, 18₂ dieser Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ sind verbunden. Der optionale Ausgangskondensator 19 ist zwischen den gemeinsamen ersten Ausgangsknoten 17₁, 17₂ und den gemeinsamen zweiten Ausgangsknoten 18₁, 18₂ geschaltet. Bei dem in 26 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur eine erste Leistungswandlerschaltung 1₁ im Detail dargestellt. Die zweite Leistungswandlerschaltung 1₂ ist in gleicher Weise realisiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die erste Leistungswandlerschaltung 1 ₁ und die zweite Leistungswandlerschaltung 1₂ mit derselben Anzahl von Wandlerzellen realisiert.
26 zeigt n1=3 Wandlerzellen in der ersten Leistungswandlerschaltung 1₁ . Dies ist jedoch nur ein Beispiel und zum Zweck der Erläuterung. Nachfolgend bezeichnen 3₁₁-3_n1 die Wandlerzellen der ersten Leistungswandlerschaltung 1₁ und 3₁₂-3_n2 bezeichnen die Wandlerzellen der zweiten Leistungswandlerschaltung 1₂ , wobei 3_n1 und 3n2 die untersten Wandlerzellen und 3₁₁, 3₁₂ die obersten (ersten) Wandlerzellen in jeder dieser Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ sind. In jeder von der ersten Leistungswandlerschaltung 1₁ und der zweiten Leistungswandlerschaltung 1₂ können die einzelnen Wandlerzellen nach dem Ladezyklus auf eine der oben anhand der 23-25 erläuterten Weisen aktiviert werden.
27 zeigt ein Aktivierungsschema für die erste Leistungswandlerschaltung 1₁ , die auf dem in 24 gezeigten Ausführungsbeispiel basiert, und ein Aktivierungsschema für die zweite Leistungswandlerschaltung 1₂ , die ebenfalls auf dem in 24 gezeigten Ausführungsbeispiel basiert. Diese Aktivierungsschemata basierend auf einer ersten Leistungswandlerschaltung 1₁ mit n1=6 Wandlerzellen und einer zweiten Leistungswandlerschaltung 1₂ mit n2=6 Wandlerzellen. Diese Aktivierungsschemata können aufeinander folgend durchgeführt werden. Das heißt, es kann erst die erste Leistungswandlerschaltung 1₁ gemäß dem in 27 gezeigten Ansteuerschema betrieben werden und es kann dann die zweite Leistungswandlerschaltung 1₂ gemäß dem in 27 gezeigten Ansteuerschema betrieben werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die in 27 gezeigten Aktivierungsschemas interleaved.
Die 28A und 28B zeigen zwei Ausführungsbeispiele, wie diese Aktivierungsschemata interleaved werden können. Zu jedem Zeitpunkt ist nur eine Wandlerzelle entweder der ersten Leistungswandlerschaltung 1₁ oder der zweiten Leistungswandlerschaltung 1₂ aktiv, wobei die Reihenfolge, in der die Wandlerzellen in jeder der Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ aktiviert werden, in Übereinstimmung mit 27 ist. Bei dem in den 28A und 28B gezeigten Ausführungsbeispiel werden Wandlerzellen in der ersten Leistungswandlerschaltung 1₁ und Wandlerzellen in der zweiten Leistungswandlerschaltung 1₂ abwechselnd aktiviert. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Wandlerzellen einer Leistungswandlerschaltung aufeinander folgend zu aktivieren und dann zwei oder mehr Wandlerzellen der anderen Leistungswandlerschaltung aufeinander folgend zu aktivieren.
Das in 26 gezeigte Ausführungsbeispiel ist nicht darauf beschränkt, nur zwei Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ parallel geschaltet zu haben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind drei oder mehr Leistungswandlerschaltungen parallel geschaltet. 29 zeigt Aktivierungsschemata von drei Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ , 1₃ , die jeweils n=3 Wandlerzellen umfassen. Nachfolgend bezeichnen 3₁₁-3_n1 die Wandlerzellen der ersten Leistungswandlerschaltung 1₁ , 3₁₂-3_n2 bezeichnen die Wandlerzellen der zweiten Leistungswandlerschaltung 1₂ und 3₁₃-3_n3 bezeichnen die Wandlerzellen einer dritten Leistungswandlerschaltung 1₃ . Die in 29 gezeigten Aktivierungsschemata können aufeinander folgend durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, die einzelnen Aktivierungsschemata interleaved auszuführen. 30 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie diese Aktivierungsschemata interleaved werden können.
Verfahren, wie Schaltverluste in einer Leistungswandlerschaltung 1 oder in mehreren parallel geschalteten Leistungswandlerschaltungen 1₁ , 1₂ reduziert werden können, sind oben anhand der 22-30 erläutert. 31 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, wie Verluste reduziert werden können. Dieses Verfahren umfasst das Reduzieren einer Effektivfrequenz, bei welcher die einzelnen Wandlerzellen nach einem Ladezyklus aktiviert werden.
31A zeigt das Aktivierungsschema unter Normallast-(Volllast-)-Bedingungen. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden nach einem Ladezyklus die einzelnen Wandlerzellen bei einer Aktivierungsfrequenz f_ACT aktiviert. Während jeder Zeitdauer T=1/f_ACT ist eine der Wandlerzellen aktiv, das heißt, überträgt elektrische Leistung von der jeweiligen Versorgungszelle an den Ausgang. Im aktiven Zustand wird der Steuerschaltung (32i in den 6 und 9) in der jeweiligen Wandlerzelle 3i in pulsweitenmodulierter (PWM) Weise betrieben, wobei es wenigstens einen Ansteuerzyklus in jedem Aktivierungszustand gibt. Wie zuvor erläutert, ist der Duty-Cycle abhängig von der gewünschten (durchschnittlichen) Ausgangsleistung der Wandlerzelle. Bei dem in 31A gezeigten Ausführungsbeispiel ist zu jedem Zeitpunkt nur eine Wandlerzelle aktiv. Die Dauer des Ladezyklus, der in 31A mit CH bezeichnet ist, kann der Dauer einer Aktivierungsperiode T entsprechen oder kann sich davon unterscheiden.
Die Reihenfolge, in der die einzelnen Wandlerzellen aktiviert werden, kann eine der zuvor erläuterten Reihenfolgen sein. Die spezielle in 31A gezeigte Reihenfolge, die der anhand von 24 erläuterten Reihenfolge entspricht, ist nur ein Beispiel. Die Leistungswandlerschaltung, insbesondere die Wandlerzellen, kann/können mit einer beliebigen der zuvor erläuterten Topologien realisiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Aktivierungsfrequenz f_ACT abhängig von wenigstens einem der Folgenden: Die Ausgangsleistung und der Ausgangsstrom I_OUT der Leistungswandlerschaltung, wobei die Aktivierungsfrequenz f_ACT absinkt, wenn wenigstens eines von der Ausgangsleistung und dem Ausgangsstrom I_OUT absinkt. Bei dem in 31 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Aktivierungsfrequenz f_ACT gegeben durch f_ACT=1/T, wobei T eine Aktivierungsperiode ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Absinken der Aktivierungsfrequenz das Einfügen von Zeitperioden T, in denen keine der Wandlerzellen aktiv ist. Die Dauer dieser Zeitperioden kann der Dauer von Aktivierungsperioden (in denen eine Wandlerzelle aktiv ist) entsprechen. Diese Zeitperioden werden nachfolgend als Pauseperioden bezeichnet.
31B zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Pauseperiode nach jeder Aktivierungsperiode eingefügt wird, um die Aktivierungsfrequenz f_ACT auf f_ACT=1/2T zu reduzieren, was 50% im Vergleich zu dem in 31A gezeigten Normalbetrieb ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in 31C gezeigt ist, umfasst das Einfügen von zwei Pauseperioden nach jeder Aktivierungsperiode, um die Aktivierungsfrequenz auf f_ACT=1/3T zu reduzieren, was 33% im Vergleich zu dem Normalbetrieb ist.
32 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ansteuerschemas. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Pauseperiode nach zwei direkt aufeinander folgenden Aktivierungsperioden eingefügt. In diesem Fall ist die effektive Aktivierungsfrequenz f_ACT=2/3T, was 66% der Aktivierungsfrequenz des in 31A gezeigten Normalbetriebs ist.
Es sei erwähnt, dass Merkmale, die anhand einer speziellen Figur erläutert werden, mit Merkmalen von anderen Figuren kombiniert werden können, sogar in den Fällen, in denen es nicht explizit erwähnt wird. Des Weiteren können die Verfahren der Erfindung in entweder allen Softwareimplementierungen erreicht werden, indem angemessene Prozessorinstruktionen genutzt werden, oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination aus Hardwarelogik und Softwarelogik verwenden, um die gleichen Resultate zu erzielen.

Claims

Verfahren, das aufweist: In einem Ladezyklus einer Leistungswandlerschaltung, Schalten mehrerer Kondensatoren (22₁-22_n) in Reihe zwischen Eingangsknoten (11, 12) der Leistungswandlerschaltung, wobei die Leistungswandlerschaltung außerdem mehrere Wandlerzellen (3₁-3_n) aufweist, wobei jede Wandlerzelle (3₁-3_n) an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren (22₁-22_n) angeschlossen ist; nach dem Ladezyklus und vor Aktivieren einer Wandlerzelle (3₁) der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n), Reduzieren eines elektrischen Potentials an einem ersten Eingangsknoten (13₁) der einen Wandlerzelle (3₁) durch Einschalten eines Masseschalters (31₂-31₅) wenigstens einer anderen Wandlerzelle (3₂-3₅) der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n), wobei der Masseschalter zwischen einen zweiten Eingangsknoten (14₂-14₅) der anderen Wandlerzelle (3₂-3₅) und einen Masseknoten (18) geschaltet ist; und Aktivieren der einen Wandlerzelle (3₁), um elektrische Leistung von dem an die eine Wandlerzelle (3₁) angeschlossenen Kondensator (22₁) an einen Ausgang (17, 18) der Leistungswandlerschaltung zu übertragen, wobei die wenigstens eine andere Wandlerzelle (3₂-3₅) mehrere andere Wandlerzellen umfasst (3₂-3₅), wobei die mehreren anderen Wandlerzellen (3₂-3₅) derart zeitlich aufeinanderfolgend aktiviert werden, dass das elektrische Potential an dem ersten Eingangsknoten (13₁) der einen Wanderzelle (3₁) mit jeder Aktivierung einer der mehreren anderen Wandlerzellen (3₂-3₅) absinkt und wobei die Aktivierung jeder der mehreren anderen Wandlerzellen (3₂-3₅) das Einschalten eines Masseschalters (31₂-31₅) der jeweiligen anderen Wandlerzelle (3₂-3₅) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Reduzieren des elektrischen Potentials an dem ersten Eingangsknoten (13₁-13_n) der einen der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) das Reduzieren des elektrischen Potentials an dem ersten Eingangsknoten (13₁-13_n) von jeder außer zwei der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das weiterhin aufweist: zwischen zwei aufeinander folgenden Ladezyklen, Aktivieren jeder der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) einmal.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Aktivieren der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) aufweist: Betreiben eines Steuerschalters (32_i) in der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) in pulsweitenmodulierter Weise.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die eine der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) eine Tiefsetzstellertopologie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die eine Wandlerzelle (3₁) aufweist: eine Reihenschaltung mit dem Steuerschalter (32_i) und einer Induktivität (33_i), die zwischen den ersten Eingangsknoten (13i) und einen ersten Ausgangsknoten (15i) der wenigstens einen Wandlerzelle (3_i) geschaltet ist; einen Masseschalter (32_i), der zwischen einen zweiten Eingangsknoten (14i) und einen zweiten Ausgangsknoten (16i) der wenigstens einen Wandlerzelle (3_i) geschaltet ist; und ein Freilaufelement (34_i), das zwischen den zweiten Ausgangsknoten (16i) und einen dem Steuerschalter (32_i) und der Induktivität (33_i) gemeinsamen Knoten geschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Leistungswandlerschaltung eine von wenigstens zwei parallel geschalteten Leistungswandlerschaltungen (1₁, 12) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin aufweist: Aktivieren von Wandlerzellen in den wenigstens zwei Leistungswandlerschaltungen (1₁, 1₂) interleaved.
Leistungswandlerschaltung, die aufweist: mehrere Kondensatoren (22₁-22_n), die dazu ausgebildet sind, in Reihe zwischen Eingangsknoten (11, 12) der Leistungswandlerschaltung geschaltet zu werden; mehrere Wandlerzellen (3₁-3_n), wobei jede der mehreren Wandlerzellen an einen jeweiligen der mehreren Kondensatoren (22₁-22_n) angeschlossen ist; eine Steuerschaltung (4), die dazu ausgebildet ist, in einem Ladezyklus der Leistungswandlerschaltung, die mehreren Kondensatoren (22₁-22_n) in Reihe zwischen die Eingangsknoten (11, 12) der Leistungswandlerschaltung zu schalten; nach dem Ladezyklus und vor Aktivieren einer Wandlerzelle (3₁) der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n), ein elektrisches Potential an einem ersten Eingangsknoten (13₁) der einen Wandlerzelle (3₁) durch Einschalten eines Masseschalters (31₂-31₅) wenigstens einer anderen Wandlerzelle (3₂-3₅) der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) zu reduzieren, wobei der Masseschalter (31₁-31_n) zwischen einen zweiten Eingangsknoten (14₂-14₅) der anderen Wandlerzelle (3₂-3₅) der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n, 3_i) und einen Masseknoten (18) geschaltet ist, und die eine Wandlerzelle (3₁) zu aktivieren, um elektrische Leistung von dem an die eine Wandlerzelle angeschlossenen Kondensator (22₁) an einen Ausgang (17, 18) der Leistungswandlerschaltung zu übertragen, wobei die wenigstens eine andere Wandlerzelle mehrere andere Wandlerzellen umfasst (3₂-3₅), wobei die Steuerschaltung (4) dazu ausgebildet, die mehreren anderen Wandlerzellen (3₂-3₅) derart zeitlich aufeinanderfolgend aktiviert werden, dass das elektrische Potential an dem ersten Eingangsknoten (13₁) der einen Wanderzelle (3₁) mit jeder Aktivierung einer der mehreren anderen Wandlerzellen (3₂-3₅) absinkt und wobei die Aktivierung jeder der mehreren anderen Wandlerzellen (3₂-3₅) das Einschalten eines Masseschalters (31₂-31₅) der jeweiligen anderen Wandlerzelle (3₂-3₅) umfasst.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 9, bei der die Steuerschaltung (4) dazu ausgebildet ist, das elektrische Potential an dem ersten Eingangsknoten (13₁-13_n) von jeder außer zwei der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) zu reduzieren.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Steuerschaltung (4) dazu ausgebildet ist, zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ladezyklen jede der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) einmal zu aktivieren.
Leistungswandlerschaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Steuerschaltung (4) dazu ausgebildet ist, die eine der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n) durch Betreiben eines Steuerschalters (32_i) in der wenigstens einen der mehreren Wandlerzellen in pulsweitenmodulierter Weise zu aktivieren.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 12, bei der die eine der mehreren Wandlerzellen (3₁-3_n; 3_i) eine Tiefsetzstellertopologie aufweist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 13, bei der die eine Wandlerzelle aufweist: eine Reihenschaltung mit dem Steuerschalter (32_i) und einer Induktivität (32_i), die zwischen den ersten Eingangsknoten (13i) und einen ersten Ausgangsknoten (15i) der wenigstens einen Wandlerzelle (3₁) geschaltet ist; einen Masseschalter (31_i), der zwischen einen zweiten Eingangsknoten (14i) und einen zweiten Ausgangsknoten (16i) der wenigstens einen Wandlerzelle (3_i) geschaltet ist; und ein Freilaufelement (34_i), das zwischen den zweiten Ausgangsknoten (16i) und einen dem Steuerschalter (32_i) und der Induktivität (33_i) gemeinsamen Schaltungsknoten geschaltet ist.