DE102016123233A1

DE102016123233A1 - Steuern von asymmetrischen parallelen synchrongleichrichtern in leistungswandlertopologien

Info

Publication number: DE102016123233A1
Application number: DE102016123233.5A
Authority: DE
Inventors: Darryl Tschirhart; Benjamim Tang
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US20170163159A1; US9882492B2; CN106856376A; CN106856376B

Abstract

Ein Leistungswandler umfasst eine Eingangsleistungsquelle, einen Synchrongleichrichter und eine Steuerung. Der Synchrongleichrichter enthält mehrere aktiv gesteuerte Schalter, die parallel gekoppelt sind und dazu ausgebildet sind, Strom gleichzurichten, der von der Eingangsleistungsquelle an eine Last geliefert wird. Die Steuerung ist dazu betreibbar, ein erstes Steuersignal zum Ansteuern eines ersten der aktiv gesteuerten Schalter auszugeben und ein zweites Steuersignal zum Ansteuern eines zweiten der aktiv gesteuerten Schalter auszugeben. Das erste Steuersignal ist ein anderes Steuersignal als das zweite Steuersignal, so dass der erste aktiv gesteuerte Schalter steuerbar getrennt vom zweiten aktiv gesteuerten Schalter ist. Der erste aktiv gesteuerte Schalter weist eine höhere Strombelastbarkeit als der zweite aktiv gesteuerte Schalter auf.

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Leistungswandler, insbesondere auf das Steuern von parallelen Synchrongleichrichtern in Leistungswandlern.
Um einen hohen Gleichrichtungswirkungsgrad bei Volllast zu erreichen, sind mehrere Leistungstransistoren parallel an einer einzelnen Synchrongleichrichter(SR)-Position verbunden, um den SR-Widerstandswert effizient um einen Faktor der Anzahl paralleler Transistoren zu reduzieren. Zum Beispiel weisen drei parallele Transistoren einen äquivalenten Durchlasswiderstand von 1/3 eines einzelnen Bauelements auf. Allerdings ist der mit dem Parallelschalten mehrerer Bauelemente verknüpfte Ausgleich eine Einbuße im Schwachlastwirkungsgrad, weil sich der Gate-Verlust um einen Faktor der Anzahl paralleler Bauelemente erhöht. Im vorherigen Beispiel weisen drei parallele Bauelemente den dreifachen Gate-Verlust eines einzelnen Bauelements auf. Bei Schwachlast (niedrige Leistung) ist der Gate-Verlust vorherrschend, und bei Volllast (hohe Leistung) ist der Leitungsverlust vorherrschend, also ist unvermeidbar ein Zielkonflikt vorhanden. Falls die Leistungswandler eine Sekundärwicklung mit Mittelabgriff aufweisen, ist die Spannungsbeanspruchung größer als die widergegebene Eingangsspannung. Daher erfordern die SRs einen höheren Bemessungsspannungsbereich mit höherer Gate-Ladung als Bauelemente für niedrigere Spannungen mit äquivalenten Durchlasswiderständen.
Realistischer Weise weisen die Teile für höhere Spannungen höhere Gate-Ladung und einen höheren Durchlasswiderstand auf, was die Notwendigkeit paralleler Bauelemente verstärkt und die Schwachlasteinbuße erhöht. Bei Verwendung von parallelen Transistoren anstelle eines einzelnen Bauelements ist es üblich, die Strombelastbarkeit eines Leistungswandlers zu erhöhen. Allerdings sind die Bauelemente typischerweise symmetrisch und werden vom gleichen Signal angesteuert. Ein Ansatz nutzt FET-Modulation, wobei die Größen der FETs und die Gate-Ansteuerspannung gemäß der Last moduliert werden, um so den Wirkungsgrad über dem Lastbereich für nicht potentialgetrennte Gleichspannungswandler zu verbessern. Bei Schwachlast wird ein kleiner FET mit geringer Gate-Ansteuerung verwendet, um die kapazitiven Verluste zu reduzieren, die bei diesem Lastbereich vorherrschen. Wenn sich die Last erhöht, erhöht sich die FET-Größe zusammen mit der Gate-Ansteuerspannung, um die Leitungsverluste zu minimieren, die den vorherrschenden Verlustmechanismus bei mittleren bis hohen Strömen bilden. Dieses Konzept wurde auf potentialgetrennte Topologien ausgeweitet, bei denen symmetrische Synchrongleichrichter parallel verwendet worden sind. Wenn sich die Last reduziert, werden die parallelen Synchrongleichrichter ausgeschaltet, und die an die übrigen SRs angelegte Gate-Ansteuerspannung wird reduziert. Dieser Ansatz weist einige Nachteile auf. Erstens stellt Gate-Spannungsanpassung normalerweise Leistungseinsparungen für den Wandler, aber nicht für das System bereit. Die durch die Gate-Spannungsversorgung auftretenden Verluste sind typischerweise gleich den beim Leistungswandler auftretenden Einsparungen. Also lohnt sich in realen Systemen der Aufwand nicht. Zweitens begrenzt die Verwendung von symmetrischen FETs den erreichbaren Schwachlastwirkungsgrad, weil die SRs typischerweise große Dies (Chips) aufweisen.
Bereits vorhandene Lösungen passen die Leitungszeit der Synchrongleichrichter in Abhängigkeit von der Last an. In einem Fall leiten Synchrongleichrichter sowohl während der Energieübertragungs- als auch während der Freilaufintervalle des Schaltzyklus bei Bedingungen hoher Last, bei denen der Energieübertragungsstrom der Strom ist, der mit einem oder mehreren primärseitigen Bauelementen verknüpft ist, die die Eingangsspannung mit der Transformatorprimärseite verbinden, um so Energie von der Quelle zur Last zu übertragen. Freilaufstrom ist der Strom, der von der Filterinduktivität durch die Synchrongleichrichter gezogen wird, während alle primärseitigen Bauelemente aus sind. Wenn sich die Last reduziert, leiten die Synchrongleichrichter nur den Energieübertragungsstrom, während die Body-Dioden den Freilaufstrom leiten. Bei noch schwächeren Lasten bleiben die Synchrongleichrichter aus, und die Body-Dioden leiten den gesamten Strom. Pro Zyklus gibt es zwei Energieübertragungsintervalle (positiv und negativ), und ihre Summe stellt den Tastgrad gemäß
dar, wobei ton die Ein-Zeit der passenden primärseitigen Bauelemente zum Erzeugen des Spannungseinfalls V_AB auf der Primärseite des Transformators für die positiven und negativen Halbzyklen ist, die durch die Symbole + bzw. – angegeben werden, und Tsw ist die Schaltperiode. Die Freilaufintervalle treten auf, wenn V_AB null ist, der Strom in den SRs jedoch nicht null ist. Die Freilaufzeitsumme pro Schaltperiode stellt 1 – D dar. Falls parallele Bauelemente bei der oben beschriebenen zweiten konventionellen Lösung verwendet werden, wird der Wandler schlechtere Schwachlastleistungscharakteristik als bei der oben beschriebenen ersten konventionellen Lösung aufweisen, weil die zweite Lösung keine einzelnen Bauelemente ausschalten kann.
Gemäß einer Ausführungsform einer Synchrongleichrichterschaltung umfasst die Synchrongleichrichterschaltung mehrere aktiv gesteuerte Schalter, die parallel gekoppelt sind, und mehrere Gate-Treiber, die jeweils einen Eingangsanschluss zum Erhalten eines Steuersignals und einen Ausgangsanschluss, der mit einem Gate eines der aktiv gesteuerten Schalter gekoppelt ist, aufweisen. Jeder Gate-Treiber ist dazu ausgebildet, den aktiv gesteuerten Schalter, der mit seinem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, als Reaktion auf das Steuersignal anzusteuern, das er an seinem Eingangsanschluss empfängt. Die Synchrongleichrichterschaltung umfasst auch eine Steuerung, die dazu betreibbar ist, einem ersten der Gate-Treiber ein erstes Steuersignal bereitzustellen und einem zweiten der Gate-Treiber ein zweites Steuersignal bereitzustellen, wobei das erste Steuersignal ein anderes Steuersignal als das zweite Steuersignal ist, so dass der aktiv gesteuerte Schalter, der vom ersten Gate-Treiber angesteuert wird, steuerbar getrennt oder unabhängig vom aktiv gesteuerten Schalter ist, der vom zweiten Gate-Treiber angesteuert wird.
Gemäß einer Ausführungsform eines Leistungswandlers umfasst der Leistungswandler eine Eingangsleistungsquelle, einen Synchrongleichrichter und eine Steuerung. Der Synchrongleichrichter umfasst mehrere aktiv gesteuerte Schalter, die parallel gekoppelt sind und dazu ausgebildet sind, Strom gleichzurichten, der von der Eingangsleistungsquelle an eine Last geliefert wird. Die Steuerung ist dazu betreibbar, ein erstes Steuersignal zum Ansteuern eines ersten der aktiv gesteuerten Schalter auszugeben und ein zweites Steuersignal zum Ansteuern eines zweiten der aktiv gesteuerten Schalter auszugeben. Das erste Steuersignal ist ein anderes Steuersignal als das zweite Steuersignal, so dass der erste aktiv gesteuerte Schalter steuerbar getrennt oder unabhängig vom zweiten aktiv gesteuerten Schalter ist. Der erste aktiv gesteuerte Schalter weist eine höhere Strombelastbarkeit als der zweite aktiv gesteuerte Schalter auf. Der Leistungswandler kann ein Resonanz- oder ein Nicht-Resonanzwandler sein und kann eine potentialgetrennte oder eine nicht potentialgetrennte Topologie aufweisen.
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu in Bezug zueinander. Gleiche Referenznummern bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen veranschaulichten Ausführungsformen können kombiniert werden, es sei denn, sie schließen einander aus. Ausführungsformen werden in den Zeichnungen aufgezeigt und in der folgenden Beschreibung genau beschrieben.
1 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Leistungswandlers mit einer asymmetrischen Synchrongleichrichter-Bauweise.
2 veranschaulicht gemäß einer ersten Steuerausführungsform verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 1 gezeigten Leistungswandlers unter Volllastbedingungen an der Last verknüpft sind.
3 veranschaulicht gemäß der ersten Steuerausführungsform verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 1 gezeigten Leistungswandlers unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last verknüpft sind.
4 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 1 gezeigten Leistungswandlers unter Volllastbedingungen an der Last verknüpft sind.
5 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 1 gezeigten Leistungswandlers bei der Bedingung der kritischen Leitung (Critical Conduction) verknüpft sind.
6 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 1 gezeigten Leistungswandlers unter der Bedingung der kritischen Leitung verknüpft sind.
7 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Steuerung des in 1 gezeigten Leistungswandlers die Synchrongleichrichtersteuersignale unterschiedlich für Bedingungen hoher, mittlerer und niedriger Leistung an der Last aktiviert.
8 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Steuerung des in 1 gezeigten Leistungswandlers die Ein-Zeit der aktiv gesteuerten Schalter des Synchrongleichrichters gemäß den Lastbedingungen aktiviert.
9 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines LLC-Resonanzwandlers mit einer asymmetrischen Synchrongleichrichter-Bauweise.
10 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 9 gezeigten LLC-Resonanzwandlers verknüpft sind.
11 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Resonanzwandlers des Spannungstyps mit einer asymmetrischen Synchrongleichrichter-Bauweise.
12 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 11 gezeigten Resonanzwandlers des Spannungstyps verknüpft sind.
13 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Abwärtswandlers mit einer asymmetrischen Synchrongleichrichter-Bauweise.
14 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 13 gezeigten Abwärtswandlers verknüpft sind.
Hier beschriebene Ausführungsformen erhöhen den Gleichrichtungswirkungsgrad einer potentialgetrennten oder nicht potentialgetrennten Versorgung, indem sie getrennte Steuersignale für die aktiv gesteuerten Schalter bereitstellen, die in einer Synchrongleichrichterschaltung parallel verbunden sind. Indem getrennte Steuersignale ausgegeben werden, können asymmetrische Bauelemente sicher parallel verwendet werden. Zum Beispiel kann ein kleiner Leistungstransistor parallel mit einem großen Leistungstransistor verwendet werden, ohne den kleinen Transistor zu beschädigen. Eine Synchrongleichrichterschaltung mit einer solchen Konfiguration erreicht höhere Wirkungsgrade bei niedriger bis mittlerer Last gegenüber standardmäßigen Synchrongleichrichterumsetzungsformen.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Leistungswandlers zum Versorgen einer Last durch eine Ausgangsinduktivität L_O und einen Ausgangskondensator C_O. Die Last wird in 1 allgemein als ein Widerstand R_L veranschaulicht. Der Leistungswandler umfasst eine Eingangsleistungsquelle, die als eine Halb- oder Vollbrückenschaltung 100, gekoppelt mit einer Gleichspannungsquelle Vin veranschaulicht ist, und eine Synchrongleichrichterschaltung 102 zum Gleichrichten des Stroms, der von der Eingangsleistungsquelle zur Last geliefert wird. Der in 1 gezeigte beispielhafte Leistungswandler weist eine potentialgetrennte Topologie auf, bei der der Wandler einen Transformator 104 enthält, um die Eingangsleistungsquelle von der Last zu trennen. Die Halb- oder Vollbrückenschaltung 100 ist mit der Primärwicklung W_P des Transformators 104 gekoppelt, und die Synchrongleichrichterschaltung 102 ist mit der Sekundärwicklung W_S des Transformators 104 gekoppelt.
Die Synchrongleichrichterschaltung 102 umfasst einen Synchrongleichrichter 106, 108 für jeden positiven und negativen Zweig des Leistungswandlers. Der erste Synchrongleichrichter 106 ist dazu ausgebildet, den Strom im positiven Zyklus an der Sekundärseite des Transformators 104 gleichzurichten, und der zweite Synchrongleichrichter 108 ist dazu ausgebildet, den Strom im negativen Zyklus gleichzurichten. Jeder Synchrongleichrichter 106, 108 weist mehrere aktiv gesteuerte Schalter SR_N/M auf, die parallel gekoppelt sind. Lediglich zur Veranschaulichung ist der erste Synchrongleichrichter 106 (positiver Zyklus) mit zwei aktiv gesteuerten Schaltern SR_1A/SR_1B, die parallel gekoppelt sind, gezeigt, und der zweite Synchrongleichrichter 108 (negativer Zyklus) ist gleichermaßen mit zwei aktiv gesteuerten Schaltern SR_2A/SR_2B, die parallel gekoppelt sind, gezeigt.
Die Synchrongleichrichterschaltung 102 umfasst weiterhin mehrere Gate-Treiber 110 und eine Steuerung 112. Jeder Gate-Treiber 110 weist einen Eingangsanschluss zum Erhalten eines Steuersignals Ctrl_SRN/M aus der Steuerung 112, wobei N den Synchrongleichrichterzweig angibt (in diesem Beispiel positiver oder negativer Zyklus) und M den besonderen aktiv gesteuerten Schalter im Zweig N angibt, und einen Ausgangsanschluss, der mit dem Gate eines der aktiv gesteuerten Schalter SR_N/M gekoppelt ist, auf. Jeder Gate-Treiber 110 ist dazu ausgebildet, den aktiv gesteuerten Schalter SR_N/M anzusteuern, der mit seinem Ausgangsanschluss über ein Gate-Steuersignal V_gsSRN/M gekoppelt ist, das dem an seinem Eingangsanschluss Erhaltenen Steuersignal entspricht.
Für jeden Synchrongleichrichter 106, 108 ist die Steuerung 112 dazu betreibbar, ein anderes Steuersignal Ctrl_SRN/M für jeden Gate-Treiber 110, der mit einem der aktiv gesteuerten Schalter SR_N/M verknüpft ist, für diesen Synchrongleichrichter 106, 108 bereitzustellen. Die Steuersignale Ctrl_SRN/M, die von der Steuerung 112 bereitgestellt werden, sind unterschiedlich, so dass jeder aktiv gesteuerte Schalter SR_N/M, der von einem der Gate-Treiber 110 angesteuert wird, getrennt oder unabhängig von den anderen aktiv gesteuerten Schaltern SR_N/M steuerbar ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel bedeutet dies, dass der aktiv gesteuerte Schalter SR_1A des ersten Synchrongleichrichters 106 (positiver Zyklus) getrennt oder unabhängig vom aktiv gesteuerten Schalter SR_1B des gleichen Synchrongleichrichters 106 steuerbar ist, auch wenn diese beiden aktiv gesteuerten Schalter SR_1A/1B parallel gekoppelt sind. Gleichermaßen ist der aktiv gesteuerte Schalter SR_2A des zweiten Synchrongleichrichters 108 (negativer Zyklus) getrennt oder unabhängig vom aktiv gesteuerten Schalter SR_2B steuerbar. Die aktiv gesteuerten Schalter SR_N/M jedes Synchrongleichrichters 106, 108 weisen auch unterschiedliche Strombelastbarkeiten auf, so dass einige Schalter mehr Ausgangsstrom als andere verarbeiten können.
Die Strombelastbarkeitsasymmetrie kann auf unterschiedliche Arten erreicht werden. In einer Ausführungsform umfasst jeder aktiv gesteuerte Schalter SR_N/M eines Synchrongleichrichters 106/108 einen Leistungstransistor-Die, und die Leistungstransistor-Dies weisen unterschiedliche Nennströme (current ratings) auf. Auf diese Weise kann ein Leistungstransistor-Die mehr Ausgangsstrom verarbeiten als ein anderer Leistungstransistor-Die des gleichen Synchrongleichrichters 106/108, auch wenn die Transistor-Dies parallel gekoppelt sind. Alternativ können die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A und die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B des gleichen Synchrongleichrichters 106/108 im gleichen (einzelnen) Halbleiter-Die integriert sein, um eine integrierte Leistungsstufe für diesen Gleichrichter 106/108 umzusetzen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst jeder aktiv gesteuerte Schalter SR_N/M eines Synchrongleichrichters 106/108 einen oder mehrere parallele Transistoren. Einer der aktiv gesteuerten Schalter SR_N/M dieses Synchrongleichrichters 106/108 weist weniger parallel gekoppelte Transistoren auf als der oder die andere(n) aktiv gesteuerte(n) Schalter SR_N/M dieses Synchrongleichrichters 106/108. Zum Beispiel ist in 1 der aktiv gesteuerte Schalter SR_1A des ersten Synchrongleichrichters 106 (positiver Zyklus) mit wenigstens drei Transistoren SR1A_1, SR1A_2, SR1A_3, die parallel gekoppelt sind und vom gleichen Gate-Ansteuersignal V_gsSR1A gesteuert werden, gezeigt, und der aktiv gesteuerte Schalter SR_1B des ersten Synchrongleichrichters 106 ist mit einem einzelnen Transistor SR1B_1 gezeigt, der vom Gate-Ansteuersignal V_gsSR1B gesteuert wird. Noch andere Transistoranordnungen können asymmetrische Strombelastbarkeiten für jeden Synchrongleichrichter 106, 108 ergeben. Im Allgemeinen sind die aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A, die mit einem ‚A‘ bezeichnet sind, größere Bauelemente mit geringerem Einschaltwiderstand Rds, höherer Strombelastbarkeit und größerer Gate-Ladung Qg. Die aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B, die mit einem ‚B‘ bezeichnet sind, sind kleinere Bauelemente mit höherem Einschaltwiderstand Rds, geringerer Strombelastbarkeit und geringerer Gate-Ladung Qg. Obwohl in 1 nur zwei aktiv gesteuerte SR_N/M pro Synchrongleichrichter(SR)-Position parallel liegen, wird der Ansatz der asymmetrischen Bauweise einfach auf mehr als zwei aktiv gesteuerte parallele Schalter SR_N/M pro SR-Position hochgerechnet. Eine Synchrongleichrichterschaltung mit solchen asymmetrischen Charakteristika erreicht höhere Wirkungsgrade bei niedriger bis mittlerer Last gegenüber standardmäßigen Synchrongleichrichterumsetzungsformen.
Die 2 und 3 veranschaulichen verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 1 gezeigten Leistungswandlers verknüpft sind. 2 zeigt die Kurvenverläufe unter Volllastbedingungen an der Last, und 3 zeigt die gleichen Kurvenverläufe unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last oder so genannten Schwachlastbedingungen. Der Leistungswandler weist asymmetrische, aktiv gesteuerte Schalter SR_N/M auf, die parallel verwendet werden, um die jeweiligen Synchrongleichrichter 106, 108 umzusetzen, wie oben erörtert worden ist. Bei Schwachlastbedingungen leitet der kleinere aktiv gesteuerte Schalter SR_N/B jedes Synchrongleichrichters 106, 108, um niedrigeren Gleichrichtungsverlust als standardmäßige Wandler mit symmetrischen aktiv gesteuerten Schaltern, die parallel gekoppelt sind, zu bieten. Die Steuersignale Ctrl_SRN/M, die von der Steuerung 112 bereitgestellt werden, sind für die parallel gekoppelten Schalter SR_N/M jedes Synchrongleichrichters 106, 108 nicht identisch. Die 2 und 3 zeigen die entsprechenden Gate-Ansteuersignale V_gsSRN/M, die an die Gates der aktiv gesteuerten Schalter SR_N/M angelegt werden, die Spannung V_AB über der Sekundärwicklung des Transformators 104 und den Strom i_SR1, i_SR2, der von den jeweiligen Synchrongleichrichtern 106, 108 gleichgerichtet ist.
Jeder Schaltzyklus jedes Synchrongleichrichters 106, 108 beinhaltet ein Energieübertragungsintervall (D), während dessen Energie von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung des Transformators 104 übertragen wird, und ein Freilaufintervall (1 – D), während dessen die Eingangsleistungsquelle von der Sekundärseite getrennt ist. Dies erfolgt sowohl für den positiven (+) als auch den negativen (–) Zyklus des Stroms, der gleichgerichtet wird. Die Steuerung 112 aktiviert das Steuersignal Ctrl_SR1/2A für jeden größeren, aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A des jeweiligen Synchrongleichrichters 106, 108 sowohl für das Energieübertragungsintervall als auch für das Freilaufintervall des entsprechenden positiven/negativen Zyklus unter Vollleistungsbedingungen an der Last. Auf diese Weise ist jeder größere aktiv gesteuerte Schalter SR_N/A für die gesamte positive oder negative Hälfte des Schaltzyklus ein. Die Steuerung 112 aktiviert das Steuersignal Ctrl_SR1/2B für jeden kleineren, aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B des jeweiligen Synchrongleichrichters 106, 108 für einen Teil oder das gesamte Energieübertragungsintervall und nicht für das Freilaufintervall des entsprechenden positiven/negativen Zyklus unter den Vollleistungsbedingungen an der Last.
In einer Ausführungsform aktiviert die Steuerung 112 Ctrl_SR1/2B am Anfang des Energieübertragungsintervalls und deaktiviert Ctrl_SR1/2B am Ende des Energieübertragungsintervalls unter den Vollleistungsbedingungen an der Last. Diese Vollleistungs-Steuertechnik führt dazu, dass die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A während beider Energieübertragungsintervalle (D, +/–) und des Freilaufintervalls (1 – D, +/–) unter Bedingungen starker Last leiten, wie in 2 zu sehen ist. Die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B leiten nur während des Energieübertragungsintervalls (D, +/–) unter Bedingungen starker Last, wie ebenfalls in 2 zu sehen ist.
Unter Schwachlastbedingungen können die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A ein oder aus sein, abhängig davon, welche Konfiguration einen höheren Wirkungsgrad bietet. In 3 werden die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A sowohl während des entsprechenden Energieübertragungsintervalls (D, +/–) als auch während des Freilaufintervalls (1 – D, +/–) unter Schwachlastbedingungen als aus gezeigt. Die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B leiten während des Energieübertragungsintervalls (D, +/–) unter Schwachlastbedingungen, wie ebenfalls in 3 zu sehen ist. Diese Schwachlast-Steuertechnik führt zu Gate-Verlusteinsparungen im Vergleich zu standardmäßigen Verfahren, insbesondere falls die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A aus sind.
Sowohl der Einschaltpunkt als auch der Ausschaltpunkt der Steuersignale Ctrl_SR1/2B für die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B können von der Steuerung 112 als Teil des normalen PWM(Pulsweitenmodulations)-Betriebs sowohl unter Vollleistungs- als auch unter Schwachlastbedingungen bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Steuerung 112 die Steuersignale Ctrl_SRN/M auf Basis eines PWM-Signals ausgeben, das von der Steuerung 112 als Teil einer standardmäßigen Steuerprozedur erzeugt wird. Der Tastgrad des PWM-Signals entspricht dem Energieübertragungsintervall (D), und 1 – D entspricht dem Freilaufintervall für jeden positiven/negativen Zyklus des Stroms, der gleichgerichtet wird.
In PWM-Wandlern sind die Energieübertragungsintervalle (D, +/–) und entsprechend die Freilaufintervalle (1 – D, +/–) von der Eingangsspannung Vin abhängig. Bei geringer Leitung (niedrige Vin) ist der Tastgrad maximal, was zu den breitesten Energieübertragungsintervallen und den kürzesten Freilaufintervallen führt. Bei High-Leitung (hohe Vin) ist der Tastgrad minimal, was zu den kürzesten Energieübertragungsintervallen und den breitesten Freilaufintervallen führt. In jedem Fall kann die Steuerung 112 den Mittelpunkt des Steuersignals Ctrl_SR1/2B für die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B mit dem Mittelpunkt des PWM-Signals ausrichten, um die in den 2 und 3 gezeigten Kurvenverläufe der Gate-Ansteuerung zu erreichen. Die Steuerung 112 kann die Breite z. B. des Tastgrads von Ctrl_SR1/2B auf Basis von Nutzereingaben einstellen, die im Speicher gespeichert sind, auf den die Steuerung 112 zugreifen kann.
In einer anderen Ausführungsform kann die Steuerung 112 den Einschaltpunkt des Steuersignals Ctrl_SR1/2B für jeden kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B mit dem von der Steuerung 112 erzeugten PWM-Signal sowohl unter Vollleistungs- als auch unter Schwachlastbedingungen ausrichten. Die Steuerung 112 kann den Ausschaltpunkt des Steuersignals Ctrl_SR1/2B für jeden kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B auf Basis eines RMS-Verfahrens (Root Mean Square, Effektivwert) bestimmen. In einer Ausführungsform berechnet die Steuerung 112 einen RMS-Messwert des Stroms, der vom Leistungswandler zur Last geliefert wird. Zum Beispiel weist ein Stromteiler für jeden kleinen aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B die folgende Formel auf:
wobei R_ds,sm der Einschaltwiderstand des kleinen aktiv gesteuerten Schalters SR_N/B ist, und R_ds,lrg der Einschaltwiderstand des großen aktiv gesteuerten Schalters SR_N/A ist, der parallel mit dem kleinen aktiv gesteuerten Schalter gekoppelt ist. Ein Stromteiler für jeden großen aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A weist eine ähnliche Formel auf, wie folgt:
Der RMS-Strom jedes kleinen aktiv gesteuerten Schalters SR_N/B wird dann gegeben durch:
und der RMS-Strom des großen aktiv gesteuerten Schalters SR_N/A, der parallel mit diesem kleinen aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B gekoppelt ist, ist gegeben durch:
wobei I_O der Ausgangsgleichstrom ist, und ∆I der Welligkeitsstrom der Ausgangsinduktivität L_O ist.
Die Steuerung 112 aktiviert das Steuersignal Ctrl_SR1/2B für jeden kleinen aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B zu Anfang des entsprechenden (+/–) Energieübertragungsintervalls. Die Steuerung 112 deaktiviert das Steuersignal als Reaktion darauf, dass der RMS-Messwert des vom Leistungswandlers an die Last gelieferten Stroms einen RMS-Grenzwert erreicht, der für diesen kleinen aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B definiert ist.
In einer anderen Ausführungsform aktiviert die Steuerung 112 das Steuersignal Ctrl_SR1/2B für jeden kleinen aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B vor dem Anfang des entsprechenden (+/–) Energieübertragungsintervalls und deaktiviert Ctrl_SR1/2B nach dem Ende dieses Energieübertragungsintervalls unter Vollleistungs- und/oder Schwachlastbedingungen an der Last. Die 4 und 5, die die gleichen Kurvenverläufe beinhalten, wie in den 2 und 3 gezeigt werden, veranschaulichen diese Ausführungsform.
4 zeigt die Kurvenverläufe unter Volllastbedingungen an der Last, und 5 zeigt die gleichen Kurvenverläufe unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last oder so genannten Schwachlastbedingungen. Gemäß dieser Ausführungsform aktiviert oder deaktiviert die Steuerung 112 das Steuersignal Ctrl_SR1/2A für jeden größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A sowohl für das entsprechende (+/–) Energieübertragungsintervall als auch für das Freilaufintervall unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last, wie in 5 gezeigt wird. Die Steuerung 112 aktiviert auch das Steuersignal Ctrl_SR1/2B für jeden entsprechenden kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B vor dem Anfang des entsprechenden (+/–) Energieübertragungsintervalls und deaktiviert Ctrl_SR1/2B nach dem Ende dieses Energieübertragungsintervalls unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last. Das heißt: Sowohl unter Vollleistungs- als auch unter Schwachlastbedingungen an der Last kann das Steuersignal Ctrl_SR1/2B für jeden kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B eine größere Breite (d. h. Tastgrad) als das entsprechende (+/–) Energieübertragungsintervall aufweisen, wie in 4 (Vollleistung) und in 5 (Schwachlast) gezeigt wird. In einer Ausführungsform aktiviert die Steuerung 112 das Steuersignal Ctrl_SR1/2B für jeden entsprechenden kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B für wenigstens einen Teil des entsprechenden (+/–) Freilaufintervalls unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last, falls nicht erwartet wird, dass ein RMS-Grenzwert, der für diesen kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B definiert ist, überschritten wird, wie vorher hier beschrieben worden ist.
Gemäß dieser Ausführungsform leiten die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A während der Energieübertragungs-(D, +/–) und der Freilauf-(1 – D, +/–)Intervalle unter Vollleistungsbedingungen an der Last. Die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B leiten für einen festgelegten Zeitraum unter den Vollleistungsbedingungen, der als größer als das entsprechende (+/–) Energieübertragungsintervall D in 4 gezeigt wird. 5 zeigt die Bedingung der kritischen Stromleitung, bei der der Strom durch die Induktivität L_O null erreicht, und den geringsten Strom, bei dem die Synchrongleichrichter 106, 108 länger als das Energieübertragungsintervall D (+/–) kontinuierlich leiten können, ohne die Welligkeit der Ausgangsspannung zu beeinflussen. Unter diesen Bedingungen sind die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A aus und wären bei einem Strom, der größer als der kritische Strom ist, typischerweise deaktiviert. Die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B leiten für einen festgelegten Zeitraum, der von der Steuerung 112 bestimmt wird.
6 veranschaulicht den Fall, bei dem der Leistungswandler unterhalb der Bedingung der kritischen Leitung arbeitet. Hier reduziert die Steuerung 112 die Schaltfrequenz Fsw, um so den Burst-Modus umzusetzen. Im Burst-Modus sind die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A aus, und die Steuerung 112 schaltet die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B wenigstens für das entsprechende (+/–) Energieübertragungsintervall D. Oder wie in 6 gezeigt wird: Der aktiv gesteuerte Schalter SR_1B kann für D/2 (sein Energieübertragungsintervall) schalten, und der aktiv gesteuerte Schalter SR_2B schaltet für die festgelegte Ein-Zeit wie vorher. Einige konventionelle Ansätze verwenden Dioden, um an diesem Punkt zu leiten, weil die Gate-Ladungseinbuße die Leitungseinsparungen überschatten. Allerdings wird mit dem hier beschriebenen Ansatz der asymmetrischen Bauweise, bei dem kleinere und größere aktiv gesteuerte Schalter SR_N/M parallel innerhalb des gleichen Synchrongleichrichters 106/108 gekoppelt sind, der Wirkungsgrad bei Schwachlast verbessert.
Wieder unter Bezug auf die beispielhafte Leistungswandlerausführungsform, die in 1 gezeigt wird: Jeder Synchrongleichrichter 106, 108 weist zwei aktiv gesteuerte Schalter SR_N/M auf, die parallel gekoppelt sind und unterschiedliche Strombelastbarkeiten aufweisen. Die Steuerung 112 kann die asymmetrische Synchrongleichrichter-Bauweise zum Anpassen von Bedingungen mittlerer Leistung an der Last nutzen, wobei die Bedingungen mittlerer Leistung zwischen den Vollleistungs- und den Schwachlastbedingungen liegen.
7 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Steuerung 112 die Steuersignale Ctrl_SR1/2A für diese jeweiligen größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A sowohl für die Energieübertragungs- als auch die Freilaufintervalle des entsprechenden Strom-(+/–)Zyklus unter den Bedingungen mittlerer Leistung an der Last (‚Halb-Last‘) aktiviert. Die Steuerung 112 deaktiviert die Steuersignale Ctrl_SR1/2B für die jeweiligen kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B sowohl für die Energieübertragungs- als auch die Freilaufintervalle des entsprechenden Strom-(+/–)Zyklus unter den Bedingungen mittlerer Leistung an der Last. Auf diese Weise sind bei starker Last (‚Voll-Last‘) sowohl der große als auch der kleine aktiv gesteuerte Schalter SR_N/M ein. Wenn sich die Last reduziert, leiten nur die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A. Unter einem gewissen Lastpunkt leiten nur die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B. Die Steuerung 112 kann die Ein-Zeit der kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B gemäß irgendeiner der hier vorher beschriebenen Ausführungsformen bestimmen. Die Steuerung 112 kann sogar genauere Leistungspegelsteuerung als die in 7 gezeigte Steuerung von 3 Pegeln umsetzen.
8 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Steuerung 112 die Ein-Zeit der großen und der kleinen aktiv gesteuerten Schalter SR_N/M gemäß den Lastbedingungen moduliert, um genauere Leistungspegelsteuerung als die 3-Pegel-Steuerung zu erreichen. Wenn sich die Last verringert, laufen die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A von voller Leitung (Voll) während jedes Halbzyklus (+/–) bei Vollleistungsbedingungen zu nicht leitend (Aus) bei den niedrigsten Leistungsbedingungen. Die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B laufen von der Leitung nur während des Energieübertragungsintervalls (D/2) jedes entsprechenden Halbzyklus (+/–) zu höherer Leitung (D/2 + X %) bei niedrigeren Leistungsbedingungen hin zu Vollleitung (Voll) während jedes entsprechenden Habzyklus (+/–) bei Bedingungen noch geringerer Leistung. Bei den Bedingungen geringster Leistung können die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B nur während des Energieübertragungsintervalls (D/2) jedes entsprechenden Halbzyklus (+/–) zurück auf Leitung gesetzt werden.
Der hier vorher beschriebene Ansatz der asymmetrischen Synchrongleichrichter-Bauweise kann auf Resonanzwandler erweitert werden. Die Prinzipien des Betriebs eines Resonanzwandlers unterscheiden sich von denen des vorher hier beschriebenen PWM-Wandlers. Zum Beispiel gilt bei Resonanzwandlern einstellbare Frequenzsteuerung. Wenn sich die Eingangsspannung Vin ändert, ändert sich die Schaltfrequenz (Fsw), um die Regelung (proportional) aufrechtzuerhalten. Gleichermaßen ändert sich mit Änderung der Last Fsw, um die Regelung (invers proportional) aufrechtzuerhalten. Auch gibt es bei Resonanzwandlern kein Freilaufintervall. Stattdessen wird der Resonanzstrom gleichgerichtet, und der Mittelwert wird der Last bereitgestellt, während die Wechselspannungskomponente durch den Ausgangskondensator C_O gefiltert wird. Von daher richtet jeder Synchrongleichrichter eines Resonanzwandlers während eines Halbzyklus gleich und bleibt für den anderen Halbzyklus aus. In diesem Fall arbeitet jeder Synchrongleichrichter nur in seinem Energieübertragungsintervall (gleich einem Halbzyklus) und ist dann aus, weil es kein Freilaufintervall gibt.
Um den Ansatz der asymmetrischen Bauweise, der hier vorher für PWM-Wandler beschrieben worden ist, auf Resonanzwandler anzuwenden, werden die kleineren aktiv gesteuerten Schalter der Synchrongleichrichter so gesteuert, dass sie für einen Teil des Halbzyklus (z. B. zu Anfang, in der Mitte oder am Ende) leiten, und die größeren aktiv gesteuerten Schalter werden so gesteuert, dass sie unter Bedingungen starker Last oder Vollleistungsbedingungen an der Last leiten, wobei die Ein-Zeit auf sicherem Betrieb basiert. Die gleichen, vorher hier für PWM-Wandler beschriebenen Prinzipien werden auf einen Resonanzwandler angewendet: Wenn sich die Last reduziert, ändert sich die Aufteilung der Last unter den aktiv gesteuerten Schaltern, bis nur die kleineren Schalter bei Schwachlastbedingungen leiten.
9 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Resonanzwandlers mit asymmetrischer Synchrongleichrichter-Bauweise, wie vorher hier beschrieben worden ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Resonanzwandler ein LLC-Wandler. Der LLC-Wandler enthält einen Kondensator Cr und zwei Induktivitäten Llk, Lm, die zwischen der Halb- oder Vollbrückenschaltung 100 und der Primärwicklung W_P des Transformators 104 gekoppelt sind.
10 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 9 gezeigten LLC-Wandlers verknüpft sind. 10 beinhaltet die gleichen Kurvenverläufe V_gsSRN/M der Synchrongleichrichter-Gate-Ansteuerung wie in den 2 und 3 gezeigt wird. 10 veranschaulicht auch den Resonanzstrom (i_res), d. h. den Strom in der Induktivität Llk, den positiven Zyklusanteil (i_pos) des Resonanzstroms, der vom ersten Synchrongleichrichter 106 während des positiven Halbzyklus gleichgerichtet wird, und den negativen Zyklusanteil (i_neg) des Resonanzstroms, der vom zweiten Synchrongleichrichter 108 während des negativen Halbzyklus gleichgerichtet wird. Die Steuerung 112 aktiviert die Gate-Ansteuersignale V_gsSRN/A für die größeren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A für den gesamten entsprechenden (positiven oder negativen) Halb-Zyklus. Die Steuerung 112 zentriert die Gate-Ansteuersignale V_gsSRN/B für die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B auf den entsprechenden Resonanzstrom (i_pos oder i_neg).
Jeder Schaltzyklus jedes Synchrongleichrichters 106, 108 weist eine einstellbare Schaltfrequenz (Fsw) auf, die durch die Steuerung 112 auf Basis von Änderungen an der Eingangsleistungsquelle und Änderungen an der Last bestimmt wird. Die Steuerung 112 verringert Fsw unter Vollleistungsbedingungen an der Last, aktiviert Steuersignale Ctrl_SR1/2A für die jeweilige Hälfte (positiv oder negativ) des Schaltzyklus unter den Vollleistungsbedingungen an der Last und aktiviert Steuersignale Ctrl_SR1/2B für weniger als die jeweilige Hälfte (positiv oder negativ) des Schaltzyklus unter den Vollleistungsbedingungen an der Last, um die in 10 gezeigten Kurvenverläufe des Gate-Ansteuersignals zu erreichen.
Die Zeitvorgabe und der Tastgrad der Steuersignale Ctrl_SRN/M für die aktiv gesteuerten Schalter SR_N/M können von der Steuerung 112 gemäß irgendeiner der vorher hier beschriebenen Ausführungsformen bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Steuerung 112 Ctrl_SR1/2B am Anfang der entsprechenden Hälfte (positiv oder negativ) des Schaltzyklus aktivieren und Ctrl_SR1/2B bei weniger als der Hälfte des Schaltzyklus unter den Vollleistungsbedingungen an der Last deaktivieren. Die Steuerung 112 kann als Reaktion darauf, dass der RMS-Messwert des Stroms einen RMS-Grenzwert erreicht, der für den entsprechenden aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B definiert ist, einen RMS-Messwert des Stroms berechnen, der vom LLC-Resonanzwandler geliefert wird, und Ctrl_SR1/2B am Anfang der entsprechenden Hälfte (positiv oder negativ) des Schaltzyklus aktivieren und Ctrl_SR1/2B deaktivieren.
Die Steuerung 112 kann die einstellbare Schaltfrequenz (Fsw) einer ansteuernden Brückenschaltung entsprechend der Schaltfrequenz der Synchrongleichrichter 106, 108 unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last erhöhen, Ctrl_SR1/2A für den gesamten Schaltzyklus unter den Bedingungen niedriger Leistung an der Last deaktivieren und Ctrl_SR1/2B für bis zur jeweiligen Hälfte (positiv oder negativ) des Schaltzyklus unter den Bedingungen niedriger Leistung an der Last aktivieren. Die Steuerung 112 kann Ctrl_SR1/2A für die jeweilige Hälfte (positiv oder negativ) des Schaltzyklus unter Bedingungen mittlerer Leistung an der Last aktivieren und Ctrl_SR1/2B für den gesamten Schaltzyklus unter den Bedingungen mittlerer Leistung an der Last deaktivieren.
11 veranschaulicht eine andere Ausführungsform eines Resonanzwandlers mit asymmetrischer Synchrongleichrichter-Bauweise, wie vorher hier beschrieben worden ist. Die in 11 gezeigte Ausführungsform ähnelt der in 9 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied dazu ist der Wandler allerdings ein Resonanzwandler des Spannungstyps, wobei die Induktivität Lm in 9 durch einen Kondensator Cp parallel zur Primärwicklung W_P des Transformators 104 ersetzt ist.
12 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 11 gezeigten Resonanzwandlers des Spannungstyps verknüpft sind. 12 beinhaltet die gleichen Kurvenverläufe, die in 10 gezeigt sind. Der Resonanzwandler des Spannungstyps ist ein Reihen-Parallel-Resonanzwandler, bei dem die Resonanzspannung (V_Cp) über dem Kondensator Cp gleichgerichtet und gefiltert wird. Der gleichgerichtete Strom ist daher eine Rechteckschwingung, wie in 12 durch den positiven Zyklusteil (i_pos) und den negativen Zyklusteil (i_neg) des Resonanzstroms gezeigt wird, der von den jeweiligen Synchrongleichrichtern 106, 108 gleichgerichtet wird. Die Gate-Ansteuersignale V_gsSRN/B für die kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_N/B sind weiterhin als zentriert gezeigt. Weil der Strom konstant ist, wird der RMS-Wert allerdings durch die Ein-Zeit des Schalters SR_N/B bestimmt, unabhängig davon, wo im (positiven oder negativen) Halbzyklus sie positioniert ist. Die Zeitvorgabe und der Tastgrad der entsprechenden Steuersignale Ctrl_SRN/M für die aktiv gesteuerten Schalter SR_N/A können von der Steuerung 112 gemäß irgendeiner der vorher hier beschriebenen Ausführungsformen bestimmt werden.
Der hier vorher beschriebene Ansatz der asymmetrischen Bauweise kann auch auf Abwärtswandler erweitert werden, die eine nicht potentialgetrennte Topologie aufweisen, d. h. keinen Transformator, der die Eingangsleistungsquelle mit der Last koppelt. Im Fall eines Abwärtswandlers bildet der Synchrongleichrichter den Low-Side-Schalter des Abwärtswandlers und leitet nur im Freilaufintervall. Der High-Side-Schalter leitet im Energieübertragungsintervall.
13 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Abwärtswandlers mit asymmetrischer Synchrongleichrichter-Bauweise, wie vorher hier beschrieben worden ist. Der Abwärtswandler enthält einen High-Side-Schalter Q1, um die Eingangsleistungsquelle Vin mit der Last R_L über eine Induktivität L zu koppeln, wenn der High-Side-Schalter Q1 ein ist. Ein Synchrongleichrichter 200 mit einer asymmetrischen Bauweise, wie vorher hier beschrieben worden ist, ist als der Low-Side-Schalter Q1 des Abwärtswandlers ausgebildet, um die Last mit Masse (GND) über die Induktivität zu koppeln, wenn der Low-Side-Schalter Q1 ein ist. Der Synchrongleichrichter 200 in 13 wird mit wenigstens drei Transistoren LSA_1, LSA_2, LSA_3, die parallel gekoppelt sind, um einen ersten (größeren) aktiv gesteuerten Schalter SR_LSA des Synchrongleichrichters 200 zu bilden, und die durch das gleiche Gate-Ansteuersignal V_gsLSA gesteuert werden, und einem einzelnen Transistor LSB_1, der durch das Gate-Ansteuersignal V_gsLSB gesteuert wird und der einen zweiten (kleineren) aktiv gesteuerten Schalter SR_LSB des Synchrongleichrichters 200 bildet, gezeigt. Von daher weisen die aktiv gesteuerten Schalter SR_LSA/B des Synchrongleichrichters 200 unterschiedliche Strombelastbarkeiten auf. Diese Asymmetrie kann gemäß irgendeiner der hier beschriebenen Ausführungsformen der asymmetrischen Synchrongleichrichter-Bauweise umgesetzt werden.
14 veranschaulicht verschiedene Kurvenverläufe, die mit dem Betrieb des in 13 gezeigten Abwärtswandlers verknüpft sind. Die Kurvenverläufe beinhalten den High-Side-Strom (i_HS), das Gate-Signal (V_gsHS), das an das Gate des High-Side-Schalters Q1 angelegt wird, den Low-Side-Strom (i_LS), das Gate-Signal (V_gsLSA), das an das Gate des größeren aktiv gesteuerten Schalters SR_LSA des Synchrongleichrichters 200 angelegt wird, und das Gate-Signal (V_gsLSB), das an das Gate des kleineren aktiv gesteuerten Schalters SR_LSB des Synchrongleichrichters 200 angelegt wird. Jeder Schaltzyklus des Abwärtswandlers weist eine Energieübertragungsperiode auf, während derer der High-Side-Schalter Q1 ein und der Low-Side-Schalter Q2 aus ist, und eine Freilaufperiode, während derer der High-Side-Schalter Q1 aus und der Low-Side-Schalter Q2 ein ist. Während jeder Freilaufperiode aktiviert die Steuerung 112 V_gsLSA für die gesamte Freilaufperiode und aktiviert V_gsLSB nur für einen Teil der Freilaufperiode. Auf diese Weise leitet der größere aktiv gesteuerte Schalter SR_LSA des Synchrongleichrichters 200 für die gesamte Freilaufperiode, und der kleinere aktiv gesteuerte Schalter SR_LSB leitet nur für einen Teil der gesamten Freilaufperiode.
Die Zeitvorgabe und der Tastgrad des Steuersignals V_gsLSB für den kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_LSB können von der Steuerung 112 gemäß irgendeiner der vorher hier beschriebenen Ausführungsformen bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Steuerung 112 V_gsLSB am Anfang jeder Freilaufperiode aktivieren und V_gsLSB vor dem Ende jeder Freilaufperiode deaktivieren, wie in 14 gezeigt wird. Die Steuerung 112 kann einen RMS-Messwert des Stroms, der vom Abwärtswandler an die Last geliefert wird, berechnen und als Reaktion darauf, dass der RMS-Messwert des Stroms, der vom Abwärtswandler an die Last geliefert wird, einen RMS-Grenzwert erreicht, der für den kleineren aktiv gesteuerten Schalter SR_LSB vom Synchrongleichrichter 200 definiert wird, V_gsLSB am Anfang jeder Freilaufperiode aktivieren und V_gsLSB deaktivieren.
Begriffe wie zum Beispiel „erster“, „zweiter“ und ähnliche werden verwendet, um verschiedene Elemente, Bereiche, Abschnitte usw. zu beschreiben und sollen ebenfalls nicht beschränkend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der Beschreibung durchweg auf gleiche Elemente.
Die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „beinhalten“, „umfassen“ und ähnliche sind, wie sie hierin verwendet werden, offene Begriffe, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale anzeigen, jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Es ist beabsichtigt, dass die Artikel „ein“ und „der“, „die“, „das“ sowohl den Plural als auch den Singular beinhalten, es sei denn, der Kontext zeigt eindeutig etwas anderes an.
Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.

Claims

Synchrongleichrichterschaltung, die aufweist: mehrere aktiv gesteuerte Schalter, die parallel gekoppelt sind; mehrere Gate-Treiber, die jeweils einen Eingangsanschluss zum Erhalten eines Steuersignals und einen Ausgangsanschluss, der mit einem Gate eines der aktiv gesteuerten Schalter gekoppelt ist, aufweisen, wobei jeder Gate-Treiber dazu ausgebildet ist, den aktiv gesteuerten Schalter, der mit seinem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, als Reaktion auf das an seinem Eingangsanschluss erhaltene Steuersignal anzusteuern; und eine Steuerung, die dazu betreibbar ist, einem ersten der Gate-Treiber ein erstes Steuersignal bereitzustellen und einem zweiten der Gate-Treiber ein zweites Steuersignal bereitzustellen, wobei das erste Steuersignal ein anderes Steuersignal als das zweite Steuersignal ist, so dass der aktiv gesteuerte Schalter, der vom ersten Gate-Treiber angesteuert wird, getrennt vom aktiv gesteuerten Schalter, der vom zweiten Gate-Treiber angesteuert wird, steuerbar ist.
Synchrongleichrichterschaltung nach Anspruch 1, bei der der aktiv gesteuerte Schalter, der vom ersten Gate-Treiber angesteuert wird, einen ersten Leistungstransistor-Die aufweist, wobei der aktiv gesteuerte Schalter, der vom zweiten Gate-Treiber angesteuert wird, einen zweiten Leistungstransistor-Die aufweist, und wobei der erste Leistungstransistor-Die einen höheren Nennstrom als der zweite Leistungstransistor-Die aufweist.
Synchrongleichrichterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der jeder aktiv gesteuerte Schalter einen oder mehrere parallele Transistoren aufweist und bei der der aktiv gesteuerte Schalter, der vom zweiten Gate-Treiber angesteuert wird, weniger parallele Transistoren als der aktiv gesteuerte Schalter, der vom ersten Gate-Treiber angesteuert wird, aufweist, so dass der aktiv gesteuerte Schalter, der vom ersten Gate-Treiber angesteuert wird, einen höheren Nennstrom als der aktiv gesteuerte Schalter aufweist, der vom zweiten Gate-Treiber angesteuert wird.
Leistungswandler, der aufweist: eine Eingangsleistungsquelle; einen Synchrongleichrichter, der mehrere aktiv gesteuerte Schalter aufweist, die parallel gekoppelt sind und dazu ausgebildet sind, Strom gleichzurichten, der von der Eingangsleistungsquelle an eine Last geliefert wird; und eine Steuerung, die dazu betreibbar ist, ein erstes Steuersignal zum Ansteuern eines ersten der aktiv gesteuerten Schalter auszugeben und ein zweites Steuersignal zum Ansteuern eines zweiten der aktiv gesteuerten Schalter auszugeben, wobei das erste Steuersignal ein anderes Steuersignal als das zweite Steuersignal ist, so dass der erste aktiv gesteuerte Schalter getrennt vom zweiten aktiv gesteuerten Schalter steuerbar ist, wobei der erste aktiv gesteuerte Schalter eine höhere Strombelastbarkeit als der zweite aktiv gesteuerte Schalter aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 4, bei dem der erste aktiv gesteuerte Schalter einen ersten Leistungstransistor-Die aufweist, wobei der zweite aktiv gesteuerte Schalter einen zweiten Leistungstransistor-Die aufweist und wobei der erste Leistungstransistor-Die einen höheren Nennstrom als der zweite Leistungstransistor-Die aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 4 oder 5, bei dem jeder aktiv gesteuerte Schalter einen oder mehrere parallele Transistoren aufweist und bei dem der zweite aktiv gesteuerte Schalter weniger parallele Transistoren als der erste aktiv gesteuerte Schalter aufweist, so dass der erste aktiv gesteuerte Schalter einen höheren Nennstrom als der zweite aktiv gesteuerte Schalter aufweist.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, der weiterhin aufweist: einen Transformator, um die Eingangsleistungsquelle von der Last zu entkoppeln, wobei der Synchrongleichrichter mit einer Wicklung des Transformators gekoppelt ist, wobei jeder Schaltzyklus des Synchrongleichrichters ein Energieübertragungsintervall, während dessen die Eingangsleistungsquelle mit der Wicklung durch den Synchrongleichrichter verbunden ist, und ein Freilaufintervall, während dessen die Eingangsleistungsquelle von der Wicklung durch den Synchrongleichrichter getrennt ist, aufweist, wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das erste Steuersignal sowohl für das Energieübertragungsintervall als auch für das Freilaufintervall unter Vollleistungsbedingungen an der Last zu aktivieren, wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal für einen Teil oder für das gesamte Energieübertragungsintervall und für den größten Teil des Freilaufintervalls unter den Vollleistungsbedingungen an der Last zu aktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 7, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal am Anfang des Energieübertragungsintervalls zu aktivieren und das zweite Steuersignal am Ende des Energieübertragungsintervalls unter den Vollleistungsbedingungen an der Last zu deaktivieren.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal vor dem Anfang des Energieübertragungsintervalls zu aktivieren und das zweite Steuersignal nach dem Ende des Energieübertragungsintervalls unter den Vollleistungsbedingungen an der Last zu deaktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 9, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das erste und das zweite Steuersignal auf Basis eines Pulsweitenmodulations(PMW)-Signals, das von der Steuerung erzeugt wird, auszugeben und bei dem ein Mittelpunkt des zweiten Steuersignals mit einem Mittelpunkt des PWM-Signals ausgerichtet ist.
Leistungswandler nach Anspruch 10, bei dem eine Breite des zweiten Steuersignals von der Steuerung auf Basis von Nutzereingaben eingestellt wird, die im Speicher gespeichert sind, auf den die Steuerung zugreifen kann.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, einen RMS-Messwert (Root Mean Square, Effektivwert) des Stroms, der vom Leistungswandler geliefert wird, zu berechnen, und bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal am Anfang des Energieübertragungsintervalls zu aktivieren und als Reaktion darauf, dass der RMS-Messwert des Stroms, der vom Leistungswandler an die Last geliefert wird, einen RMS-Grenzwert erreicht, der für den zweiten aktiv gesteuerten Schalter definiert ist, das zweite Steuersignal zu deaktivieren.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das erste Steuersignal sowohl für das Energieübertragungsintervall als auch für das Freilaufintervall unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last zu deaktivieren, und wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal für wenigstens das Energieübertragungsintervall unter den Bedingungen niedriger Leistung an der Last zu aktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 13, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal für wenigstens einen Teil des Freilaufintervalls unter den Bedingungen niedriger Leistung an der Last zu aktivieren, falls nicht erwartet wird, dass ein RMS-Grenzwert, der für den zweiten aktiv gesteuerten Schalter definiert ist, überschritten wird.
Leistungswandler nach Anspruch 13, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das erste Steuersignal sowohl für das Energieübertragungsintervall als auch für das Freilaufintervall unter Bedingungen mittlerer Leistung an der Last zu aktivieren, und wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal sowohl für das Energieübertragungsintervall als auch für das Freilaufintervall unter den Bedingungen mittlerer Leistung an der Last zu deaktivieren.
Leistungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, der weiterhin aufweist: einen Transformator, um die Eingangsleistungsquelle von der Last zu entkoppeln, wobei der Synchrongleichrichter mit einer Wicklung des Transformators gekoppelt ist, wobei der Leistungswandler ein Resonanzwandler ist, wobei jeder Schaltzyklus des Synchrongleichrichters eine einstellbare Schaltfrequenz aufweist, die von der Steuerung auf Basis von Änderungen an der Eingangsleistungsquelle und Änderungen an der Last bestimmt wird, wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, die einstellbare Schaltfrequenz des Synchrongleichrichters unter Vollleistungsbedingungen an der Last zu verringern, wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das erste Steuersignal für den halben Schaltzyklus unter den Vollleistungsbedingungen an der Last zu aktivieren, wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal für weniger als den halben Schaltzyklus unter den Vollleistungsbedingungen an der Last zu aktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal am Anfang des Schaltzyklus zu aktivieren und das zweite Steuersignal bei weniger als dem halben Schaltzyklus unter den Vollleistungsbedingungen an der Last zu deaktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, einen RMS-Messwert (Root Mean Square, Effektivwert) des Stroms, der vom Leistungswandler geliefert wird, zu berechnen, und wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal am Anfang des Schaltzyklus zu aktivieren und als Reaktion darauf, dass der RMS-Messwert des Stroms, der vom Leistungswandler an die Last geliefert wird, einen RMS-Grenzwert erreicht, der für den zweiten aktiv gesteuerten Schalter definiert ist, das zweite Steuersignal zu deaktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, die einstellbare Schaltfrequenz des Synchrongleichrichters unter Bedingungen niedriger Leistung an der Last zu erhöhen, wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das erste Steuersignal für den gesamten Schaltzyklus unter den Bedingungen niedriger Leistung an der Last zu deaktivieren, und wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal für bis zum halben Schaltzyklus unter den Bedingungen niedriger Leistung an der Last zu aktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 19, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das erste Steuersignal für den halben Schaltzyklus unter Bedingungen mittlerer Leistung an der Last zu aktivieren, und wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal für den gesamten Schaltzyklus unter den Bedingungen mittlerer Leistung an der Last zu deaktivieren.
Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungswandler ein Abwärtswandler ist, der einen High-Side-Schalter aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Eingangsleistungsquelle mit der Last über eine Induktivität zu koppeln, wenn der High-Side-Schalter ein ist, wobei der Synchrongleichrichter als ein Low-Side-Schalter des Abwärtswandlers zum Koppeln der Last mit Masse über die Induktivität ausgebildet ist, wenn der Low-Side-Schalter ein ist, wobei jeder Schaltzyklus des Abwärtswandlers eine Energieübertragungsperiode aufweist, während derer der High-Side-Schalter ein und der Low-Side-Schalter aus ist, und eine Freilaufperiode, während derer der High-Side-Schalter aus ist und der Low-Side-Schalter ein ist, wobei die Steuerung während jeder Freilaufperiode betreibbar ist, das erste Steuersignal für die gesamte Freilaufperiode zu aktivieren und das zweite Steuersignal nur für einen Teil der Freilaufperiode zu aktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 21, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal am Anfang jeder Freilaufperiode zu aktivieren und das zweite Steuersignal vor dem Ende jeder Freilaufperiode zu deaktivieren.
Leistungswandler nach Anspruch 21, bei dem die Steuerung dazu betreibbar ist, einen RMS-Messwert (Root Mean Square, Effektivwert) des Stroms, der vom Abwärtswandler geliefert wird, zu berechnen, und wobei die Steuerung dazu betreibbar ist, das zweite Steuersignal am Anfang jeder Freilaufperiode zu aktivieren und als Reaktion darauf, dass der RMS-Messwert des Stroms, der vom Abwärtswandler an die Last geliefert wird, einen RMS-Grenzwert erreicht, der für den zweiten aktiv gesteuerten Schalter definiert ist, das zweite Steuersignal zu deaktivieren.