DE102016220201A1 - Gleichspannungswandler mit aktiver Rückflusssperre und Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers - Google Patents

Gleichspannungswandler mit aktiver Rückflusssperre und Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler (10), bei welchem ein erster Spulenanschluss (11’) mit einem Eingangsanschluss (11) und ein zweiter Spulenanschluss (12’) einerseits über einen Gleichrichtschalter (22) mit einem Ausgabeanschluss (12) und andererseits über einen Regelschalter (23) mit einem Massepotential (17) verbunden ist und eine Steuerschaltung (29) dazu eingerichtet ist, in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen jeweils in einer Regelphase (39) den Gleichrichtschalter (22) elektrisch sperrend und den Regelschalter (23) elektrisch leitend zu schalten und in einer darauffolgenden Gleichrichtphase (40) den Regelschalter (23) elektrisch sperrend zu schalten. Die Erfindung sieht vor, dass ein Messbauteil (26) ein Messsignal (35) erzeugt, das eine Stromstärke Spulenstroms (24) signalisiert, und eine Komparatorschaltung (43) das Messsignal (35) mit einem Schwellenwert (S2) vergleicht und die Steuerschaltung (29) in der Gleichrichtphase (40) den Gleichrichtschalter (22) elektrisch sperrend hält und den Spulenstrom (24) über eine Umgehungsdiode (27) führt, falls die Stromstärke in der Regelphase (39) durchgehend kleiner als der Schwellenwert (S2) war.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, der als Synchronwandler oder synchroner Konverter ausgestaltet ist. Mit anderen Worten weist der Gleichspannungswandler anstelle einer Diode einen schaltbaren Transistor oder allgemein einen Gleichrichtschalter als Rückflusssperre auf. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gleichspannungswandlers.
  • Synchrone Konverter oder Synchronwandler weisen zusätzlich zu dem eigentlichen regelnden Schalter, der hier als Regelschalter bezeichnet ist, auch einen gleichrichtenden Schalter auf, der hier als Gleichrichtschalter bezeichnet ist. Der Gleichrichtschalter ersetzt die Diode, mit der ansonsten bei einem Gleichspannungswandler der Rückfluss des Stromes passiv blockiert werden muss. Die besagten Schalter sind in der Regel jeweils durch einen Transistor gebildet.
  • Ein synchroner Gleichspannungswandler nutzt dabei in ansonsten bekannter Weise zum Wandeln eines Spannungsniveaus eine elektrische Spule, von der ein erster Spulenanschluss mit dem Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers und ein zweiter Spulenanschluss mit zwei unabhängigen Schaltungszweigen verschaltet ist, von denen der eine Schaltungszweig über den Gleichrichtschalter zum Ausgabeanschluss und der andere Schaltungszweig über den Regelschalter zum Massepotential führt. Zum Steuern der beiden Schalter (Gleichrichtschalter und Regelschalter) ist eine Steuerschaltung mit diesen beiden Schaltern verbunden und dazu eingerichtet, in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen jeweils in einer Regelphase den Gleichrichtschalter elektrisch sperrend und den Regelschalter elektrisch leitend zu schalten und in einer darauffolgenden Gleichrichtphase den Regelschalter elektrisch sperrend zu schalten. In der Regelphase fließt somit ausgehend vom Eingangsanschluss der Spulenstrom der Spule über den Regelschalter auf das Massepotential und lädt somit die Spule mit magnetischer Energie auf. In der anschließenden Gleichrichtphase wird der Regelschalter elektrisch sperrend geschaltet, so dass nun die elektrische Spule ihren Spulenstrom zum Ausgabeanschluss hin treibt. Hierzu muss dann der Gleichrichtschalter zur richtigen Zeit elektrisch leitend und wieder sperrend geschaltet werden.
  • Denn wird mit dem Gleichspannungswandler eine Aufwärtswandlung (Eingangsspannung ist kleiner als Ausgangsspannung) durchgeführt, so kann es bei geringer Last am Ausgabeanschluss dazu kommen, dass sich die Flussrichtung des Stromes in der Gleichrichtphase umkehrt und ein Strom vom Ausgabeanschluss über den Gleichrichtschalter durch die Spule zum Eingangsanschluss fließt. Daher muss bei Flussrichtungsumkehr der Gleichrichtschalter rechtzeitig elektrisch sperrend geschaltet werden.
  • Der Gleichrichtschalter muss also entsprechend einer idealen Diode geschaltet werden, indem der Ausgangsstrom durch ihn immer nur in Vorwärtsrichtung zum Ausgabeanschluss des Gleichspannungswandlers fließt.
  • Um eine Richtungsumkehr des Stromflusses (DCM - Discontinious Current Mode) zu detektieren, ist aus der EP 2819288 A1 eine Detektionsschaltung bekannt, die aber technisch sehr aufwendig zu realisieren ist.
  • Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen technisch einfach zu realisierenden synchronen Gleichspannungswandler mit Rückflusssperre zu realisieren.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
  • Der eingangs beschriebene Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichtschalter und dem Regelschalter wird zur Verhinderung eines Rückflusses des Spulenstromes wie folgt durch die Erfindung weitergebildet. Es ist ein Messbauteil bereitgestellt, das in der Regelphase (wenn also der Strom vom Eingangsanschluss über die Spule und den Regelschalter zum Massepotential fließt) ein Messsignal erzeugt, das eine Stromstärke des durch die Spule fließenden elektrischen Spulenstroms signalisiert. Eine Komparatorschaltung ist dazu eingerichtet, das Messsignal mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen. Hierdurch wird also detektiert, falls während der Regelphase der Spulenstrom eine Stromstärke größer als der Schwellenwert aufweist. Das Messsignal muss dabei nicht direkt den Spulenstrom beschreiben, es kann auch proportional zum Spulenstrom sein, also beispielsweise eine elektrische Spannung sein. Entsprechend ist der Schwellenwert dann angepasst.
  • Die besagte Steuerschaltung für den Regelschalter und den Gleichrichtschalter ist dazu eingerichtet, in der anschließenden Gleichrichtphase, wenn also der Regelschalter elektrisch sperrend geschaltet ist und es darum geht zu entscheiden, ob ein Rückfluss entstehen könnte, den Gleichrichtschalter elektrisch leitend zu schalten, falls die Komparatorschaltung signalisiert, dass in der Regelphase die Stromstärke größer als der Schwellenwert war.
  • Dagegen ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung auch dazu eingerichtet ist, den Gleichrichtschalter sperrend zu halten, falls das Messsignal signalisiert, dass die Stromstärke in der Regelphase durchgehend kleiner als der Schwellenwert war. Der Spulenstrom wird somit nicht durch die Schaltstrecke des Gleichrichtschalters, so bei einem Transistor beispielsweise die Drain-Source-Verbindung, geführt. Stattdessen ist vorgesehen, dass der Spulenstrom über eine Diode zu dem Ausgabeanschluss geführt wird. Durch die Diode, die im Weiteren als Umgehungsdiode bezeichnet ist, weil sie die Schaltstrecke des Gleichrichtschalters umgeht, ergibt sich der Vorteil, dass der Spulenstrom durch die Umgehungsdiode gerichtet bleibt, also seine Flussrichtung nicht umkehren kann.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei in der Regelphase ausreichend großem Spulenstrom (größer als der Schwellenwert) davon auszugehen ist, dass in der anschließenden Gleichrichtphase der Spulenstrom dauerhaft oder durchgehend in Richtung zum Ausgabeanschluss fließen wird, also eine Richtungsumkehr des Stromflusses nicht vorkommen wird. Nur bei geringem Stromfluss, d.h. einer Stromstärke kleiner als der Schwellenwert, droht eine Richtungsumkehr des Stromflusses, weshalb für diesen Fall eine Umgehungsdiode anstelle des elektrisch leitfähig geschalteten Gleichrichtschalters genutzt wird. Durch die Erfindung ergibt sich hierbei der Vorteil, dass mittels eines einfachen Komparators und einer Logik zum Schalten des Gleichrichtschalters eine Steuerung des synchronen Konverters oder Gleichspannungswandlers zum Vermeiden eines Rückflusses realisiert wird. Dies ist technisch ein geringer Aufwand und somit kostengünstig und betriebssicher.
  • Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
  • Während des Wechsels von der Regelphase in die Gleichrichtphase kann es unabhängig von einer tatsächlich am Ausgabeanschluss angeschlossenen elektrischen Last vorkommen, dass eine Spannungsspitze oder Stromspitze verursacht wird, das heißt ein sporadischer Anstieg des Spulenstroms verursacht wird. Um dies nicht fälschlicherweise als einen ausreichend großen Spulenstrom fehl zu interpretieren und daher den Gleichrichtschalter elektrisch leitend zu schalten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, die Komparatorschaltung mit einem vorbestimmten Zeitversatz nach dem Sperren des Regelschalters auszuwerten. Es wird also zunächst abgewartet, bis sich ein Spannungspegel des Messsignals eingeschwungen hat. Dies kann beispielsweise mittels eines Mikrocontrollers durch einen Wartebefehl erreicht werden.
  • Indem man während der Regelphase aus der Stromstärke des Spulenstroms einen Rückschluss darauf zieht, ob es zu einem Nullstrom oder einer Stromrichtungsumkehr während der anschließenden Gleichrichtphase kommen wird, ist keine eigentliche Nullstrom-Erkennung (ZCD - Zero Current Detection) nötig. Mit anderen Worten kann der Gleichspannungswandler besonders kostengünstig hergestellt werden, indem in der Gleichrichtphase eine Stromstärke des Spulenstroms unüberwacht ist. Mit anderen Worten wird das beschriebene Messbauteil in denjenigen Schaltungszweig eingebaut oder verschaltet, der lediglich zum Massepotential und nicht zum Ausgabeanschluss führt.
  • Der besagte Gleichrichtschalter ist bevorzugt durch einen Transistor bereitgestellt, der eine Bodydiode aufweist. Diese kann dann in vorteilhafterweise als die Umgehungsdiode genutzt werden oder diese bilden. Auch der Regelschalter kann auf der Grundlage eines Transistors gebildet sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass jeder Transistor als MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) ausgestaltet ist.
  • Wie bereits ausgeführt, ist der Strompfad ausgehend vom zweiten Spulenanschluss verzweigt, nämlich einmal in Richtung zum Ausgabeanschluss (über den Gleichrichtschalter) und zum anderen zum Massepotential (über den Regelschalter). Hierbei ist das Messbauteil zum Erzeugen des Messsignals bevorzugt als elektrischer Widerstand bereitgestellt, welcher dem Regelschalter derart vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist, dass das Messbauteil in dem zum Massepotential führenden Schaltungszweig liegt, also ausschließlich in der Regelphase von dem Spulenstrom durchflossen ist. Das Messbauteil ist somit im regelnden Strompfad angeordnet. Damit wird vermieden, dass Verlustleistung im Messbauteil umgesetzt wird, während sich der Gleichspannungswandler in der Gleichrichtphase befindet.
  • Durch Betreiben des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren. Die besagte Steuerschaltung schaltet also in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen jeweils in der Regelphase den Gleichrichtschalter elektrisch sperrend und den Regelschalter elektrisch leitend. In der darauffolgenden Gleichrichtphase wird der Regelschalter elektrisch sperrend geschaltet. Um nun zu entscheiden, ob der Gleichrichtschalter elektrisch leitend geschaltet werden soll, um somit den Spulenstroms über die Schaltstrecke des Gleichrichtschalters zum Ausgabeanschluss zu führen, erzeugt die Komparatorschaltung in der Regelphase ein Messsignal, das die Stromstärke des durch die elektrische Spule fließenden elektrischen Spulenstromes signalisiert. Die Komparatorschaltung vergleicht das Messsignal mit einem vorbestimmten Schwellenwert und die Steuerschaltung entscheidet daran in der Gleichrichtphase, ob der Gleichrichtschalter elektrisch leitend geschaltet wird. Der Gleichrichtschalter wird elektrisch leitend geschaltet, falls die Komparatorschaltung signalisiert, dass in der Regelphase die Stromstärke größer als der Schwellenwert war. Der Gleichrichtschalter wird elektrisch sperrend gehalten oder geschaltet und hierdurch der Spulenstrom in der beschriebenen Weise über die Umgehungsdiode zu dem Ausgabeanschluss geführt, falls die Komparatorschaltung signalisiert, dass die Stromstärke in der Regelphase durchgehend kleiner als der Schwellenwert war.
  • Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
  • Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers; und
    • 2 ein Flussschaudiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, das durch die den Gleichspannungswandler gemäß 1 durchgeführt werden kann.
  • Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen DC-DC-Wandler oder Gleichspannungswandler 10, der beispielsweise in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt sein kann. Der Gleichspannungswandler 10 kann einen Eingangsanschluss 11 und einen Ausgabeanschluss 12 aufweisen. Mittels des Gleichspannungswandlers 10 kann eine elektrische Last oder ein elektrischer Verbraucher 13 mit einer Ausgangsspannung 14 und einem Betriebsstrom 15 betrieben werden. Die hierzu nötige elektrische Energie kann über den Eingangsanschluss 12 aus einer Spannungsquelle 16 empfangen werden. Ein Spulenanschluss 11' kann hierzu mit dem Eingangsanschluss 11 elektrisch verbunden sein. Die Eingangsspannung 18 kann kleiner als die Ausgangsspannung 14 sein (Aufwärtswandlung, Boost-Konvertierung). Die jeweiligen Stromkreise am Eingangsanschluss 11 und Ausgabeanschluss 12 können über ein Massepotential 17 geschlossen sein.
  • Zum Erzeugen der Ausgangsspannung 14 aus der Eingangsspannung 18 kann der Gleichspannungswandler eine elektrische Spule 19 mit einer Induktivität L und zwei Strompfaden oder Schaltungszweigen 20, 21 aufweisen. Der Schaltungszweig 20 kann einen Regelschalter 22 aufweisen kann, über welchen ein Spulenanschluss 12' der elektrischen Spule 19 mit dem Ausgabeanschluss 12 verschaltet ist. In dem Schaltungszweig 20 kann des Weiteren ein Glättungskondensator 25 bereitgestellt sein.
  • Der Strompfad 21 kann einen Regelschalter 23 aufweisen, über welchen der Spulenanschluss 12' unabhängig vom Schaltungszweig 20 mit dem Massepotential 17 verschaltet ist.
  • Der Gleichrichtschalter 22 kann ein MOSFET M2, der Regelschalter 23 ein MOSFET M1 sein. Ein Spulenstrom 24 kann durch abwechselndes Schalten des Gleichrichtschalters 22 und des Regelschalters 23 abwechselnd zwischen den Schaltungszweigen 20, 21 fließen oder gleitet werden. Der Gleichrichtschalter 22 kann zusätzlich eine Bodydiode aufweisen, die als Umgehungsdiode 27 eine Schaltstrecke 28 zwischen Drain und Source des Gleichrichtschalters 22 den Spulenstroms 24 bei sperrend geschaltetem Gleichrichtschalter 22 hin zum Ausgabeanschluss 12 leiten kann und einen Rückfluss vom Ausgabeanschluss 12 hin zur Spule 19 blockiert. Somit ist ein Stromfluss zum Ausgabeanschluss 12 auch bei sperrend geschaltetem Gleichrichtschalter 22 möglich.
  • In dem Schaltungszweig 21 kann zum Ermitteln einer Stromstärke des Spulenstroms 24 ein Messbauteil 26 dem Regelschalter 23 vorgeschaltet oder (wie in 1 gezeigt) nachgeschaltet sein. Das Messbauteil 26 kann ein elektrischer Widerstand oder Shuntwiderstand mit einem ohmschen Widerstandswert R sein.
  • Zum Schalten der Schalter 22, 23 kann eine Steuerschaltung 29 vorgesehen sein, welche mittels eines Schaltsignals Qx den Gleichrichtschalter 22 und mit einem inversen Schaltsignal nQx den Regelschalter 23 steuern kann. Eine Schaltlogik 30 kann hierbei das Signal Qx und das inverse Signal nQx entkoppeln und hierzu ein Entkoppelsignal 31 erzeugen, durch welches ein zum Erzeugen der Signale Qx, nQx verwendetes Flipflop 32 (FF) derart schalten kann, dass bei rückgesetztem Flipflop 32 (RST=1, S=0) das Schaltsignal nQx gleich 1 gesetzt ist und hierdurch aufgrund eines Invertierers 33 der Regelschalter 23 elektrisch sperrend (in einem elektrisch sperrenden Zustand) geschaltet wird, ohne dass hierbei mittels Qx der Gleichrichtschalter 22 elektrisch leitend geschaltet wird, falls das Entkoppelsignal 31 gesetzt ist, so dass aufgrund eines Invertierers 34 bei signalisiertem Entkoppelsignal 31 der Gleichrichtschalter 22 elektrisch sperrend gehalten wird. Bei nichtgesetztem Entkoppelsignal 31 wird dagegen der synchrone Betrieb gemäß der bekannten Funktion des Flipflops 32 und den nachtgeschalteten Invertierern 33, 34 durchgeführt.
  • Zum Schalten des Flipflops 32 kann mittels des Messbauteils 26 ein Messsignal 35 erzeugt werden, welches mittels eines Komparators 36 in an sich bekannter Weise für eine hysteretische Regelung (Zweipunktregelung) einen unteren Schwellenwert S1 der Stromstärke des Spulenstroms 24 bei elektrisch leitend geschaltetem Regelschalter 23 und elektrisch sperrendem Gleichrichtschalter 22 detektiert (untere Regelgrenze) . Der Schwellenwert S1 kann in der dargestellten Weise mittels einer Stromquelle 37 und einem elektrischen Widerstand 38 in Abhängigkeit von einer Betriebsspannung U+ eingestellt werden. Während dieser Regelphase 39 fließt der Spulenstroms 24 somit durch den Schaltungszweig 21 solange bis durch das Messsignal 35 signalisiert ist, dass die Stromstärke des Spulenstroms 24 kleiner als der Schwellenwert S1 ist. Dann setzt setzt der Komparator 36 das Flip-Flop 32 auf RST=1.
  • Durch das hierdurch ausgelöste Sperren des Regelschalters 23 wird der Spulenstrom 24 in den Schaltungszweig 20 umgeleitet, woraus sich eine Gleichrichtphase 40 ergibt. Hierbei kann dann durch die Schaltungslogik 30 entschieden werden, ob der Gleichrichtschalter 22 elektrisch leitend geschaltet wird oder elektrisch sperrend gehalten wird. Im letzten Fall wird der Spulenstroms 24 durch die Umgehungsdiode 27 geleitet.
  • 2 veranschaulicht diese Entscheidung der Schaltungslogik 30. Die Schaltungslogik 30 kann zum Beispiel einen Mikrocontroller aufweisen.
  • Der Gleichspannungswandler 10 kann als Festfrequenz-Spannungswandler betrieben werden und kann hierzu ein Taktsignal 41 (CLK) mit über der Zeit aufeinanderfolgenden steigenden Flanken 42 (Einschaltflanken) aufweisen. Bei steigender Flanke 42 kann in einem Prozessschritt P1 das Flipflop 32 gesetzt werden (S=1) und dies für eine Wartezeit T gehalten werden und danach in einem Prozessschritt P2 das Setzen zurückgenommen werden (S=0) und eine weitere Wartezeit T abgewartet werden. Danach kann in einem Prozessschritt P3 überprüft werden, ob während der Regelphase 39 das Messsignal 35 einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert S2 überschritten hat, was durch einen Komparator 43 erkannt und signalisiert werden kann. Der Komparator 43 überprüft hierdurch, ob die Möglichkeit oder die Gefahr oder das Risiko eines Rückflusses des Spulenstroms 24 hin zum Eingangsanschluss 11 während der bevorstehenden Gleichrichtphase 40 besteht (DCM). Der Schwellenwert S2 kann mittels einer Spannungsquelle 44 und einen Widerstand 45 in der beschriebenen Weise eingestellt werden.
  • Falls der Komparator 43 das Überschreiten des Schwellenwerts S2 signalisiert (symbolisiert durch ein Plus-Zeichen „+“), kann in einem Prozessschritt P4 der synchrone Betrieb des Gleichrichtschalters 22 mit dem Regelschalter 23 eingestellt werden, d.h. das Entkoppelsignal 31 unterdrückt werden, so dass mit Sperren des Regelschalters 23 der Gleichrichtschalter 22 elektrisch leitend geschaltet wird.
  • Falls der Komparator 43 signalisiert hat, dass der Schwellenwert S2 in der Regelphase 39 nicht überschritten wurde (symbolisiert durch ein Minus-Zeichen „-“) , so kann in einem Prozessschritt P5 das Entkoppelsignal 31 gesetzt oder erzeugt werden und hierdurch der Gleichrichtschalter 22 in der Gleichrichtphase 40 elektrisch sperrend gehalten werden, obwohl der Regelschalter 23 ebenfalls elektrisch sperrend geschaltet ist.
  • In beiden Fälle kann in einem nächsten Prozessschritt P6 die Gleichrichtphase abgewartet, d.h. auf die nächste steigende Flanke 42 gewartet werden (WAIT).
  • Somit werden durch den Spulenstrom 24 an dem Messbauteil 26, d.h. beispielsweise einem Shuntwiderstand R, nur im regelnden Stromkreis, d.h. dem Schaltungszweig 21, elektrische Verluste umgesetzt und über den Schaltzyklus (Duty Cycle) des Konverters 10 entsprechend verringert.
  • Dadurch steht aber keine Information über den Spulenstrom 24 während der Gleichrichtphase 40 zur Verfügung. Interessant ist dies allerdings nur, wenn der Spulenstrom 24 in der Regelphase 39 derart gering war, dass die Gefahr besteht, dass der Spulenstrom 24 in der Gleichrichtphase 40 zu 0 wird oder sich sogar umkehrt. Daher erkennt der Gleichspannungswandler 10 mittels des Komparators 43 beim Einschalten oder elektrisch leitend schalten des Regelschalters 23, ob ein Anfangswert des Spulenstroms 24 in der Regelphase 39 ausreichend hoch ist, um in der Gleichrichtphase 40 den gleichrichtenden MOSFET M2 oder allgemein den Gleichrichtschalter 22 überhaupt leitend zu schalten. Ist der Spulenstroms 24 nicht ausreichend groß (definiert durch den Schwellenwert S2), so wird in der Gleichrichtphase 40 der Spulenstrom 24 über die Bodydiode als Umgehungsdiode 27 des gleichrichtenden MOSFET M2 fließen. Das erzeugt zwar mehr Verluste, doch nur in dem Fall, in dem wenig Energie übertragen wird. Zudem kann das Messbauteil 26 an das Massepotential 17 gelegt werden, was die Strommessung besonders einfach implementierbar macht.
  • Die Vorteile liegen also darin, dass für hohe oder große Spulenströme 24 die Anordnung des Messbauteils 26 im regelnden Schaltungszweig 21 und für Boost-Konverter zusätzlich noch an dem Massepotential 17 liegt und für niedrige Spulenströme 24 der Gleichspannungswandler 10 wie ein konventioneller, nicht-synchroner Konverter (Nutzung der Umgehungsdiode 27) arbeitet oder funktioniert. Die Entscheidung wird in jedem Schaltzyklus (Abfolge aus Regelphase 39 und Gleichrichtphase 40) einzeln getroffen, wodurch unnötige Verluste verhindert werden.
  • Durch den Gleichspannungswandler 10 erspart man sich auch den Aufwand einer ZCD (Zero Current Detection), die entweder eine zusätzliche Schaltung oder zusätzliche Verluste im Schaltungszweig 20 bedeuten würde.
  • In dem in 2 veranschaulichten Verfahren wird die Strommessung durch S=1 unterbrochen. Um den Einschalt-Spannungspeak oder die Einschalt-Spannungsspitze nicht gleich wieder auszuschalten, wird für die Zeitdauer T zwischen den Prozessschritten P1 und P2 gewartet. Sinnvollerweise wartet man danach noch einmal die Zeitdauer T ab (zwischen den Prozessschritten P2 und P3), bevor die Entscheidung fällt, ob in der Gleichrichtphase 40 der gleichrichtende MOSFET M2 aktiv wird.
  • Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine DCM-Erkennung für Festfrequenz-Spannungswandler bereitgestellt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gleichspannungswandler
    11
    Eingangsanschluss
    12
    Ausgangsanschluss
    13
    Verbraucher
    14
    Ausgangsspannung
    15
    Betriebsstrom
    16
    Spannungsquelle
    17
    Massepotential
    18
    Eingangsspannung
    19
    Spule
    20
    Schaltungszweig
    21
    Schaltungszweig
    22
    Rückflussschalter
    23
    Masseschalter
    24
    Spulenstrom
    25
    Glättungskondensator
    26
    Messbauteil
    27
    Umgehungsdiode
    28
    Schaltstrecke
    29
    Steuerschaltung
    30
    Schaltlogik
    31
    Signal
    32
    Flip-Flop
    33
    Invertierer
    34
    Invertierer
    35
    Messsignal
    36
    Komparator
    37
    Stromquelle
    38
    Widerstand
    39
    Regelphase
    40
    Gleichrichtphase
    41
    Taktsignal
    42
    Steigende Flanke
    43
    Komparator
    44
    Stromquelle
    45
    Widerstand
    P1-P6
    Prozessschritt
    S1
    Schwellenwert
    S2
    Schwellenwert
    U+
    Versorgungsspannung
    Qx
    Steuersignal für Rückflussschalter
    nQx
    Steuersignal für Masseschalter
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2819288 A1 [0006]

Claims (6)

  1. Gleichspannungswandler (10), bei welchem ein erster Spulenanschluss (11') einer elektrischen Spule (19) mit einem Eingangsanschluss (11) des Gleichspannungswandlers (10) und ein zweiter Spulenanschluss (12') der Spule (19) einerseits über einen Gleichrichtschalter (22) mit einem Ausgabeanschluss (12) des Gleichspannungswandlers (10) und andererseits über einen Regelschalter (23) mit einem Massepotential (17) verbunden ist und eine mit dem Gleichrichtschalter (22) und dem Regelschalter (23) verbundene Steuerschaltung (29) dazu eingerichtet ist, in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen jeweils in einer Regelphase (39) den Gleichrichtschalter (22) elektrisch sperrend und den Regelschalter (23) elektrisch leitend zu schalten und in einer darauffolgenden Gleichrichtphase (40) den Regelschalter (23) elektrisch sperrend zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Messbauteil (26) dazu eingerichtet ist, in der Regelphase (39) ein Messsignal (35) zu erzeugen, das eine Stromstärke eines durch die Spule (19) fließenden elektrischen Spulenstroms (24) signalisiert, und - eine Komparatorschaltung (43) dazu eingerichtet ist, das Messsignal (35) mit einem vorbestimmten Schwellenwert (S2) zu vergleichen, und - die Steuerschaltung (29) dazu eingerichtet ist, in der Gleichrichtphase (40) a) den Gleichrichtschalter (22) elektrisch leitend zu schalten, falls die Komparatorschaltung (43) signalisiert, dass in der Regelphase (39) die Stromstärke größer als der Schwellenwert (S2) war, und b) den Gleichrichtschalter (22) elektrisch sperrend zu halten und hierdurch den Spulenstrom (24) über eine Umgehungsdiode (27) zu dem Ausgabeanschluss (12) zu führen, falls die Stromstärke in der Regelphase (39) durchgehend kleiner als der Schwellenwert (S2) war.
  2. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (29) dazu eingerichtet ist, die Komparatorschaltung (43) mit einem vorbestimmten Zeitversatz (T) nach dem Sperren des Regelschalters (23) auszuwerten (P3).
  3. Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Gleichspannungswandler (10) in der Gleichrichtphase (40) eine Stromstärke des Spulenstroms (24) unüberwacht ist.
  4. Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichtschalter (22) durch einen Transistor (M2) bereitgestellt ist, der eine Bodydiode aufweist, durch welche die Umgehungsdiode (27) gebildet ist.
  5. Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messbauteil (26) zum Erzeugen des Messsignals (35) einen elektrischen Widerstand (R) aufweist, welcher dem Regelschalter (23) derart vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist, dass das Messbauteil (26) ausschließlich in der Regelphase (39) von dem Spulenstrom (24) durchflossen ist.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (10) als synchroner Aufwärtswandler, wobei eine Steuerschaltung (29) in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen jeweils in einer Regelphase (39) einen Gleichrichtschalter (22) elektrisch sperrend und einen Regelschalter (23) elektrisch leitend schaltet und in einer darauffolgenden Gleichrichtphase (40) den Regelschalter (23) elektrisch sperrend schaltet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Komparatorschaltung (43) in der Regelphase (39) ein Messsignal (35) erzeugt, das eine Stromstärke eines durch eine elektrische Spule (19) fließenden elektrischen Spulenstroms (24) signalisiert, und eine Komparatorschaltung (43) das Messsignal (35) mit einem vorbestimmten Schwellenwert (S2) vergleicht und die Steuerschaltung (29) in der Gleichrichtphase (40) a) den Gleichrichtschalter (22) elektrisch leitend schaltet, falls die Komparatorschaltung (43) signalisiert, dass in der Regelphase (39) die Stromstärke größer als der Schwellenwert (S2) war, und b) den Gleichrichtschalter (22) elektrisch sperrend schaltet und hierdurch der Spulenstrom (24) über eine Umgehungsdiode (27) zu einem Ausgabeanschluss (12) geführt wird, falls die Komparatorschaltung (43) signalisiert, dass die Stromstärke in der Regelphase (39) durchgehend kleiner als der Schwellenwert (S2) war.
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