DE102016108173A1

DE102016108173A1 - Spannungswandlungsverfahren und spannungswandler

Info

Publication number: DE102016108173A1
Application number: DE102016108173.6A
Authority: DE
Inventors: Marc Fahlenkamp; Anders Lind; Sanjaya Pradhan
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2016-11-10
Also published as: US20160329814A1; CN106130350A; US9673718B2; CN106130350B

Abstract

Gemäß einer Ausgestaltung weist ein Verfahren bei einem Spannungswandler bei jedem von aufeinanderfolgenden Steuerzyklen das Einschalten eines ersten elektronischen Schalters, der mit einer Primärwicklung eines Transformators in Reihe geschaltet ist, für eine Einschaltdauer auf. Bevor der erste elektronische Schalter eingeschaltet wird, wird der Transformator für eine Vormagnetisierungsdauer vormagnetisiert, wobei eine erste Verzögerungszeit zwischen einem Ende der Vormagnetisierungsdauer und einem Beginn der Einschaltdauer vorliegt.

Description

Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Spannungswandlungsverfahren, insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Sperrwandlers im diskontinuierlichen Leitungsmodus (engl.: „discontinuous conduction mode“; DCM) und einen Spannungswandler.
Schaltspannungswandler (Schaltnetzteile, SMPS = Switched Mode Power Supplies) werden weithin eingesetzt zur Leistungswandlung bei Automotive-, Industrie- oder Consumer-Elektronikanwendungen. Bei einem Sperrwandler handelt es sich um eine spezielle Art von Schaltspannungswandler, der einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung aufweist, die entgegengesetzte Wicklungssinne besitzen. Ein elektronischer Schalter ist mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet, wobei der Transformator magnetisiert wird, wenn der elektronische Schalter geschlossen ist, und entmagnetisiert wird, wenn der elektronische Schalter geöffnet ist. Das Magnetisieren des Transformators umfasst das Speichern von Energie in dem Transformator, und das Entmagnetisieren des Transformators umfasst das Übertragen der gespeicherten Energie an die Primärwicklung und eine mit dieser gekoppelte Last.
Ein Sperrwandler kann in einer diskontinuierlich leitenden Betriebsart (DCM) betrieben werden. Bei dieser Betriebsart gibt es eine Verzögerungszeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Transformator vollständig entmagnetisiert wurde, und dem Zeitpunkt, zu dem der elektronische Schalter erneut einschaltet. Während dieser Verzögerungszeit können parasitäre Oszillationen einer Spannung über dem elektronischen Schalter auftreten. In der DCM kann der Sperrwandler in einer quasi-resonanten Betriebsart betrieben werden, in der der elektronische Schalter zu jenen Zeiten einschaltet, zu denen die Spannung über dem elektronischen Schalter ein Minimum erreicht. Wenn der Sperrwandler in der quasi-resonanten Betriebsart betrieben wird, variiert die Schaltfrequenz des elektronischen Schalters, während der Betrieb des elektronischen Schalters bei dem Sperrwandler mit einer festen Frequenz zu erhöhten Schaltverlusten führen kann. Nichtsdestotrotz kann es Szenarien geben, in denen es wünschenswert ist, den Sperrwandler in der DCM mit einer festen Frequenz zu betreiben.
Deshalb besteht ein Bedarf an einem Verfahren zum Betrieb eines Sperrwandlers in der DCM bei einer festen Frequenz und geringen Schaltverlusten.
Eine Ausgestaltung betrifft ein Verfahren bei einem Spannungswandler. Das Verfahren umfasst, in jedem von aufeinanderfolgenden Ansteuerzyklen, das Einschalten eines mit einer Primärwicklung eines Transformators in Reihe geschalteten ersten elektronischen Schalters für eine Einschaltdauer, und, vor dem Einschalten des ersten elektronischen Schalters, das Vormagnetisieren des Transformators für eine Vormagnetisierungsdauer. Bei diesem Verfahren gibt es eine erste Verzögerungszeit zwischen einem Ende der Vormagnetisierungsdauer und einem Beginn der Einschaltdauer.
Eine Ausgestaltung betrifft einen Spannungswandler. Der Spannungswandler weist einen Transformator auf, der eine Primärwicklung besitzt, einen ersten elektronischen Schalter, der zu der Primärwicklung in Reihe geschaltet ist, und eine Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, bei einem jeden einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Ansteuerzyklen den ersten elektronischen Schalter für eine Einschaltdauer einzuschalten, bevor der erste elektronische Schalter eingeschaltet wird, um den Transformator zu veranlassen, dass er für eine Vormagnetisierungsdauer vormagnetisiert wird, und eine erste Verzögerungszeit zwischen einem Ende der Vormagnetisierungsdauer und dem Beginn der Einschaltdauer zu erzeugen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur die zum Verständnis dieser Prinzipien erforderlichen Aspekte dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
1 zeigt einen Sperrwandler gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt Zeitverlaufsdiagramme, die den Betrieb eines Sperrwandlers in einer quasi-resonanten Betriebsart veranschaulichen;
3 zeigt Zeitverlaufsdiagramme, die eine Art des Betriebs eines Sperrwandlers bei einer vorgegebenen Frequenz veranschaulichen;
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers, der Mittel gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Vormagnetisieren eines Transformators in dem Sperrwandler aufweist;
5 zeigt eine Modifikation des in 4 gezeigten Sperrwandlers;
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers, der Mittel gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Vormagnetisieren eines Transformators in dem Sperrwandler aufweist; und
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers, der Mittel gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Vormagnetisieren eines Transformators in dem Sperrwandler aufweist.
In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen anhand der Darstellung konkreter Ausführungsbeispiele, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
1 zeigt einen Spannungswandler (Schaltnetzteil, SMPS) gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der in 1 gezeigte Spannungswandler besitzt eine Sperrwandlertopologie und wird nachfolgend kurz als Sperrwandler bezeichnet. Der Sperrwandler weist einen Eingang mit einem ersten Eingangsknoten und einem zweiten Eingangsknoten auf, die zum Empfang einer Eingangsspannung V_IN ausgebildet sein, und einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsknoten mit einem zweiten Ausgangsknoten, die zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung V_OUT ausgebildet sind. Eine Last Z (in 1 anhand gestrichelter Linien dargestellt) kann die Ausgangsspannung V_OUT bzw. einen Ausgangsstrom I_OUT, die an dem Ausgang verfügbar sind, beziehen. Der Sperrwandler enthält einen Transformator 2 mit einer Primärwicklung 2 ₁ und einer Sekundärwicklung 2 ₂, die mit der Primärwicklung 2 ₁ magnetisch gekoppelt ist. Die Primärwicklung 2 ₁ und die Sekundärwicklung 2 ₂ besitzen entgegengesetzten Wicklungssinn. Ein elektronischer Schalter 1 ist mit der Primärwicklung 2 ₁ in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung mit der Primärwicklung 2 ₁ und dem elektronischen Schalter 1 zwischen den ersten und den zweiten Eingangsknoten geschaltet ist, um die Eingangsspannung V_IN zu beziehen.
Optional ist ein Kondensator 51, der nachfolgend als Eingangskondensator bezeichnet wird, zwischen Eingangsknoten des Eingangs angeschlossen. Der Eingangskondensator 51 kann helfen, eine Welligkeit der Eingangsspannung V_IN zu filtern. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Eingangsspannung V_IN um eine Gleichspannung (DC-Spannung). Diese Eingangsspannung V_IN kann durch eine Gleichrichterschaltung 10 (in 1 anhand gestrichelter Linien dargestellt) aus einer Wechselspannung (AC-Spannung) V_AC erzeugt werden. Die Eingangsspannung ist auf einen ersten Masseknoten GND1 bezogen, und die Ausgangsspannung ist auf einen zweiten Masseknoten GND2 bezogen.
Bezug nehmend auf 1 weist der Sperrwandler 1 außerdem eine Gleichrichterschaltung 3 auf, die zwischen der zweiten Wicklung 2 ₂ und dem Ausgang angeschlossen ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist diese Gleichrichterschaltung 3 eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 31, beispielsweise eine Diode, und einem Kondensator auf. Diese Reihenschaltung ist zu der Sekundärwicklung 2 ₂ parallel geschaltet, und die Ausgangsspannung VOUT steht über dem Kondensator 32 zur Verfügung. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um eine beispielhafte Implementierung der Gleichrichterschaltung 3. Andere Implementierungen der Gleichrichterschaltung 3 wie beispielsweise Implementierungen, die eine zusätzliche Drossel aufweisen, können ebenso gut verwendet werden.
Eine Steuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, den elektronischen Schalter 1 basierend auf einem von einer Rückkopplungsschaltung (Regelschleife) 61, 62 empfangenen Rückkopplungssignal S_FB anzusteuern. Die Rückkopplungsschaltung kann ein Filter 61 aufweisen, das die Ausgangsspannung VOUT empfängt, und einen Transmitter 62. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich das Filter 61 auf der Sekundärseite des Transformators, und der Transmitter 62 überträgt ein Ausgangssignal des Filters 61 von der Sekundärseite an die Primärseite, wobei ein Ausgangssignal des Transmitters 62 das von der Steuerschaltung 4 empfangene Rückkopplungssignal S_FB ist. Das Filter 61 ist dazu ausgebildet, aus der Ausgangsspannung ein Fehlersignal zu erzeugen, und ein Referenzsignal, und das Rückkopplungssignal S_FB basierend auf dem Fehlersignal zu erzeugen. Dies ist allgemein bekannt, so dass in dieser Hinsicht keine weitere ausführliche Erläuterung erforderlich ist. Gemäß einer Ausgestaltung besitzt das Filter 61 eine Proportional-(P)-Charakteristik, eine Proportional-Integral-(PI)-Charakteristik, eine Proportional-Integral-Differential-(PID)-Charakteristik. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung (nicht gezeigt) ist die Position des Filters 61 und des Transmitters 62 in der Rückkopplungsschleife vertauscht, so dass der Transmitter 62 ein Signal, das die Ausgangsspannung V_OUT repräsentiert, von der Sekundärseite an die Primärseite überträgt, und das Filter das von dem Transmitter übertragene Signal empfängt und das Rückkopplungssignal S_FB erzeugt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Transmitter 62 einen Optokoppler auf. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Andere Transmitter, die geeignet sind, ein Signal über eine Potentialbarriere hinweg zu übertragen, können ebenso gut verwendet werden. Beispiele eines derartigen Transmitters umfassen einen Transmitter mit einem Übertrager wie beispielsweise einem kernlosen Übertrager (engl.: "coreless transformer").
Die Steuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, den elektronischen Schalter 1 auf eine pulsweitenmodulierte (PWM) Weise zu betreiben. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem elektronischen Schalter um einen Transistor. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Transistor ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), insbesondere ein n-Kanal-MOSFET. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Andere Arten von Transistoren, wie beispielsweise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), ein JFET (Junction Field-Effect Transistor), ein BJT (Bipolar Junction Transistor) oder ein p-Kanal-MOSFET können ebenso gut eingesetzt werden.
Eine Betriebsart des in 1 gezeigten Sperrwandlers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 erläutert. 2 zeigt ein Zeitverlaufsdiagramm einer Laststreckenspannung V_DS über einer Laststrecke des elektronischen Schalters 2, eine Hilfsspannung V_AUX über einer Hilfswicklung 2 ₃ des Transformators, ein Ansteuersignal S1, das der elektronische Schalter 1 von der Steuerschaltung 4 bezieht, einen Laststrom I_DS durch den elektronischen Schalter 1, und eine Magnetisierung M_TR des Transformators 1. Bei dem in 1 gezeigten MOSFET 1 ist die Laststreckenspannung V_DS die Drain-Source-Spannung, und der Laststrom I_DS ist der Drain-Source-Strom. Das Ansteuersignal S1 wird von einem Gateknoten des MOSFETs 1 empfangen. Das Ansteuersignal S1 kann von einem ersten Signalpegel, der den elektronischen Schalter 1 einschaltet, und einem zweiten Signalpegel, der den elektronischen Schalter 1 ausschaltet, einen aufweisen. Nachfolgend wird der erste Pegel als Einschaltpegel und der zweite Pegel als Ausschaltpegel bezeichnet. Lediglich zum Zweck der Erläuterung ist der Einschaltpegel des Ansteuersignals S1 bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als High-Signalpegel dargestellt, und der Ausschaltpegel ist als Low-Pegel dargestellt.
Bezug nehmend auf 2 umfasst der Betrieb des Sperrwandlers eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Ansteuerzyklen, wobei in jedem Ansteuerzyklus die Steuerschaltung 4 den elektronischen Schalter 1 für eine Einschaltdauer T_ON1 einschaltet und nach der Einschaltperiode T_ON1 den elektronischen Schalter 1 für eine Ausschaltdauer T_OFF ausschaltet. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel beginnt einer dieser Ansteuerzyklen zu einer Zeit t1 und endet bei einer Zeit t4, was dann ist, wenn der nächste Ansteuerzyklus beginnt. Während der Einschaltdauer T_ON1 bewirkt die Eingangsspannung V_IN, dass der Laststrom I_DS durch die Primärwicklung 2 ₁ und den elektronischen Schalter 1 fließt, wobei ein Strompegel des Laststroms I_DS während der Einschaltdauer T_ON1 ansteigt. Dieser ansteigende Laststrom I_DS geht mit einer ansteigenden Magnetisierung M_TR des Transformators 2 einher, wobei eine derartige Magnetisierung mit einer magnetischen Speicherung von Energie in dem Transformator 2 (genauer in einem Luftspalt des Transformators 2) verbunden ist, wobei die gespeicherte Energie ansteigt, wenn der Laststrom I_DS ansteigt. Während der Einschaltdauer T_ON1 ist die Laststreckenspannung V_DS des elektronischen Schalters 1 im Wesentlichen Null, und eine Spannung über der Primärwicklung 2 ₁ ist im Wesentlichen gleich der Eingangsspannung V_IN. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzen die Hilfswicklung 2 ₃ und die Primärwicklung 2 ₁ entgegengesetzten Wicklungssinn. In diesem Fall ist ein Spannungspegel der Hilfsspannung V_AUX gegeben durch V_AUX = –(N_AUX/N₂₁)·V₂₁ (1), wobei N_AUX die Anzahl der Windungen der Hilfswicklung 2 ₃ ist, N₂₁ die Anzahl der Windungen der Primärwicklung 2 ₁ ist, und V₂₁ die Spannung über der Primärwicklung ist. Während der Einschaltdauer –T_ON1 ist der Spannungspegel der Hilfsspannung V_AUX somit N_AUX/N₂₁·V_IN.
Wenn der elektronische Schalter 1 ausschaltet, wird die in dem Transformator 2 gespeicherte Energie an die Sekundärwicklung 2 ₂, die Gleichrichterschaltung 3 bzw. die Last Z übertragen. Dies bewirkt, dass der Transformator 2 entmagnetisiert wird. In 2 bezeichnet T_DEMAG eine Dauer, in der der Transformator 2 entmagnetisiert wird, das heißt, in der Energie an die Sekundärseite des Transformators übertragen wird. Während dieser Zeitdauer T_DEMAG, die nachfolgend auch als Entmagnetisierungsdauer bezeichnet wird, ist die Laststreckenspannung V_DS im Wesentlichen gleich der Eingangsspannung V_IN plus einer Rückwirkungsspannung (engl.: "reflected voltage") V_REFLECT. Die Rückwirkungsspannung V_REFLECT ist im Wesentlichen gegeben durch V_REFLECT = N₁/N₂·(V_OUT + V₃) (2), wobei N₁ die Anzahl der Windungen der Primärwicklung 2 ₁ ist, N₂ die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung 2 ₂ ist, und V₃ die Spannung über der Gleichrichterschaltung 3 ist. Die Spannung V₃ über der Gleichrichterschaltung 3 hängt von einem Strompegel eines Stroms I₂₂ durch die Sekundärwicklung 2 ₂ ab. Dieser Strom I₂₂ verringert sich während der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG, so dass sich die Rückwirkungsspannung V_REFLECT verringert und am Ende der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAGN₁/N₂·V_OUT erreicht.
In der quasi-resonanten Betriebsart gibt es eine Verzögerungszeit zwischen einem Zeitpunkt t3, zu dem der Transformator vollständig entmagnetisiert wurde, und einem Zeitpunkt, zu dem ein nächster Ansteuerzyklus beginnt, das heißt, wenn der elektronische Schalter 1 erneut eingeschaltet wird. Während dieser Zeitdauer oszilliert die Laststreckenspannung V_DS. Dies rührt von einem parasitären Resonanzschaltkreis her, der die Primärwicklung 2 ₁ und eine parasitäre Kapazität des elektronischen Schalters 1 umfasst. Diese parasitäre Kapazität kann eine zu der Laststrecke des elektronischen Schalters 1 parallele Kapazität enthalten. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine derartige parasitäre Kapazität durch einen Kondensator repräsentiert, der zu der Laststrecke parallel geschaltet ist. In der quasi-resonanten Betriebsart schaltet die Steuerschaltung 4 den elektronischen Schalter 1 ein, wenn die Laststreckenspannung V_DS, nachdem der Transformator 2 entmagnetisiert wurde, ein Minimum V_DSmin1 erreicht. Allerdings kann der Spannungspegel der Minimalspannung V_DSmin1 relativ hoch sein, so dass relativ hohe Schaltverluste auftreten können. Diese Schaltverluste umfassen beispielsweise Verluste in Verbindung mit der Entladung der parasitären Kapazität des elektronischen Schalters 1. Diese Verluste sind umso höher, je höher der Spannungspegel der Laststreckenspannung V_DS zur Zeit t1 des Einschaltens des elektronischen Schalters 1 ist. Außerdem verändert sich die Schaltfrequenz in der quasi-resonanten Betriebsart und hängt unter anderem von der Einschaltdauer T_ON1 ab. Allerdings gibt es Anwendungen, bei denen eine derartige Veränderung der Schaltfrequenz unerwünscht ist, und bei denen es gewünscht ist, den Sperrwandler mit einer vorgegebenen Frequenz zu betreiben. Die vorgegebene Frequenz kann fest sein, oder sie kann von einer Leistungsaufnahme der Last Z abhängen.
3 zeigt Zeitverlaufsdiagramme eines Verfahrens, das für ein Schalten des elektronischen Schalters 1 mit einer vorgegebenen Frequenz sorgt und geringe Schaltverluste bietet. 3 zeigt Zeitverlaufsdiagramme der Laststreckenspannung V_DS, der Hilfsspannung V_AUX, des Ansteuersignals S1 des elektronischen Schalters 1, des Laststroms I_DS des elektronischen Schalters 1 und der Magnetisierung M_TR des Transformators 2. Die Magnetisierung repräsentiert den magnetischen Fluss in einem Kern (nicht gezeigt) des Transformators 2 bzw. die Flussdichte.
Bezug nehmend auf 3 umfasst das Verfahren in jedem Ansteuerzyklus, vor dem Einschalten des elektronischen Schalters 1 für die Einschaltdauer T_ON1, das Vormagnetisieren des Transformators 2 für eine Vormagnetisierungsdauer T_ON2 und, nach dem Vormagnetisieren des Transformators 2, für eine erste Verzögerungszeit T_DEL1 vor dem Einschalten des elektronischen Schalters 1 abzuwarten. Das Vormagnetisieren des Transformators 2 kann das Einschalten eines von dem elektronischen Schalter 1 verschiedenen weiteren elektronischen Schalters umfassen. Beispiele eines derartigen weiteren elektronischen Schalters werden nachfolgend ausführlicher erläutert. Im Folgenden wird der elektronische Schalter 1, der zu der Primärwicklung 2 ₁ in Reihe geschaltet ist, als erster elektronischer Schalter bezeichnet, und der weitere elektronische Schalter, der dazu verwendet wird, den Transformator 2 vorzumagnetisieren, wird als zweiter elektronischer Schalter bezeichnet. Ein Ansteuersignal S2 zum Ansteuern dieses zweiten elektronischen Schalters ist ebenfalls in 3 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel repräsentiert ein High-Pegel einen Einschaltpegel, der den zweiten elektronischen Schalter einschaltet, um den Transformator vorzumagnetisieren, und ein Low-Pegel repräsentiert einen Ausschaltpegel, der den zweiten Schalter ausschaltet. Das Vormagnetisieren des Transformators 2 umfasst das Magnetisieren des Transformators 2 derart, dass der Laststrom I_DS unmittelbar nach dem Einschalten des ersten elektronischen Schalters 1 in einer der in 1 gezeigten Richtung entgegengesetzten Richtung fließt. Der Laststrom fließt in dieser entgegengesetzten Richtung, bis der Transformator 2 entmagnetisiert wurde. Das heißt, die während der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 erhaltene Magnetisierung M_TR besitzt eine Polarität, die der Polarität der Magnetisierung M_TR am Ende der Einschaltdauer T_ON1 entgegen gesetzt ist. Das heißt, die Magnetisierung M_TR wechselt ihre Polarität in der Einschaltdauer T_ON1. In 3 bezeichnet t11 einen Zeitpunkt, zu dem die Magnetisierung M_TR Null ist und ihre Polarität wechselt. Im Folgenden wird die während der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 erhaltene Magnetisierung (der magnetische Fluss) M_TR als negative Magnetisierung bezeichnet, und die Magnetisierung nach dem Zeitpunkt t11 wird als positive Magnetisierung bezeichnet. Die negative Magnetisierung des Transformators 2 umfasst das magnetische Speichern von Energie in dem Transformator 2. Nach der Vormagnetisierungsdauer T_ON2, das heißt, während der ersten Verzögerungszeit T_DEL1 zwischen der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 und der Einschaltdauer T_ON1, bewirkt die in dem Transformator 2 und der parasitären Kapazität des elektronischen Schalters 1 gespeicherte Energie eine Oszillation der Laststreckenspannung V_DS des elektronischen Schalters. Aufgrund der Tatsache, dass der Transformator negativ magnetisiert wird, ist die Amplitude dieser Oszillation höher als die Amplitude der Oszillation am Ende der vorangehend erläuterten Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG. Deshalb ist ein Spannungsminimum V_DSmin2, das die Laststreckenspannung V_DS während der ersten Verzögerungszeit T_DEL1 erreicht, geringer als das Minimum V_DSmin1, das die Laststreckenspannung V_DS nach dem Ende der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG erreicht. Gemäß einer Ausgestaltung ist die erste Verzögerungszeit T_DEL1 so gewählt, dass der erste elektronische Schalter 1 einschaltet, wenn die Laststreckenspannung V_DS das Minimum V_DSmin2 erreicht. Diese erste Verzögerungszeit T_DEL1 wird von der Steuerschaltung 4 gesteuert.
Zu Beginn der Einschaltdauer T_ON1 wird die in dem Transformator 2 während der Entmagnetisierungsdauer T_ON2 gespeicherte Energie an den Eingang bzw. den Eingangskondensator 51 übertragen. Die Dauer, während der diese Energie an den Eingang übertragen wird, wird durch die Dauer repräsentiert, in der der Laststrom I_DS bei dem in 3 gezeigten Zeitverlaufsdiagramm negativ ist. Der Transformator wurde entmagnetisiert, wenn der Laststrom I_DS zur Zeit t11 Null erreicht (und die Magnetisierung M_TR Null erreicht). Nach der Zeit t11 wird der Transformator 2 positiv magnetisiert, bis der erste elektronische Schalter 1 zur Zeit t2 ausschaltet. Nach der Einschaltdauer Ton1 wird die in dem Transformator gespeicherte Energie, während der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG, wie vorangehend erläutert an die Sekundärwicklung 2 ₂, die Gleichrichterschaltung 3 und die Last Z übertragen.
Bei dem in 3 gezeigten Verfahren sind die Schaltverluste geringer als in der quasi-resonanten Betriebsart (siehe 2), da der erste elektronische Schalter 1 bei einer geringeren Laststreckenspannung schaltet, nämlich bei V_DSmin2 im Vergleich zu V_DSmin1 in der quasi-resonanten Betriebsart. Das Vormagnetisieren des Transformators 2 ist nicht mit signifikanten Verlusten verbunden, da die Energie, die zum Vormagnetisieren des Transformators 2 verwendet wird, zu Beginn der Einschaltdauer T_ON1 an den Eingang bzw. den Eingangskondensator 51 zurückgeführt wird. Der Pegel des zweiten Minimums V_DSmin2 hängt unter anderem von der Entmagnetisierungsdauer T_ON2 ab, wobei sich der Spannungspegel des Minimums V_DSmin2 verringert, wenn die Entmagnetisierungsdauer T_ON2 ansteigt. Gemäß einer Ausgestaltung ist die Entmagnetisierungsdauer T_ON2 so eingestellt, dass der Spannungspegel des zweiten Minimums V_DSmin2 größer als Null ist. Der elektronische Schalter 1 kann eine parasitäre Kapazität aufweisen, die ansteigt, wenn die Laststreckenspannung V_DS sich verringert. Deshalb steigt die während der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 in dem Transformator 2 zu speichernde Energie, die erforderlich ist, um die parasitäre Kapazität in der ersten Verzögerungszeit T_DEL1 zu entladen unproportional, je geringer der gewünschte Spannungspegel des zweiten Minimums V_DSmin2 ist. Gemäß einer Ausgestaltung ist die Entmagnetisierungsdauer T_ON2 dergestalt, dass der Spannungspegel des Minimums V_DSmin2 5 V oder höher ist, 10 V oder höher, oder 20 V oder höher. Gemäß einer Ausgestaltung ist das Minimum geringer als 50 V.
Die Vormagnetisierungsdauer T_ON2 kann zu einer beliebigen Zeit nach der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG beginnen. Das heißt, es besteht kein Erfordernis, die Entmagnetisierungsdauer T_ON2 bei einer bestimmten Phasenlage der parasitären Oszillation der Laststreckenspannung V_DS zu beginnen, die nach der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG auftritt. Daher kann der Transformator 2 mit einer vorgegebenen (festen) Frequenz vormagnetisiert werden. Das heißt, eine Dauer T zwischen dem Beginn der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 in einem Steuerzyklus und dem Beginn der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 in einem nachfolgenden Steuerzyklus kann konstant sein. Wenn beispielsweise die Vormagnetisierungsdauer T_ON2 in jedem Steuerzyklus im Wesentlichen gleich ist und die erste Verzögerungszeit T_DEL1 in jedem Steuerzyklus im Wesentlichen gleich ist, dann ist die Schaltfrequenz des ersten elektronischen Schalters 1 gleich der vorgegebenen (festen) Frequenz f = 1/T, mit der der Transformator vormagnetisiert wird. Daher kann das in 3 gezeigte Verfahren bei dem Sperrwandler für einen Betrieb des elektronischen Schalters 1 mit einer festen Frequenz sorgen. "Betrieb mit einer festen Frequenz" bedeutet, dass die Schaltfrequenz während des Betriebs des Sperrwandlers unabhängig von einer Leistungsaufnahme der Last im Wesentlichen fest ist. Gemäß einer anderen Ausgestaltung verändert der Controller 4 die Schaltfrequenz basierend auf einer Leistungsaufnahme der Last Z, wobei sich die Schaltfrequenz verringern kann, wenn die Leistungsaufnahme ansteigt. Die Leistungsaufnahme der Last Z wird durch das Rückkopplungssignal S_FB repräsentiert. Die Leistungsaufnahme der Last ist im Wesentlichen gleich einer momentanen Ausgangsleistung des Sperrwandlers.
Die Einschaltdauer T_ON1 des ersten elektronischen Schalters 1 kann auf eine herkömmliche Weise abhängig von dem Rückkopplungssignal S_FB und damit abhängig von einer Leistungsaufnahme der Last Z gesteuert werden. Wenn die Leistungsaufnahme der Last Z ansteigt, wird die Einschaltdauer T_ON1 länger, folglich wird die Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG länger und die zweite Verzögerungszeit T_DEL2 wird kürzer. Wenn die Leistungsaufnahme der Last Z ansteigt, wird die Einschaltdauer T_ON1 kürzer, folglich wird die Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG kürzer und die zweite Verzögerungszeit T_DEL2 wird länger.
In 3 bezeichnet T_OSC die Dauer der parasitären Oszillation der Laststreckenspannung V_DS, die nach der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG auftritt. Diese Dauer T_OSC ist im Wesentlichen gleich der Dauer der parasitären Oszillationen während der ersten Verzögerungszeit T_DEL1, die bewirkt, dass die Laststreckenspannung V_DS abfällt. Bezug nehmend auf 3 kann die erste Verzögerungszeit T_DEL1 im Wesentlichen ein Viertel der Oszillationsdauer, das heißt T_OSC/4, betragen. Diese Oszillationsdauer T_OSC hängt ab von einem Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN. Daher wird die erste Verzögerungszeit T_DEL1 gemäß einer Ausgestaltung abhängig von einem Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN eingestellt. Da der Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN während des Betriebs des Sperrwandlers üblicherweise konstant ist oder sich langsam ändert, so dass der Spannungspegel über eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Steuerzyklen konstant ist, beeinträchtigt das Einstellen der ersten Verzögerungszeit T_DEL1 abhängig von der Eingangsspannung V_IN den vorgegebenen Frequenzbetrieb des ersten elektronischen Schalters 1 nicht. Dasselbe gilt für die Einstellung der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung V_IN. Gemäß einer Ausgestaltung wird die Vormagnetisierungsdauer T_ON2 so eingestellt, dass sie länger wird, wenn der Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN ansteigt.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Messen der Oszillationsdauer T_OSC während der zweiten Verzögerungszeit T_DEL2 eines Steuerzyklus und das Einstellen der ersten Verzögerungsdauer T_DEL1 bei einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Steuerzyklen basierend auf dieser Messung. Da die Oszillationsdauer T_OSC Bezug nehmend auf das Obige von dem Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN abhängt und dieser Spannungspegel entweder konstant ist oder sich langsam ändert, kann es ausreichen, die Oszillationsdauer T_OSC nicht bei jedem Steuerzyklus zu messen, sondern alle paar Steuerzyklen.
Die Oszillationsdauer T_OSC kann basierend auf der Hilfsspannung V_AUX gemessen werden. Beispielsweise kann das Messen der Oszillationsdauer T_OSC das Ermitteln jener Zeiten umfassen, zu denen die Hilfsspannung V_AUX Null ist, und das Messen einer Dauer zwischen einem Zeitpunkt t31, zu dem die Hilfsspannung V_AUX zum ersten Mal Null erreicht, und einem Zeitpunkt t32, zu dem die Hilfsspannung V_AUX zum dritten Mal Null erreicht. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gemessen, zu denen die Hilfsspannung V_AUX Null erreicht. Diese Zeit entspricht der Hälfte der Oszillationsdauer T_OSC, das heißt, T_OSC/2. Basierend hierauf kann die Oszillationsdauer T_OSC berechnet werden.
Das in 3 gezeigte Verfahren kann auf unterschiedliche Arten implementiert werden. Gemäß einer Ausgestaltung beginnen die Vormagnetisierungsdauern T_ON2 mit einer vorgegebenen Frequenz. Bezug nehmend auf das Obige, kann die vorgegebene Frequenz fest sein oder von einer Leistungsaufnahme der Last abhängen. Ein Taktsignal kann verwendet werden, um den Beginn dieser Vormagnetisierungsperioden T_ON2 mit einer vorgegebenen Frequenz zu bestimmen. In 3 bezeichnen t01 und t4 jene Zeiten, zu denen die Vormagnetisierungsdauern beginnen. Die Vormagnetisierungsdauer T_ON2, die erste Verzögerungszeit T_DEL1 und die Einschaltdauer T_ON1 können, wie oben erläutert, eingestellt (berechnet) werden. Die Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG und die zweite Verzögerungszeit T_DEL2 hängen ab von der Einschaltdauer T_ON1 und stellen sich automatisch ein gemäß T_DEL2 + T_DEMAG = T – (T_ON1 + T_DEL1 + T_ON2) (3).
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung beginnen die Einschaltdauern T_ON1 mit einer vorgegebenen Frequenz, welche fest sein oder von einer Leistungsaufnahme der Last abhängen kann. Das heißt, die Steuerschaltung 4 schaltet den ersten elektronischen Schalter 1 mit einer vorgegebenen Frequenz. Es kann ein Taktsignal verwendet werden, um jene Zeiten zu bestimmen, zu denen die Einschaltdauern T_ON1 beginnen, das heißt, zu denen der elektronische Schalter 1 einschaltet. In der Figur bezeichnen t1 und t5 jene Zeiten, zu denen die Einschaltdauern T_ON1 beginnen. Die Einschaltdauern T_ON1, die Vormagnetisierungsdauern T_ON2 und die erste Verzögerungszeit T_DEL1 können wiederum, wie oben erläutert, eingestellt (berechnet) werden. Basierend auf diesen Parametern und basierend auf der Dauer T eines Steuerzyklus' werden die Zeiten berechnet, zu denen die Vormagnetisierungsdauern T_ON2 beginnen. Bezug nehmend auf 3 ist eine Dauer zwischen dem Beginn einer Einschaltdauer T_ON1 und dem Beginn der nächsten Vormagnetisierungsdauer T_ON2 die Einschaltdauer T_ON1 plus die Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG plus die zweite Verzögerungszeit T_DEL2 (T_ON1 + T_DEMAG + T_DEL2). Diese Dauer kann wie folgt leicht aus der Dauer T eines Steuerzyklus' T, der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 und der ersten Verzögerungszeit T_DEL1 berechnet werden: T_ON1 + T_DEMAG + T_DEL2 = T – (T_ON2 + T_DEL1) (4).
Gemäß noch einer anderen Ausgestaltung werden die Dauer T eines Steuerzyklus' bzw. die Schaltfrequenz (welche 1/T ist) durch Einstellung (Berechnung) der zweiten Verzögerungszeit T_DEL2 eingestellt. Bezug nehmend auf 3 ist eine Steuerzyklusdauer T gegeben durch T = (T_ON1 + T_DEMAG + T_DEL2 + T_ON2 + T_DEL1) (5a), wobei die Einschaltdauer T_ON1, die Vormagnetisierungsdauer T_ON2 und die erste Verzögerungszeit T_DEL1 wie oben erwähnt eingestellt (berechnet) werden können. Die Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG stellt sich basierend auf der Einschaltdauer T_ON1 automatisch ein. Somit kann eine gewünschte Dauer T eines Steuerzyklus' unter der Voraussetzung, dass die Parameter T_ON1, T_ON2 und T_DEL1 eingestellt werden und T_DEMAG sich automatisch einstellt, durch Einstellung der zweiten Verzögerungszeit T_DEL2 eingestellt werden. Daher ist kein Taktsignal erforderlich, das den Beginn der Einschaltdauer T_ON1 bzw. der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 bestimmt. Basierend auf Gleichung (5a) kann die zweite Verzögerungszeit T_DEL2 wie folgt berechnet werden: T_DEL2 = T – (T_ON1 + T_DEMAG + T_ON2 + T_DEL1) (5b).
Die gewünschte Steuerzyklusdauer T kann fest sein, oder von einer Leistungsaufnahme der Last abhängen. Im zuletzt genannten Fall kann die Steuerzyklusdauer T ansteigen, wenn sich die Leistungsaufnahme verringert, so dass sich die Schaltfrequenz verringert, wenn die Leistungsaufnahme sich verringert.
Das Einstellen der zweiten Verzögerungszeit T_DEL2 und damit das Einstellen der Steuerzyklusdauer T (der Schaltfrequenz) basierend auf den Gleichungen (5a) und (5b) erfordert es, dass die Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG gemessen (erfasst) wird. Das Messen der Entmagnetisierungsdauer kann das Messen der Dauer zwischen dem Ende der Einschaltdauer T_ON1 zur Zeit t2 und der Zeit t3, zu der der Transformator entmagnetisiert wurde, umfassen. Die Zeit t2 ist die Zeit, zu der das Steuersignal S1 auf einen Ausschaltpegel schaltet. Weiterhin ist die Zeit t2 gegeben durch die Zeit, zu der die Vormagnetisierungsdauer T_ON2 beginnt, plus die Vormagnetisierungsdauer T_ON2, die erste Verzögerungsdauer T_DEL1 und die Einschaltdauer T_ON1. Letztere werden, wie oben erläutert, eingestellt (berechnet). Ein Steuerzyklus beginnt zum Beginn der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 wie durch die zweite Verzögerungszeit T_DEL2 bestimmt.
Gemäß einer Ausgestaltung wird die Steuerzyklusdauer T durch Einstellung einer dritten Verzögerungszeit T_DEL2' eingestellt. Bezug nehmend auf 3 ist die dritte Verzögerungsdauer T_DEL2' gleich der zweiten Verzögerungsdauer T_DEL2 minus einem Viertel der Oszillationsdauer T_OSC. Das heißt, T_DEL2' = T_DEL2 – T_OSC/4 (6).
Basierend auf den Gleichungen (5b) und (6) kann die dritte Verzögerungszeit T_DEL2' wie folgt berechnet werden: T_DEL2' = T – (T_ON1 + T_DEMAG + (T_OSC/4) + T_ON2 + T_DEL1) (7).
In anderen Worten, die Steuerzyklusdauer T kann durch Einstellen der dritten Verzögerungszeit T_DEL2' eingestellt werden, unter der Voraussetzung, dass T_ON1, T_ON2 und T_DEL1 wie oben erläutert eingestellt werden und T_DEMAG und T_OSC/4 sich automatisch einstellen. Das Einstellen der zweiten Verzögerungszeit T_DEL2 und deshalb das Einstellen der Steuerzyklusdauer T (der Schaltfrequenz) basierend auf Gleichung (7) erfordert es, dass die Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG plus ein Viertel T_OSC/4 einer Oszillationsdauer T_OSC gemessen wird. Das Messen hiervon kann das Messen des Endes der Einschaltdauer T_ON1 zur Zeit t2 umfassen, und das Detektieren, wann die Hilfsspannung V_AUX zum ersten Mal nach dem Ende der Einschaltdauer T_ON1 Null kreuzt. In 3 bezeichnet t31 die Zeit, zu der die Hilfsspannung V_AUX zum ersten Mal nach dem Ende der Einschaltdauer T_ON1 Null kreuzt.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers, der dazu ausgebildet ist, das in 3 gezeigte Verfahren durchzuführen. Der in 4 gezeigte Sperrwandler basiert auf dem in 1 gezeigten Sperrwandler und weist zusätzlich eine Versorgungsschaltung 7 auf, die mit der Hilfswicklung 2 ₃ gekoppelt und dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung V_CC zu erzeugen, die von der Steuerschaltung 4 bezogen wird. Die Versorgungsschaltung 7 enthält eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 71 ₁ wie beispielsweise eine Diode, und einen Kondensator 72, der zu der Hilfswicklung 2 ₃ parallel geschaltet ist. Ein zweiter elektronischer Schalter 71 ₂ ist zu dem Gleichrichterelement 71 ₁ parallel geschaltet. Die Versorgungsspannung V_CC steht über dem Kondensator 72 zur Verfügung.. Der zweite elektronische Schalter 71 ₂ empfängt von der Steuerschaltung 4 ein zweites Steuersignal S2. Bezug nehmend auf das Obige bestimmt dieses Steuersignal S2 die Vormagnetisierungsdauer des Transformators 2.
Eine Möglichkeit zum Betrieb des in 4 gezeigten Sperrwandlers wird unter Bezugnahme auf die in 3 gezeigten Zeitverlaufsdiagramme erläutert. Während der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG wird Energie nicht nur an die Sekundärwicklung 2 ₂, die Gleichrichterschaltung 3 und die Last Z übertragen, sondern über die Hilfswicklung 2 ₃ und das Gleichrichterelement 71 ₁ auch an den Kondensator 72 der Versorgungsschaltung 7. Während der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 schließt die Steuerschaltung 4 den zweiten elektronischen Schalter 71 ₂. Dies bewirkt, dass der Transformator vormagnetisiert wird, wobei die in dem Transformator 2 gespeicherte Energie während der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 durch den Versorgungskondensator 72 der Versorgungsschaltung 7 bereitgestellt wird.
Optional weist der Sperrwandler einen zu der Hilfswicklung 2 ₃ parallel geschalteten Spannungsteiler auf. Bei dieser Ausgestaltung wird der Steuerschaltung 4 nicht die Hilfsspannung V_AUX sondern ein zur Hilfsspannung V_AUX proportionales Signal S_AUX zugeführt. Optional bezieht die Steuerschaltung 4 die Eingangsspannung V_IN über einen Widerstand 53. Die von der Steuereinheit 4 bezogene Eingangsspannung V_IN kann dazu verwendet werden, die Steuerschaltung 4 zu versorgen, bevor der elektronische Schalter 1 zum ersten Mal eingeschaltet wird, das heißt, vor der Inbetriebnahme des Sperrwandlers. Zusätzlich kann die Steuerschaltung 4 die Information über den Spannungspegel der Eingangsspannung V_IN dazu verwenden, um die Entmagnetisierungsdauer T_ON2 bzw. die erste Verzögerungszeit T_DEL1 zu steuern. Alternativ wird die erste Verzögerungsdauer T_DEL1 durch Messung der Oszillationsdauer T_OSC eingestellt.
Die Steuerschaltung 4 kann unter Verwendung einer dedizierten Analogschaltung oder unter Verwendung von Hardware und Software implementiert werden. Gemäß einer Ausgestaltung weist die Steuerschaltung einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller auf, auf dem eine Software läuft, die dazu ausgebildet ist, das unter Bezugnahme auf 3 erläuterte Verfahren durchzuführen.
Die Steuerschaltung 4 kann im Current Mode (CM) arbeiten. Bei dieser Ausgestaltung bezieht die Steuerschaltung 4 eine Spannung V52 von einem Shunt-Widerstand, der mit dem ersten elektronischen Schalter 1 in Reihe geschaltet ist. Diese Spannung V52 ist proportional zum Laststrom I_DS. Bei dieser Ausgestaltung ist die Steuerschaltung 4 dazu ausgebildet, die Einschaltdauer T_ON1 basierend auf der Spannung V52 und dem Rückkopplungssignal S_FB einzustellen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Steuerschaltung 4 dazu ausgebildet, die Einschaltdauer T_ON1 lediglich basierend auf dem Rückkopplungssignal S_FB zu berechnen.
Das in 5 gezeigte Gleichrichterelement 71 ₁ und der parallele Schalter 71 ₂ können durch einen MOSFET implementiert sein, der eine interne Bodydiode enthält. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers, bei dem ein MOSFET 71, wie in 5 gezeigt, das Gleichrichterelement 71 ₁ und den elektronischen Schalter 71 ₂ ersetzt. Dieser MOSFET 71 wird durch das zweite Steuersignal S2 gesteuert. Bei dem in 5 gezeigten Sperrwandler enthält die Versorgungsschaltung 7 einen weiteren Kondensator 73 und ein weiteres Gleichrichterelement 74. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Reihenschaltung mit dem zweiten elektronischen Schalter 71 und dem weiteren Kondensator 73 zu der Hilfswicklung 2 ₃ parallel geschaltet, und eine Reihenschaltung mit dem weiteren Gleichrichterelement 74 und dem Versorgungskondensator 72 ist zu dem weiteren Kondensator 73 parallel geschaltet. Bei dieser Ausgestaltung werden der Versorgungskondensator 72 und der weitere Kondensator 73 während der Entmagnetisierungsdauer T_DEMAG geladen, wobei der elektronische Schalter 71 während der Vormagnetisierungsdauer T_ON2 lediglich den weiteren Kondensator 73 entlädt. Das Gleichrichterelement 74 verhindert, dass der Versorgungskondensator 72 entladen wird. Bei dieser Ausgestaltung kann das Vormagnetisieren des Transformators nicht zu Veränderungen der Versorgungsspannung V_CC führen.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Versorgungsschaltung 7 eine weitere Hilfswicklung 2 ₄ enthält. Diese weitere Hilfswicklung ist induktiv mit der Primärwicklung 2 ₁, der Sekundärwicklung 2 ₂ und der Hilfswicklung 2 ₃ gekoppelt und besitzt denselben Wicklungssinn wie die Hilfswicklung 2 ₃. Bei dieser Ausgestaltung ist der zweite elektronische Schalter 71 zwischen der weiteren Hilfswicklung 2 ₄ und Schaltungsknoten des Versorgungskondensators 72 bzw. des weiteren Kondensators 73, die jenen Schaltungsknoten abgewandt sind, an denen diese Kondensatoren 72, 73 mit dem weiteren Gleichrichterelement 74 verbunden sind, angeschlossen.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sperrwandlers. Bei dieser Ausgestaltung entspricht die Versorgungsschaltung 7 der in 4 gezeigten Versorgungsschaltung, wobei der elektronische Schalter 71 ₁ und das Gleichrichterelement 71 ₂ lediglich durch ein Gleichrichterelement 74 ersetzt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die sekundärseitige Gleichrichterschaltung 3 einen zweiten elektronischen Schalter 33, der zu dem Gleichrichterelement 32 parallel geschaltet ist. Dieser zweite elektronische Schalter 33 kann über einen Transmitter 9 durch die Steuerschaltung 4 gesteuert werden. Bei dieser Ausgestaltung wird die Energie, die erforderlich ist, um den Transformator vorzumagnetisieren, von dem Ausgangskondensator 31 bereitgestellt, wenn der zweite Schalter 33 während der Vormagnetisierungsdauer eingeschaltet ist.
Obgleich verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, mit denen einige der Vorteile der Erfindung realisiert werden können. Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen erfüllen, zweckmäßig an die Stelle der ursprünglichen Komponenten treten können. Es ist anzumerken, dass Merkmale, die mit Bezug auf eine konkrete Figur erläutert wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Des Weiteren können die erfindungsgemäßen Verfahren entweder in reinen Software-Implementierungen, die mit den entsprechenden Prozessor-Instruktionen arbeiten, oder in Hybrid-Implementierungen, die mit einer Kombination von Hardware-Logik und Software-Logik arbeiten, erreicht werden, um zu den gleichen Ergebnissen zu gelangen.

Claims

Verfahren bei einem Spannungswandler, wobei das Verfahren in jedem von aufeinanderfolgenden Steuerzyklen aufweist: Einschalten eines ersten elektronischen Schalters, der mit einer Primärwicklung eines Transformators in Reihe geschaltet ist, für eine Einschaltdauer; Vormagnetisieren des Transformators für eine Vormagnetisierungsdauer, bevor der erste elektronische Schalter eingeschaltet wird; wobei zwischen einem Ende der Vormagnetisierungsdauer und einem Beginn der Einschaltdauer eine erste Verzögerungszeit vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vormagnetisieren des Transformators das Einschalten eines von dem ersten elektronischen Schalter verschiedenen zweiten elektronischen Schalters während der Vormagnetisierungsdauer umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Vormagnetisieren des Transformators bei aufeinanderfolgenden Steuerzyklen das Vormagnetisieren des Transformators mit einer vorgegebenen Frequenz umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die vorgegebene Frequenz durch ein Taktsignal bestimmt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die vorgegebene Frequenz eine Festfrequenz ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die vorgegebene Frequenz von einer momentanen Ausgangsleistung des Spannungswandlers abhängt.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die vorgegebene Frequenz ansteigt, wenn die momentane Ausgangsleistung ansteigt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Einschalten des ersten elektronischen Schalters für die Einschaltdauer das Einschalten des ersten elektronischen Schalters mit einer vorgegebenen Frequenz umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die vorgegebene Frequenz durch ein Taktsignal bestimmt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, das weiterhin aufweist: Berechnen eines Beginns der Vormagnetisierungsdauer basierend auf einem Kehrwert der vorgegebenen Frequenz, der Einschaltdauer, der Vormagnetisierungsdauer und der ersten Verzögerungszeit.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Einstellen einer Frequenz, mit der die Vormagnetisierungsdauern bei aufeinanderfolgenden Steuerzyklen beginnen, durch Einstellen einer weiteren Verzögerungszeit nach einer Entmagnetisierungsdauer und einem Beginn der Vormagnetisierungsdauer.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das weiteren aufweist: Beziehen einer Eingangsspannung durch den Spannungswandler, Einstellen der Vormagnetisierungsdauer abhängig von einem Spannungspegel der Eingangsspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Einstellen der Vormagnetisierungsdauer das Erhöhen der Vormagnetisierungsdauer aufweist, wenn der Pegel der Eingangsspannung ansteigt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Beziehen einer Eingangsspannung durch den Spannungswandler, Einstellen der Verzögerungsdauer in Abhängigkeit von einem Spannungspegel der Eingangsspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Einstellen der Verzögerungsdauer das Erhöhen der Verzögerung aufweist, wenn der Pegel der Eingangsspannung ansteigt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Entmagnetisieren des Transformators während einer Entmagnetisierungsdauer nach der Einschaltdauer; Erfassen, in einem Steuerzyklus, einer Oszillationsdauer einer Spannungsoszillation über dem elektronischen Schalter nach der Entmagnetisierungsdauer; und Einstellen der ersten Verzögerungszeit in einem Steuerzyklus nach dem einen Steuerzyklus basierend auf der erfassten Oszillationsdauer.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Erfassen der Oszillationsdauer das Auswerten einer Spannung über einer Hilfswicklung des Transformators oder eines davon abhängigen Signals umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Auswerten der Spannung oder des davon abhängigen Signals das Detektieren von Nulldurchgängen der Spannung oder des von dieser abhängigen Signals umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 18, wobei der Spannungswandler eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den ersten elektronischen Schalter und den zweiten elektronischen Schalter und eine mit einer Hilfswicklung des Transformators gekoppelte Versorgungsschaltung zu steuern, aufweist, und dazu ausgebildet ist, der Steuerschaltung eine Versorgungsspannung zuzuführen, und wobei der zweite elektronische Schalter zwischen ein Speicherelement in der Versorgungsschaltung und die Hilfswicklung gekoppelt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Steuerschaltung eine Spannung über der Hilfswicklung oder ein davon abgeleitetes Signal zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Spannungswandler eine weitere Hilfswicklung aufweist, und wobei der Steuerschaltung eine Spannung über der weiteren Hilfswicklung oder ein davon abgeleitetes Signal zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 21, wobei der Transformator eine Sekundärwicklung aufweist und der Spannungswandler eine mit der Sekundärwicklung gekoppelte Gleichrichterschaltung aufweist, und wobei der zweite elektronische Schalter zwischen ein Speicherelement in der Gleichrichterschaltung und die Sekundärwicklung gekoppelt ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Bereitstellen eines Ausgangssignals durch den Spannungswandler; Erzeugen eines Rückkopplungssignals basierend auf einem Signalpegel des Ausgangssignals; und Einstellen der Einschaltdauer basierend auf dem Rückkopplungssignal.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Ausgangssignal eines von einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom des Spannungswandlers ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektronische Schalter einen Transistor aufweist.
Spannungswandler, der aufweist: einen Transformator, der eine Primärwicklung aufweist; einen ersten elektronischen Schalter, der mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet ist; und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, in jedem einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Steuerzyklen den ersten elektronischen Schalter vor dem Einschalten des ersten elektronischen Schalters für eine Einschaltdauer einzuschalten, um zu bewirken, dass der Transformator für eine Vormagnetisierungsdauer vormagnetisiert wird, und eine erste Verzögerungszeit zwischen einem Ende der Vormagnetisierungsdauer und einem Beginn der Einschaltdauer zu erzeugen.
Spannungswandler gemäß Anspruch 26, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, während der Vormagnetisierungsdauer einen vom ersten elektronischen Schalter verschiedenen zweiten elektronischen Schalter einzuschalten, um zu bewirken, dass der Transformator vormagnetisiert wird.
Spannungswandler gemäß Anspruch 27, wobei der Spannungswandler außerdem aufweist: eine Hilfswicklung des Transformators; und eine Versorgungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, der Steuerschaltung eine Versorgungsspannung zuzuführen, wobei die Versorgungsschaltung zumindest einen Ladungsspeicher und den zweiten elektronischen Schalter aufweist, wobei der zweite elektronische Schalter zwischen den Ladungsspeicher und die Hilfswicklung gekoppelt ist.
Spannungswandler gemäß Anspruch 27, wobei der Spannungswandler außerdem aufweist: eine Sekundärwicklung des Transformators; und eine Gleichrichterschaltung, die zwischen die Sekundärwicklung und einen Ausgang des Spannungswandlers gekoppelt ist, wobei der zweite elektronische Schalter in der Gleichrichterschaltung zwischen die Sekundärwicklung und den Ausgang gekoppelt ist.