DE102017118973B4

DE102017118973B4 - Leistungswandler

Info

Publication number: DE102017118973B4
Application number: DE102017118973.4A
Authority: DE
Inventors: Kennith Kin Leong
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2037-08-19
Also published as: DE102017118973A1

Abstract

Leistungswandler, der aufweist:n Eingänge (11, 12), wobei n eine ganze Zahl ist und wobei n≥1;einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsknoten (13) und einem zweiten Ausgangsknoten (14);n Eingangszweige, die jeweils an einen zugehörigen der n Eingänge (11, 12) angeschlossen sind, wobei jeder der n Eingangszweige einen elektronischen Schalter (2) und eine Induktivität (3) mit einem ersten Schaltungsknoten (301) und einem zweiten Schaltungsknoten (302) aufweist;einen ersten Ausgangskondensator (41), der zwischen den ersten Ausgangsknoten (13) und den ersten Schaltungsknoten (301) jeder der n Induktivitäten (3) geschaltet ist;einen zweiten Ausgangskondensator (42), der zwischen den zweiten Ausgangsknoten (14) und den ersten Schaltungsknoten jeder der n Induktivitäten (3) geschaltet ist;n Freilaufelemente (51), die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einer zugehörigen der n Induktivitäten (3) an den ersten Ausgangskondensator (41) zu übertragen;n zweite Freilaufelemente (52), die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einer zugehörigen der n Induktivitäten an den zweiten Ausgangskondensator (42) zu übertragen; undn Steuerschaltungen (6), die jeweils dazu ausgebildet sind, den elektronischen Schalter eines zugehörigen der n Eingangszweige pulsweitenmoduliert (PWM) basierend auf einem Fehlersignal (SERR) anzusteuern, das abhängig ist von einer Ausgangsspannung (VOUT) am Ausgang und einem Referenzsignal (SREF).

Description

Diese Beschreibung betrifft allgemein eine Leistungswandlerschaltung, insbesondere einen getakteten Leistungswandler (Switched Mode Power Converter).
Getaktete Leistungswandler (die häufig als getaktete Leistungsversorgungen (Switched Mode Power Supplies, SMPS) bezeichnet werden) sind in verschiedenen Arten von Automobil-, Industrie-, Haushalts- oder Unterhaltungselektronikanwendungen weit verbreitet. Ein getakteter Leistungswandler umfasst wenigstens einen elektronischen Schalter, der an wenigstens eine Induktivität gekoppelt ist. Ein getakteter Leistungswandler ist dazu ausgebildet, eine Eingangsleistung, die gegeben ist durch einen Eingangsstrom multipliziert mit einer Eingangsspannung, an einem Eingang zu erhalten und eine Ausgangsleistung, die gegeben ist durch eine Ausgangsspannung multipliziert mit einem Ausgangsstrom, an eine an einen Ausgang gekoppelte Last zu liefern. Durch Regeln der am Eingang erhaltenen Eingangsleistung kann der getaktete Leistungswandler wenigstens einen Betriebsparameter, wie beispielsweise die Ausgangsspannung, regeln. Die Eingangsleistung kann geregelt werden durch Regeln eines Stroms durch die wenigstens eine Induktivität, wobei der Induktivitätsstrom durch einen getakteten Betrieb des wenigstens einen elektronischen Schalters geregelt werden kann.
In der Veröffentlichung M. M. S. Khan, M. S. Arifin, M. R. T. Hossain, M. A. Kabir, A. H. Abedin and M. A. Choudhury, „Input switched single phase buck and buck-boost AC-DC converter with improved power quality," 7th International Conference on Electrical and Computer Engineering, Dhaka, 2012, pp. 189-192 ist ein getakteter einphasiger Leistungswandler beschrieben, der dazu ausgebildet ist, an einem Eingang eine Eingangswechselspannung zu erhalten und daraus an einem Ausgang eine Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Dieser Leistungswandler umfasst zwei Induktivitäten, die jeweils über eine Brückenschaltung mit vier Dioden und einem Transistor an den Eingang gekoppelt sind und die während unterschiedlicher Halbwellen der Eingangsspannung von Strom durchflossen werden. Außerdem sind die zwei Induktivitäten über weitere Dioden an einen Ausgangskondensator gekoppelt, an dem die Ausgangsspannung zur Verfügung steht.
In der Veröffentlichung Y. Gao, W. Cai and F. Yi, „A single-stage single-phase isolated AC-DC converter based on LLC resonant unit and T-type three-level unit for battery charging applications," IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, CA, 2016, pp. 1861-1867 ist ein getakteter einphasiger Leistungswandler beschrieben, der dazu ausgebildet ist, an einem Eingang eine Eingangswechselspannung zu erhalten und daraus an einem Ausgang eine Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Dieser Leistungswandler umfasst eine Eingangsstufe mit eine Induktivität und zwei Kondensatoren und eine LLC-Stufe, wobei die Eingangsstufe dazu ausgebildet ist, aus der Eingangsspannung eine rechteckförmige Wechselspannung zu erzeugen, die der LLC-Stufe zugeführt ist, wobei die LLC-Stufe aus dieser rechteckförmigen Wechselspannung die Ausgangsspannung erzeugt.
Die DE 102 38 606 A1 beschreibt einen getakteten Leistungswandler mit einer Brückenschaltung, die zwei Transistoren und zwei Kondensatoren aufweist, wobei die zwei Transistoren in Reihe zwischen Eingangsanschlüsse geschaltet sind und die die zwei Kondensatoren in Reihe zwischen die Eingangsanschlüsse geschaltet sind. Eine zwischen einem Abgriff der Transistoren und einem Abgriff der Kondensatoren anliegende Spannung ist einer Gleichrichterschaltung mit einem Transformator zugeführt, die eine Ausgangsspannung bereitstellt.
Es besteht ein Bedarf nach einem Leistungswandler, insbesondere einem getakteten Leistungswandler der dazu ausgebildet ist, eine Eingangswechselspannung zu erhalten und eine Ausgangsgleichspannung zu liefern. Diese Aufgabe wird jeweils durch einen Leistungswandler nach Anspruch 1 und einen Leistungswandler nach Anspruch 11 gelöst.
Ein Beispiel betrifft einen Leistungswandler. Der Leistungswandler umfasst n Eingänge, wobei n eine ganze Zahl ist und wobei ein n≥1, einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsknoten und einem zweiten Ausgangsknoten, n Eingangszweigen, die jeweils an einen jeweiligen der n Eingänge angeschlossen sind, wobei jeder der n Eingangszweige einen elektronischen Schalter und eine Induktivität mit einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten aufweist. Der Leistungswandler umfasst außerdem einen Ausgangskondensator, der zwischen den ersten Ausgangsknoten und den ersten Schaltungsknoten jeder der n Induktivitäten geschaltet ist, einen zweiten Ausgangskondensator, der zwischen den zweiten Ausgangsknoten und den ersten Schaltungsknoten jeder der n Induktivitäten geschaltet ist, n erste Freilaufelemente, die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einer jeweiligen der n Induktivitäten an den ersten Ausgangskondensator zu liefern, und n zweite Freilaufelemente, die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einer zugehörigen der n Induktivitäten an den zweiten Ausgangskondensator zu liefern.
Ein weiteres Beispiel betrifft einen Leistungswandler. Der Leistungswandler umfasst n Eingänge, wobei n eine ganze Zahl und wobei n≥1 ist, einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsknoten und einem zweiten Ausgangsknoten, n ersten Eingangszweigen, die jeweils an einen zugehörigen der n Eingänge angeschlossen sind, wobei jeder n ersten Eingangszweige einen ersten elektronischen Schalter und eine erste Induktivität mit einem ersten Schaltungskonten und einem zweiten Schaltungsknoten, einen ersten Ausgangskondensator, der zwischen den ersten Ausgangsknoten und den ersten Schaltungskonten jeder der n ersten Induktivitäten geschaltet ist, und n erste Freilaufelemente, die j eweils dazu ausgebildet sind, Energie von einem zugehörigen der n ersten Induktivitäten an den ersten Ausgangskondensator zu liefern, aufweist. Der Leistungswandler umfasst außerdem n zweite Eingangszweige, die jeweils an einen zugehörigen der n Eingänge angeschlossen sind, wobei jeder der n zweiten Eingangszweige einen zweiten elektronischen Schalter und eine zweite Induktivität mit einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten, einen zweiten Ausgangskondensator, der zwischen den zweiten Ausgangsknoten und den ersten Schaltungsknoten jeder der n zweiten Induktivitäten geschaltet ist, und n zweite Freilaufelemente, die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einem zugehörigen der n zweiten Induktivitäten an den zweiten Ausgangskondensator zu liefern, aufweist. Außerdem umfasst der Leistungswandler n Steuerschaltungen, die jeweils dazu ausgebildet sind, den elektronischen Schalter eines zugehörigen der n Eingangszweige pulsweitenmoduliert basierend auf einem Fehlersignal anzusteuern, das abhängig ist von einer Ausgangsspannung (V_OUT) am Ausgang und einem Referenzsignal.
Beispiele sind nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis dieser Prinzipien notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 zeigt ein Beispiel eines Leistungswandlers mit einem Eingangszweig und zwei Ausgangszweigen;
2A bis 2D veranschaulichen unterschiedliche Betriebszustände des in 1 gezeigten Leistungswandlers;
3A und 3B zeigen unterschiedliche Beispiele eines elektronischen Schalters in dem Eingangszweig;
4A bis 4C zeigen unterschiedliche Beispiele, wie der in 3A gezeigte elektronische Schalter realisiert werden kann;
5 veranschaulicht eine weitere Realisierung des elektronischen Schalters;
6A und 6B zeigen Beispiele von Gleichrichterelementen in den Ausgangszweigen;
7 zeigt Zeitdiagramme von Beispielen der Eingangsspannung und von Ansteuersignalen eines elektronischen Schalters in dem Eingangszweig und von Gleichrichterelementen in den Ausgangszweigen gemäß einem Beispiel;
8 zeigt ein Beispiel einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale des in 7 gezeigten Typs zu erzeugen;
9 zeigt Zeitdiagramme der Eingangsspannung und von Ansteuersignalen eines elektronischen Schalters in dem Eingangszweig und von Gleichrichterelementen in den Ausgangszweigen gemäß einem weiteren Beispiel;
10 zeigt ein Beispiel einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale des in 9 gezeigten Typs zu erzeugen;
11 zeigt einen Mehrphasenwandler gemäß einem Beispiel;
12 zeigt eine Modifikation des in 1 gezeigten Leistungswandlers;
13 zeigt ein Beispiel eines Leistungswandlers mit zwei Eingangszweigen und zwei Ausgangszweigen;
14A bis 14D veranschaulichen unterschiedliche Betriebszustände des in 13 gezeigten Leistungswandlers;
15 zeigt Zeitdiagramme von Beispielen der Eingangsspannung und von Ansteuersignalen von elektronischen Schaltern in den Eingangszweigen des in 13 gezeigten Leistungswandlers;
16 zeigt ein Beispiel einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale des in 15 gezeigten Typs zu erzeugen; und
17 zeigt einen Mehrphasenwandler gemäß einem weiteren Beispiel.

In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden eine Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung Beispiel, wie die Erfindung genutzt und umgesetzt werden kann. Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.
1 zeigt ein Beispiel eines Leistungswandlers. Der in 1 gezeigte Leistungswandler ist ein Einphasenleistungswandler mit einem Eingang und einem Ausgang. Allerdings sind die nachfolgend anhand des in 1 gezeigten Einphasenleistungswandlers erläuterten Prinzipien auch auf einen Mehrphasenleistungswandler mit n Eingängen und einem Ausgang anwendbar. Ein Beispiel eines solchen Mehrphasenleistungswandlers ist in 11 gezeigt und weiter unten erläutert.
Bezugnehmend auf 1 umfasst der Eingang des Leistungswandlers einen ersten Eingangsknoten 11 und eine zweiten Eingangsknoten 12 und ist dazu ausgebildet, eine Eingangsspannung V_IN zu erhalten. Der Ausgang umfasst eine ersten Ausgangsknoten 13 und eine zweiten Ausgangsknoten 14 und ist dazu ausgebildet, eine Ausgangsspannung V_OUT zu liefern. Ein Eingangszweig ist an den Eingang 11, 12 angeschlossen und umfasst einen elektronischen Schalter 2 und eine Induktivität 3 mit einem ersten Knoten 301 und einem zweiten Knoten 302. Der Eingangszweig mit dem elektronischen Schalter 2 und der Induktivität 3 ist an den Eingang angeschlossen indem der erste Knoten 311 der Induktivität 3 an den zweiten Eingangsknoten 12 angeschlossen ist, ein erster Knoten 201 des elektronischen Schalters 2 an den ersten Eingangsknoten 11 angeschlossen ist und der elektronische Schalter 2 an die Induktivität 3 angeschlossen ist. Der elektronische Schalter 2 ist an die Induktivität 3 angeschlossen indem ein zweiter Knoten 202 des elektronischen Schalters 2 an den zweiten Knoten 302 der Induktivität 3 angeschlossen ist. Mit anderen Worten, der elektronische Schalter 2 und die Induktivität 3 bilden eine Reihenschaltung, wobei diese Reihenschaltung zwischen den ersten Eingangsknoten 11 und den zweiten Eingangsknoten 12 geschaltet ist.
Bezugnehmend auf 1 umfasst der Leistungswandler außerdem einen ersten Ausgangszweig mit einem Ausgangskondensator 41 und einem ersten Freilaufelement 51 und einen zweiten Ausgangszweig mit einem zweiten Ausgangskondensator 42 und einem zweiten Freilaufelement 52. Der erste Ausgangskondensator 41 ist zwischen den ersten Ausgangsknoten 13 und den ersten Knoten 301 der Induktivität 3 geschaltet, und der zweite Ausgangskondensator 42 ist zwischen den zweiten Ausgangsknoten 14 und den ersten Knoten 301 der Induktivität 3 geschaltet. Bezugnehmend auf die nachfolgende Erläuterung werden während des Betriebs des Leistungswandlers der erste Ausgangskondensator 41 und der zweite Ausgangskondensator 42 so geladen, dass eine Spannung V41 über dem ersten Ausgangskondensator 41 auf den ersten Ausgangsknoten 13 bezogen ist und eine Spannung V42 über dem zweiten Ausgangskondensator 42 auf den Schaltungsknoten 301 bezogen ist, an dem die Ausgangskondensatoren 41, 42 verbunden sind, so dass die Ausgangsspannung V_OUT gegeben ist durch die Spannung V41 über dem ersten Kondensator 41 plus der Spannung V42 über dem zweiten Kondensator 42, das heißt, V_OUT = V41 + V42.
Das erste Freilaufelement 51 ist dazu ausgebildet, Energie von der Induktivität 3 an den ersten Ausgangskondensator 41 zu übertragen, und das zweite Freilaufelement 52 ist dazu ausgebildet, Energie von der Induktivität 3 an den zweiten Ausgangskondensator 42 zu übertragen. Diese ersten und zweiten Freilaufelemente sind in dem in 1 gezeigten Beispiel einfach als Schalter gezeichnet. Beispiele, wie diese Freilaufelemente 51, 52 realisiert werden können, sind weiter unten erläutert. Bezugnehmend auf 1 ist das erste Freilaufelement 51 in dem ersten Ausgangszweig zwischen den zweiten Knoten 302 der Induktivität 3 und den ersten Ausgangsknoten 13 geschaltet, so dass das erste Freilaufelement 51 parallel zu einer Reihenschaltung geschaltet ist, die die Induktivität 3 und den ersten Ausgangskondensator 41 aufweist. Das zweite Freilaufelement 52 ist in dem zweiten Ausgangszweig zwischen den zweiten Knoten 302 der Induktivität und den zweiten Ausgangsknoten 14 geschaltet, so dass das zweite Freilaufelement 52 parallel zu einer Reihenschaltung geschaltet ist, die die Induktivität 3 und den zweiten Ausgangskondensator 42 aufweist.
Der in 1 gezeigte Leistungswandler ist ein getakteter Leistungswandler, in dem ein Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT durch einen getakteten Betrieb oder einen Pulsweitenmodulations-(PWM)-betrieb des elektronischen Schalters 2 geregelt wird. Ein Beispiel einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Betrieb des elektronischen Schalters 12 und der Freilaufelement 51, 52 zu steuern, um einen Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT zu regeln, ist weiter unten erläutert. Der Leistungswandler ist außerdem dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung V_OUT basierend auf einer positiven Eingangsspannung V_IN oder einer negativen Eingangsspannung V_IN zu erzeugen. Das heißt, die Eingangsspannung V_IN kann eine Polarität, wie sie in 1 gezeigt ist, bei der das höhere Potential an dem ersten Eingangsknoten 11 verfügbar ist und das niedrigere Potential an dem zweiten Eingangsknoten 12 verfügbar ist, oder eine entgegengesetzte Polarität haben. Die Polarität der Ausgangsspannung V_OUT ist dieselbe unabhängig von der Polarität der Eingangsspannung V_IN. Der Leistungswandler kann daher als AC-DC-Wandler verwendet werden.
Während des getakteten Betriebs des Leistungswandlers gibt es Zeitdauern, in denen der elektronische Schalter 2 eingeschaltet ist, und Zeitdauern, in denen der elektronische Schalter 2 ausgeschaltet ist. Ein Betriebszustand, in dem der elektronische Schalter 2 eingeschaltet ist, wird nachfolgend als Ein-Zustand des elektronischen Schalters 2 bezeichnet und ein Betriebszustand, in dem der elektronische Schalter 2 ausgeschaltet ist, wird nachfolgend als Aus-Zustand des elektronischen Schalters 2 bezeichnet. Zeitdauern, in denen der elektronische Schalter 2 eingeschaltet ist, werden nachfolgend als Ein-Perioden bezeichnet, und die Zeitdauern, in denen der elektronische Schalter 2 ausgeschaltet ist, werden nachfolgend als Aus-Perioden bezeichnet. Abhängig von der Polarität der Eingangsspannung V_IN und abhängig davon, ob der elektronische Schalter 2 im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand ist, gibt es vier unterschiedliche Betriebszustände des Leistungswandlers. Diese Betriebszustände sind nachfolgend anhand der 2A bis 2D erläutert. Jede dieser 2A bis 2D zeigt das in 1 gezeigte Schaltbild und veranschaulicht, welcher Zweig des Leistungswandlers im jeweiligen Betriebszustand einen Strom leitet. Der Zweig, der einen Strom leitet, ist in den 2A bis 2D in fetten Linien gezeichnet.
Bezugnehmend auf 2A ist ein erste Betriebszustand I ein Betriebszustand, in dem die Eingangsspannung V_IN positiv ist und der elektronische Schalter 2 im Ein-Zustand ist. In diesem Betriebszustand fließt ein Eingangsstrom I_IN getrieben durch die Eingangsspannung V_IN durch den elektronischen Schalter 2 und die Induktivität 3, während die ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 so betrieben werden, dass Ströme I51, I52 durch diese Freilaufelemente 51, 52 und die Ausgangskondensatoren 41, 42 Null sind, das heißt, 151 = 0 und 152 = 0.
Bezugnehmend auf 2B ist in einem zweiten Betriebszustand II die Eingangsspannung V_IN positiv und der elektronische Schalter 2 ist ausgeschaltet, so dass der Eingangsstrom I_IN Null ist. Wenn die Eingangsspannung V_IN positiv ist und der elektronische Schalter 2 pulsweitenmoduliert (PWM) angesteuert wird, wird der Leistungswandler abwechselnd in dem in 2A veranschaulichten ersten Betriebszustand I und dem in 2B veranschaulichten zweiten Betriebszustand II betrieben. Im ersten Betriebszustand I wird Energie in der Induktivität 3 gespeichert, und im zweiten Betriebszustand induziert die in der Induktivität 3 während des ersten Betriebszustands gespeicherte Energie einen Freilaufstrom 151 durch den ersten Ausgangskondensator 41 und das erste Freilaufelement 51. In diesem zweiten Betriebszustand wird das erste Freilaufelement 51 so betrieben, dass es den durch die Induktivität 3 induzierten Strom leiten kann, während das zweite Freilaufelement 52 so betrieben wird, dass es einen Stromfluss verhindert, so dass ein zweiter Freilaufstrom 152 Null ist.
Der dritte Betriebszustand III und der vierte Betriebszustand IV, die in den 2C und 2D gezeigt sind, sind Betriebszustände, in denen die Eingangsspannung V_IN negativ ist. Im dritten Betriebszustand III wird der elektronische Schalter 2 eingeschaltet, so dass ein Eingangsstrom I_IN durch den zweiten elektronischen Schalter 2 und die Induktivität 3 fließt, wobei eine Stromrichtung des Eingangsstroms I_IN entgegengesetzt zu der Stromrichtung in dem ersten Betriebszustand I ist, wenn die Eingangsspannung positiv ist. Während dieses dritten Betriebszustands III wird Energie in der Induktivität 3 gespeichert. Im vierten Betriebszustand IV ist der elektronische Schalter 2 im Aus-Zustand, so dass der Eingangsstrom I_IN Null ist. In diesem Betriebszustand IV induziert die in der Induktivität während des dritten Betriebszustands III gespeicherte Energie einen Strom durch das zweite Freilaufelement 52 und den zweiten Ausgangskondensator 42. In diesem vierten Betriebszustand IV wird das zweite Freilaufelement 52 so betrieben, dass der durch die Induktivität 3 induzierte Strom durch das zweite Freilaufelement 52 fließen kann und den zweiten Kondensator 42 lädt, während das erste Freilaufelement 51 so gesteuert wird, dass es einen Stromfluss verhindert, so dass der Strom 151 durch das erste Freilaufelement 51 Null ist.
Bezugnehmend auf die 2A und 2B wird der erste Ausgangskondensator 41 geladen, wenn die Eingangsspannung V_IN positiv ist und der elektronische Schalter 2 abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wird. Bezugnehmend auf die 2C und 2D wird der zweite Ausgangskondensator 42 geladen, wenn die Eingangsspannung V_IN positiv ist und der elektronische Schalter 2 abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wird.
Gemäß einem Beispiel ist der elektronische Schalter 2 ein bidirektional sperrender Schalter. Das heißt, im Aus-Zustand sperrt der elektronische Schalter 2 einen Strom unabhängig von einer Polarität einer Spannung über dem elektronischen Schalter 2. Bezugnehmend auf die 3A und 3B können solche bidirektional sperrende elektronische Schalter 2 unter Verwendung von zwei unidirektional sperrenden Schaltelementen 23, 24 realisiert werden. Jedes dieser zwei unidirektional sperrenden Schaltelemente 23, 24 kann einen elektronischen Schalter 23₁, 24₁, der abhängig von einem an einem Steuerknoten erhaltenen Ansteuersignal S23, S24 ein- und ausschaltet, und ein parallel zu dem elektronischen Schalter 23₁, 24₁ geschaltetes Gleichrichterelement 23₂, 24₂ umfassen. Aufgrund des Gleichrichterelements 23₂, 24₂ leitet jedes dieser unidirektional sperrenden Schaltelemente 23, 24 unabhängig von einem Schaltzustand des zugehörigen elektronischen Schalters 23₁, 24₁ einen Strom, wenn eine Spannung angelegt wird, die das Gleichrichterelement 23₂, 24₂ in Flussrichtung polt. Um einen bidirektional sperrenden Schalter zu erhalten, sind die zwei unidirektional sperrenden Schaltelemente derart in Reihe zwischen den ersten Knoten 21 und den zweiten Knoten 22 des elektronischen Schalters geschaltet, dass die Gleichrichterelemente 23₂, 24₂ in einer antiseriellen Konfiguration verschaltet sind. Zwei unterschiedliche Beispiele, wie ein bidirektional sperrender elektronischer Schalter 2 unter Verwendung von zwei unidirektional sperrenden Schaltelementen realisiert werden kann, sind in den 3A und 3B gezeigt. Bei dem in 3A gezeigten Beispiel sind die unidirektional sperrenden Schaltelemente 23, 24 so zwischen den ersten Knoten 21 und den zweiten Knoten 22 geschaltet, dass erste Knoten der Gleichrichterelemente 23₂, 24₂ verbunden sind, während bei dem in 3B gezeigten Beispiel die unidirektional sperrenden Schaltelement 23, 24 so verbunden sind, dass zweite Knoten der Gleichrichterelemente 23₂, 24₂ verbunden sind. Bei diesem Beispiel sind die Gleichrichterelemente 23₂, 24₂ Dioden, wobei erste Knoten dieser Dioden Anodenknoten und zweite Knoten Kathodenknoten sind.
Die unidirektional sperrenden Schaltelemente mit dem Schalter 23₁, 24₁ und dem zugehörigen Gleichrichterelement 23₂, 24₂ können in verschiedener Weise realisiert werden. Einige Beispiele sind unten anhand der 4A bis 4C erläutert. Bei diesen Beispielen sind zwei unidirektionale Schalter in Reihe geschaltet. Es sei erwähnt, dass bei jedem dieser Beispiele die Position der unidirektionalen Schaltelemente 23, 24 in der Reihenschaltung zwischen dem ersten und zweiten Knoten 21, 22 vertauscht werden kann.
Bei dem in 2A gezeigten Beispiel ist jedes der unidirektional sperrenden Schaltelemente 23, 24 ein MOSFET. Es ist allgemein bekannt, dass ein MOSFET eine interne Diode, die üblicherweise als Bodydiode bezeichnet wird, umfasst. Diese Bodydiode bewirkt, dass der MOSFET ein unidirektional sperrendes Schaltelement ist. Die in 4A gezeigten Gleichrichterelemente 23₂, 24₂ repräsentieren die interne Bodydiode dieser MOSFETs. Bezugnehmend auf 4A kann der bidirektional sperrende Schalter 2 erhalten werden indem die zwei MOSFETs 23, 24 so in Reihe geschaltet werden, dass ihre jeweiligen Bodydioden antiseriell verbunden sind. Bezugnehmend auf 4A kann dies erreicht werden durch Verwenden von zwei MOSFETs desselben Leitungstyps und entweder Verbinden der Sourceknoten (wie in 4A gezeigt) dieser MOSFETs 23, 24 oder Verbinden der Drainkonten (nicht dargestellt) dieser zwei MOSFETs. Lediglich zur Veranschaulichung sind die in 4A gezeigten MOSFETs n-leitende MOSFETs. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Ein bidirektional sperrender Schalter kann auch durch Verwenden von zwei p-leitenden MOSFETs oder Verwenden von einem n-leitenden MOSFET und einem p-leitenden MOSFET erhalten werden. In jedem Fall sind diese MOSFETs so in Reihe geschaltet, dass ihre jeweiligen Bodydioden in einer antiseriellen Konfiguration verschaltet sind.
Bei dem in 4B gezeigten Beispiel umfasst der bidirektional sperrende elektronische Schalter 2 zwei GITs (Gate Injection Transistors), wie beispielsweise GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistors). Diese GITs sind so in Reihe geschaltet, dass entweder ihre Drainknoten verbunden sind (wie in 4B gezeigt) oder dass ihre Sourceknoten verbunden sind (nicht gezeigt). Ein GIT ist ein unidirektional sperrender elektronischer Schalter, so dass zwei GITs in Reihe geschaltet werden können, um einen bidirektional sperrenden elektronischen Schalter 2 zu bilden.
Bei dem in 4C gezeigten Beispiel umfasst der bidirektional sperrende elektronische Schalter 2 zwei IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Diese IGBTs sind so in Reihe zwischen den ersten Knoten 21 und den zweiten Knoten 22 geschaltet, dass entweder die Emitterknoten der IGBTs verbunden sind (wie in 4C gezeigt) oder dass die Kollektorknoten der IGBTs verbunden sind (nicht gezeigt). Ein IGBT kann abhängig von einer Polarität einer Spannung, die im Aus-Zustand zwischen dem Kollektorknoten und dem Emitterknoten angelegt wird, unterschiedliche Sperrspannungsfestigkeiten haben. Außerdem kann eine zwischen dem Kollektorknoten und dem Emitterknoten geschaltete Diode 23₂, 24₂ vorhanden sein. In jedem Fall kann, wie in 4C gezeigt ist, eine Reihenschaltung mit zwei IGBTs verwendet werden, um einen bidirektional sperrenden Schalter 2 mit im Wesentlichen derselben Sperrspannungsfestigkeit unabhängig von einer Polarität einer zwischen dem ersten Knoten 21 und dem zweiten Knoten 22 angelegten Spannung zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 5 gezeigt ist, umfasst der bidirektional sperrende elektronische Schalter 2 eine Brückenschaltung mit vier Gleichrichterelementen 28₁, 28₂, 29₁, 29₂ und einem Transistorelement. Lediglich zur Veranschaulichung ist bei dem in 5 gezeigten Beispiel das Transistorelement 27 ein IGBT und sind die Gleichrichterelemente 28₁, 28₂, 29₁, 29₂ Bipolardioden. Eine beliebige andere Art von Transistorbauelement und eine beliebige andere Art von Gleichrichterelement kann ebenfalls verwendet werden.
Anders als der elektronische Schalter 2 muss jedes der ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 einen Strom in nur einer Richtung leiten. Dennoch ist jedes dieser ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 ein bidirektional sperrendes Bauelement. Beispiele, wie die ersten und zweiten Freilaufelement 51, 52 realisiert werden können, sind in den 6A und 6B gezeigt. 6A zeigt ein Beispiel des ersten Freilaufelements 51 und 6B zeigt ein Beispiel des zweiten Freilaufelements 52. Bei diesen Beispielen umfasst jedes der Freilaufelemente 51, 52 ein unidirektional sperrendes Schaltelement 513, 523 und ein Gleichrichterelement 514, 524, wobei das unidirektional sperrende Schaltelement 513, 523 und das Gleichrichterelement 514, 524 derart zwischen einen ersten Knoten 511, 521 und einen zweiten Knoten 512, 522 des jeweiligen Freilaufelements 51, 52 geschaltet sind, dass das Gleichrichterelement 514, 524 und ein internes oder externes Gleichrichterelement des unidirektional sperrenden Schaltelements 513, 514 in einer antiseriellen Konfiguration verschaltet sind. Die Richtung, in der die ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 einen Strom leiten können, wenn das jeweilige Schaltelement 513, 514 eingeschaltet ist, wird durch das jeweilige Gleichrichterelement 523, 524 bestimmt.
Das erste Freilaufelement 51 leitet einen Strom, wenn das unidirektional sperrende Schaltelement 513 durch ein Steuersignal S51, das an einem Steuerknoten des unidirektional sperrenden elektronischen Schalters 513 erhalten wird, eingeschaltet wird, und wenn eine zwischen dem ersten Knoten 511 und dem zweiten Knoten 512 des ersten Freilaufelements 51 angelegte Spannung V51 eine Polarität hat, die das Gleichrichterelement 514 in Flussrichtung polt. Bei dem in 6A gezeigten Beispiel leitet das erste Freilaufelement 51 einen Strom, wenn der unidirektional sperrende elektronische Schalter 513 eingeschaltet wird und wenn eine Spannung V51 zwischen dem ersten Knoten 511 und dem zweiten Knoten 512 eine positive Spannung ist. Dies ist der Fall, wenn der Leistungswandler in dem anhand von 2B erläuterten zweiten Betriebszustand II ist.
Das zweite Freilaufelement 52 leitet einen Strom, wenn das unidirektional sperrende Schaltelement 523 durch ein an einem Steuerknoten des unidirektional sperrenden elektronischen Schalters 523 erhaltenes Steuersignal S52 eingeschaltet wird und wenn eine zwischen dem ersten Knoten 521 und dem zweiten Knoten 522 des zweiten Freilaufelements 51 angelegte Spannung V52 eine Polarität hat, die das Gleichrichterelement 524 in Flussrichtung polt. Bei dem in 6B gezeigten Beispiel leitet das zweite Freilaufelement 52 einen Strom, wenn der unidirektional sperrende elektronische Schalter 523 eingeschaltet ist und wenn eine Spannung V52 zwischen dem ersten Knoten 521 und dem zweiten Knoten 522 eine positive Spannung ist. Dies ist der Fall, wenn sich der Leistungswandler in dem anhand von 2D erläuterten vierten Betriebszustand IV befindet.
Lediglich zur Veranschaulichung sind bei den in den 6A und 6B gezeigten Beispielen die Gleichrichterelemente 514, 524 Bipolardioden. Allerdings kann eine beliebige andere Art von Gleichrichterelement, wie beispielsweise eine Zenerdiode, eine Schottkydiode oder ähnliches ebenso verwendet werden.
Die ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 sperren jeweils unabhängig von einer Polarität der Spannung V51, V52, die zwischen dem ersten Knoten 51, 521 und dem zweiten Knoten 512, 522 erhalten wird, wenn der j eweilige unidirektional sperrende elektronische Schalter 513, 523 ausgeschaltet ist. In den 6A und 6B sind die unidirektional sperrenden elektronischen Schalter 513, 523 schematisch so gezeichnet, dass sie einen elektronischen Schalter und ein parallel zu dem elektronischen Schalter geschaltetes Gleichrichterelement umfassen. Jeder dieser unidirektional sperrenden elektronischen Schalter 513, 523 kann gemäß einem beliebigen der zuvor anhand der 4A bis 4D erläuterten unidirektional sperrenden elektronischen Schalter realisiert werden.
Gemäß einem Beispiel ist die Eingangsspannung V_IN eine sinusförmige Eingangsspannung. 7 zeigt Zeitdiagramme der Eingangsspannung V_IN, eines Ansteuersignals S2 des elektronischen Schalters 2, eines Ansteuersignals S51 des ersten Freilaufelements 51 und eines Ansteuersignals S52 des zweiten Freilaufelements 52 während einer Periode der Eingangsspannung V_IN. Das erste Ansteuersignal S2 schaltet den elektronischen Schalter 2 ein oder aus. Bezugnehmend auf die 3A und 3B und 4A bis 4B kann der elektronische Schalter 2 zwei unidirektional sperrende elektronische Schalter 23, 24 umfassen, von denen jeder abhängig von einem entsprechenden Steuersignal S23, S24 ein- oder ausschaltet. Diese Steuersignale S23, S24 können identisch zu dem Ansteuersignal sein oder können durch einen Treiber (nicht dargestellt) derart basierend auf dem Ansteuersignal S2 erzeugt werden, dass die Steuersignale S23, S24 die Schalter 23, 24 einschalten, wenn das Ansteuersignal S2 einen Ein-Pegel hat, und die Schalter 23, 24 ausschalten, wenn das Ansteuersignal S2 einen Aus-Pegel hat. Während einer Periode hat die Eingangsspannung V_IN eine positive Halbwelle, was dann der Fall ist, wenn die Eingangsspannung V_IN positiv ist, und eine negative Halbwelle, was dann der Fall ist, wenn die Eingangsspannung V_IN negativ ist. Unabhängig von der Polarität der Eingangsspannung V_IN ist das durch den elektronischen Schalter 2 erhaltene Ansteuersignal S2 ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal. Beispiele, wie dieses PWM-Ansteuersignal S2 erzeugt werden kann, sind unten erläutert.
Bei dem in 7 veranschaulichten Betriebsverfahren wird eines von den ersten und zweiten Freilaufelementen 51, 52 in einem PWM-Betrieb betrieben, das heißt, erhält ein PWM-Ansteuersignal S51, S52, während das andere von dem ersten Freilauf- und dem zweiten Freilaufelement 51, 52 im Aus-Zustand ist. Genauer, während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN ist das erste Freilaufelement S51 im PWM-Betrieb und das zweite Freilaufelement 52 ist im Aus-Zustand, und während der negativen Halbwelle ist das erste Freilaufelement 51 im Aus-Zustand und das zweite Freilaufelement 52 ist im PWM-Betrieb.
Ein Beispiel einer Steuerschaltung 6, die dazu ausgebildet ist, das Ansteuersignal S2 des elektronischen Schalters 2 und die Ansteuersignale S51, S52 des ersten Freilaufelements 51 und des zweiten Freilaufelements 52 gemäß dem anhand von 7 veranschaulichten Verfahren zu erzeugen, ist in 8 gezeigt. Bei diesem Beispiel umfasst die Steuerschaltung 6 einen Controller 62, der dazu ausgebildet ist, das durch den elektronischen Schalter 2 erhaltene PWM-Ansteuersignal S2 basierend auf einem Fehlersignal S_ERR zu erzeugen. Das Fehlersignal S_ERR repräsentiert eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung V_OUT und einen gewünschten Wert (Sollwert) der Ausgangsspannung V_OUT. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel erzeugt ein Subtrahierer 61 das Fehlersignal S_ERR basierend auf einem Referenzsignal S_REF und einem Ausgangsspannungssignal S_VOUT. Das Referenzsignal S_REF repräsentiert den gewünschten Wert der Ausgangsspannung V_OUT, und das Ausgangsspannungssignal S_VOUT repräsentiert einen momentanen Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT. Das Ausgangsspannungssignal S_VOUT kann basierend auf der Ausgangsspannung V_OUT unter Verwendung einer herkömmlichen Spannungsmessschaltung erzeugt werden. Solche Spannungsmessschaltungen sind allgemein bekannt, so dass diesbezüglich keine weiteren Erläuterungen notwendig sind. Der Controller 62 ist ein PWM-Controller und dazu ausgebildet, einen Duty-Cycle des PWM-Ansteuersignals S2 basierend auf dem Fehlersignal S_ERR zu erzeugen, um die Ausgangsspannung V_OUT so zu regeln, dass der Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT gleich dem durch das Referenzsignal S_REF repräsentierten Spannungspegel ist. Der Controller 62 kann einen von einem I-(Integral)-Controller einem P-(Proportional)-Controller, einem PI-Controller, oder ähnliches umfassen. Solche Arten von PWM-Controllern sind allgemein bekannt, so dass diesbezüglich keine weiteren Erläuterungen notwendig sind.
Bezugnehmend auf 8 umfasst die Steuerschaltung 6 außerdem einen Schwellendetektor 63, der dazu ausgebildet ist, zu detektieren, ob die Eingangsspannung V_IN höher oder niedriger als Null ist, und ein Schwellendetektorsignal S63 auszugeben, das das Detektionsergebnis repräsentiert. Gemäß einem Beispiel hat das Schwellendetektorsignal S63 einen ersten Signalpegel, wenn die Eingangsspannung V_IN größer ist als Null, das heißt, während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN, und einen zweiten Signalpegel, wenn die Eingangsspannung V_IN niedriger ist als Null, das heißt, während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung V_IN.
Die Ansteuersignale S51, S52 der ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 werden basierend auf dem Schwellendetektorsignal S63 und einem invertierten Ansteuersignal S2`, das durch einen Inverter 64 basierend auf dem Ansteuersignal S2 des elektronischen Schalters 2 erzeugt wird, erzeugt. Das Ansteuersignal S51 des ersten Freilaufelements 51 wird durch ein erstes Logikgatter 65 basierend auf dem invertierten Ansteuersignal S2` und dem Schwellendetektorsignal S63 erzeugt, und das Ansteuersignal S52 des zweiten Freilaufelements 52 wird durch ein zweites Logikgatter 66 basierend auf dem invertierten Ansteuersignal S2` und dem Schwellendetektorsignal S63 erzeugt. Lediglich als Beispiel sind diese Logikgatter 65, 66 bei diesem Beispiel UND-Gatter. Durch die in 8 gezeigte Steuerschaltung 6 wird das Ansteuersignal S51 des ersten Freilaufelements 51 so erzeugt, dass es während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN gleich dem invertierten Ansteuersignal S2` ist und während der negativen Halbwelle Null ist. Das Ansteuersignal S52 des zweiten Freilaufelements 52 wird derart erzeugt, dass es während der negativen Halbwelle gleich dem invertierten Ansteuersignal S2` ist und während der positiven Halbwelle Null ist. Das Schwellendetektorsignal S63 wird beispielsweise so erzeugt, dass es während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung VIN einen hohen Signalpegel und während der negativen Halbwelle einen niedrigen Signalpegel hat. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel erhalten die Logikgatter 65, 66 jeweils das invertierte Ansteuersignal S2` an einem nicht-invertierenden Eingang des jeweiligen Logikgatters 65, 66. Das Schwellendetektorsignal S63 wird an einem nicht-invertierenden Eingang des Logikgatters 65 und einem invertierenden Eingang des Logikgatters 66 erhalten. Das heißt, das Schwellendetektorsignal S63 gibt das erste Logikgatter 65 frei, das invertierte Ansteuersignal S2` während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN an den Ausgang des Logikgatters 65 passieren zu lassen, und gibt das zweite Logikgatter 66 frei, das invertierte Ansteuersignal S2` während der negativen Halbwelle an den Ausgang des zweiten Logikgatters 66 passieren zu lassen.
Das Ansteuern des ersten Freilaufelements 51 durch das invertierte Ansteuersignal S2` während der positiven Halbwelle und das Ansteuern des zweiten Freilaufelements 52 durch das invertierte Ansteuersignal S2` während der negativen Halbwelle hat den Effekt, dass im PWM-Betrieb des elektronischen Schalters 2 und des ersten Freilaufelements 51 während der positiven Halbwelle das erste Freilaufelement 51 einschaltet, wenn der elektronische Schalter 2 ausschaltet, und umgekehrt. Entsprechend schaltet im PWM-Betrieb des elektronischen Schalters 2 und des zweiten Freilaufelements 52 während der negativen Halbwelle das zweite Freilaufelement 52 ein, wenn der elektronische Schalter 2 ausschaltet, und umgekehrt.
9 zeigt Zeitdiagramme der Eingangsspannung V_IN, des Ansteuersignals S2 des elektronischen Schalters 2 und des Ansteuersignals S51, S52 der ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 gemäß einem weiteren Betriebsverfahren. Bei diesem Beispiel wird der elektronische Schalter 2 durch das Ansteuersignal S2 während der positiven und der negativen Halbwelle der Eingangsspannung V_IN in derselben Weise, wie anhand von 8 erläutert, im PWM-Betrieb betrieben. Während der positiven und der negativen Halbwelle ist allerdings jeweils eines der ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 permanent im Ein-Zustand und das andere der ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 ist permanent im Aus-Zustand. Genauer, bei dem in 9 gezeigten Beispiel ist während der positiven Halbwelle das erste Freilaufelement 51 im Ein-Zustand und das zweite Freilaufelement 52 ist im Aus-Zustand. Während der negativen Halbwelle ist das erste Freilaufelement 51 im Aus-Zustand und das zweite Freilaufelement 52 ist im Ein-Zustand. Der Ein-Zustand ist der Betriebszustand, in dem der unidirektionale Schalter, der in dem jeweiligen Freilaufelement enthalten ist, eingeschaltet ist, und der Aus-Zustand ist der Betriebszustand, in dem der unidirektionale Schalter ausgeschaltet ist. Dennoch leitet während der positiven Halbwelle das erste Freilaufelement 51 nur dann einen Strom, wenn der elektronische Schalter 2 ausgeschaltet ist. Entsprechend leitet während der negativen Halbwelle das zweite Freilaufelement 52 nur dann einen Strom, wenn der elektronische Schalter 2 ausgeschaltet ist.
10 zeigt ein Beispiel einer Steuerschaltung 6, die dazu ausgebildet ist, die Ansteuersignale S2, S51, S52 gemäß dem anhand von 9 veranschaulichten Verfahren zu erzeugen. Diese Steuerschaltung 6 basiert auf der in 8 gezeigten Steuerschaltung und unterscheidet sich von der in 8 gezeigten Steuerschaltung dadurch, dass das erste Ansteuersignal S51 des ersten Freilaufelements 51 gleich dem Schwellendetektorsignal S63 ist und das Ansteuersignal S52 des zweiten Freilaufelements 52 das invertierte Schwellendetektorsignal S63 ist. Das heißt, das Ansteuersignal S52 des zweiten Freilaufelements 52 wird durch einen Inverter 67 aus dem Schwellendetektorsignal S63 erzeugt.
Wie oben erläutert gelten die zuvor anhand des in 1 veranschaulichten Einphasen-Leistungswandlers erläuterten Prinzipien für einen Mehrphasen-Leistungswandler in entsprechender Weise. Ein Beispiel eines Mehrphasen-Leistungswandlers ist in 11 veranschaulicht. Allgemein umfasst ein Mehrphasen-Leistungswandler n Eingänge, wobei n eine ganze Zahl ist und wobei n>1 (wobei bei dem in 1 gezeigten Einphasen-Leistungswandler n=1 gilt). Außerdem umfasst ein Mehrphasen-Leistungswandler n Eingangszweige, n erste Freilaufelemente und n zweite Freilaufelemente, aber nur einen Ausgang und nur einen ersten Ausgangskondensator und nur einen zweiten Ausgangskondensator. 11 zeigt ein Beispiel eines DreiPhasen-Leistungswandlers, das heißt eines Leistungswandlers mit n=3 Eingängen und n=3 Eingangszweigen, n=3 ersten Freilaufelementen und n=3 zweiten Freilaufelementen. In 11 haben entsprechende Merkmale der n Eingänge, n Eingangszweige und der n ersten Freilaufelemente und n zweiten Freilaufelemente gleiche Bezugszeichen mit unterschiedlichen tiefgestellten Indizes.
Bezugnehmend auf 11 umfasst jeder der Eingänge einen ersten Eingangsknoten 11₁, 11₂, 11₃ und einen zweiten Eingangsknoten 12, wobei dieser zweite Eingangsknoten 12 derselbe für die einzelnen Eingänge ist. Außerdem ist jeder Eingangszweig an einen entsprechenden der Eingänge angeschlossen und umfasst einen elektronischen Schalter 2₁, 2₂, 2₃ und eine Induktivität 3₁, 3₂, 3₃, die in Reihe zu dem elektronischen Schalter 2₁, 2₂, 2₃ geschaltet ist. Jeder dieser Eingangszweige ist zwischen den ersten Eingangsknoten 11₁, 11₂, 11₃ des entsprechenden Eingangs und den zweiten Eingangsknoten 12 geschaltet. Außerdem ist jedes erste Freilaufelement 51₁, 51₂, 51₃ zwischen den zweiten Knoten 32₁, 32₂, 32₃ der Induktivität 3₁, 3₂, 3₃ eines entsprechenden Eingangszweigs und den ersten Ausgangsknoten 13 geschaltet, und jedes zweite Freilaufelement 52₁, 52₂, 52₃ ist zwischen den zweiten Knoten 32₁, 32₂, 32₃ der Induktivität 3₁, 3₂, 3₃ und den zweiten Ausgangsknoten 14 geschaltet. Die elektronischen Schalter 2₁, 2₂, 2₃ können realisiert werden wie anhand des in 1 gezeigten zweiten elektronischen Schalters gezeigt. Außerdem können die ersten und zweiten Freilaufelemente 51₁-51₃, 52₁, 52₃ realisiert werden wie anhand der in 1 gezeigten ersten und zweiten Freilaufelemente 51, 52 erläutert. Außerdem umfasst jede der drei Phasen eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den elektronischen Schalter und die Freilaufelemente der jeweiligen Phase zu steuern. Jede dieser Steuerschaltungen kann gemäß einem der in den 8 und 10 gezeigten Beispiele realisiert werden.
12 zeigt eine Modifikation des in 1 gezeigten Leistungswandlers. Bei diesem Beispiel ist eine erste Überspannungsschutzanordnung 81 zwischen den ersten Eingangsknoten 11 und den ersten Ausgangsknoten 13 geschaltet und eine zweite Überspannungsschutzanordnung 82 ist zwischen den ersten eingangsknoten 12 und den zweiten Ausgangsknoten 14 geschaltet. Gemäß einem Beispiel ist jede dieser Überspannungsschutzanordnungen als Metall-Oxid-Varistor (MOV) realisiert. Diese Überspannungsschutzanordnungen schützen den elektronischen Schalter 2 und sind dazu ausgebildet, durchzubrechen und einen Strom zu leiten bevor eine Spannung über dem elektronischen Schalter einen kritischen Spannungspegel erreicht, der den elektronischen Schalter 2 beschädigen kann.
13 zeigt einen Leistungswandler gemäß einem weiteren Beispiel. Der in 13 gezeigte Leistungswandler ist ein Einphasen-Leistungswandler. Allerdings gelten die anhand des der Figur gezeigten Einphasen-Leistungswandler erläuterten Prinzipien für einen Mehrphasen-Leistungswandler entsprechend. Ein Beispiel eines Mehrphasen-Leistungswandlers, der auf dem in 13 gezeigten Einphasen-Leistungswandler basiert, ist in 17 veranschaulicht und weiter unten erläutert.
Bezugnehmend auf 13 umfasst der Leistungswandler einen Eingang mit einem ersten Eingangsknoten 11 und einem zweiten Eingangsknoten 12 und einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsknoten 13 und einem zweiten Ausgangsknoten 14. Eine Ausgangsspannung V_OUT ist zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsknoten 13, 14 verfügbar. Der Leistungswandler umfasst zwei Eingangszweige: einen ersten Eingangszweig mit einem ersten elektronischen Schalter 21 und einer ersten Induktivität 31 und einen zweiten Eingangszweig mit einem zweiten elektronischen Schalter 22 und einer zweiten Induktivität 32. Jeder dieser Eingangszweige ist an den Eingang gekoppelt, das heißt, jeder dieser Eingangszweige ist zwischen den ersten Eingangsknoten 11 und den zweiten Eingangsknoten 12 geschaltet. Genauer, jeder der ersten und zweiten elektronischen Schalter 21, 22 ist an den ersten Eingangsknoten 11 angeschlossen, und jede der ersten und zweiten Induktivitäten 31, 32 ist an den zweiten Eingangsknoten 12 angeschlossen. Die ersten und zweiten Induktivitäten 31, 32 haben jeweils einen ersten Knoten 311, 321 und einen zweiten Knoten 312, 322. Die ersten Knoten 311, 321 dieser Induktivitäten 31, 32 sind an den zweiten Ausgangsknoten 12 angeschlossen, der zweite Knoten 312 der ersten Induktivität 31 ist an den ersten elektronischen Schalter 21 angeschlossen, und der zweite Knoten 322 der zweiten Induktivität 32 ist an den zweiten elektronischen Schalter 22 angeschlossen.
Bezugnehmend auf 13 umfasst der Leistungswandler außerdem einen ersten Ausgangskondensator 41 und einen zweiten Ausgangskondensator 42. Der erste Ausgangskondensator 41 ist zwischen den ersten Ausgangsknoten 13 und den zweiten Eingangsknoten 12 geschaltet und der zweite Ausgangskondensator 42 ist zwischen den zweiten Ausgangsknoten 14 und den zweiten eingangsknoten 12 geschaltet. Außerdem ist ein erstes Freilaufelement 71 zwischen die erste Induktivität 31 und den zweiten Ausgangsknoten 13 geschaltet und ein zweites Freilaufelement 72 ist zwischen die zweite Induktivität 32 und den zweiten Ausgangsknoten 14 geschaltet. Genauer, bei den in 13 gezeigten Beispiel ist das erste Freilaufelement 71 zwischen den zweiten Knoten 312 der ersten Induktivität 31 und den ersten Ausgangsknoten 13 geschaltet und das zweite Freilaufelement 72 ist zwischen den zweiten Knoten 322 der zweiten Induktivität 32 und den zweiten Ausgangsknoten 14 geschaltet. Das erste Freilaufelement 71 ist dazu ausgebildet, Energie von der ersten Induktivität 31 an den ersten Ausgangskondensator 41 zu übertragen, und das zweite Freilaufelement 72 ist dazu ausgebildet, Energie von der zweiten Induktivität 32 an den zweiten Ausgangskondensator 42 zu übertragen.
Bezugnehmend auf die Erläuterungen weiter unten sind während des Betriebs des Leistungswandlers der erste Ausgangskondensator 41 und der zweite Ausgangskondensator 42 so geladen, dass eine Spannung V41 über dem ersten Ausgangskondensator 41 auf den ersten Ausgangsknoten 13 bezogen ist und eine Spannung V42 über dem zweiten Ausgangskondensator 42 auf den Schaltungsknoten 311, an dem die Ausgangskondensatoren 41, 42 verbunden sind, bezogen ist, so dass die Ausgangsspannung V_OUT gegeben ist durch die Spannung V41 über dem ersten Kondensator 41 plus der Spannung V42 über dem zweiten Kondensator 42, das heißt, V_OUT = V41 + V42.
Die ersten und zweiten Freilaufelemente 71, 72 können passive Freilaufelemente sein. Lediglich zur Veranschaulichung sind diese Freilaufelemente bei den in 13 gezeigten Beispielen als Bipolardioden gezeichnet. Allerdings kann eine beliebige andere Art von passivem Freilaufelement, wie beispielsweise eine Zenerdiode, eine Schottkydiode oder ähnliches ebenso verwendet werden. Außerdem können diese passiven Freilaufelemente 71, 72 durch aktive Freilaufelemente, wie beispielsweise eine beliebige Art von unidirektional sperrendem Schalter ersetzt werden.
Wie der in 1 gezeigte Leistungswandler kann der in 13 gezeigte Leistungswandler die Ausgangsspannung V_OUT basierend auf einer positiven Eingangsspannung oder einer negativen Eingangsspannung erzeugen. Außerdem ist der Leistungswandler dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung V_OUT basierend auf einem PWM-Betrieb der ersten und zweiten elektronischen Schalter 21, 22 zu regeln. Wie der in 1 gezeigte Leistungswandler arbeitet der in 13 gezeigte Leistungswandler abhängig von der Polarität der Eingangsspannung V_IN und abhängig von dem Betriebszustand der elektronischen Schalter 21, 22 (Ein-Zustand oder Aus-Zustand) in vier unterschiedlichen Betriebszuständen. Diese Betriebszustände werden anhand der 14A bis 14D erläutert. Jeder dieser Figuren zeigt das in 13 gezeigte Schaltbild, wobei der Schaltungszweig, der im jeweiligen Betriebszustand einen Strom leitet, in den 14A bis 14D in fetten Linien gezeichnet ist.
14A veranschaulicht den Betrieb des Leistungswandlers im ersten Betriebszustand, welcher dann vorliegt, wenn die Eingangsspannung V_IN positiv ist, der erste elektronische Schalter 21 eingeschaltet ist und der zweite elektronische Schalter 22 ausgeschaltet ist. In diesem Betriebszustand fließt ein Eingangsstrom I21 in den ersten Eingangszweig mit dem ersten elektronischen Schalter 21 und der ersten Induktivität 31. Wenn der erste Schalter 21 am Ende des ersten Betriebszustands I ausschaltet, geht der Leistungswandler in den in 14B veranschaulichten Betriebszustand II über. In diesem Betriebszustand induziert die in der ersten Induktivität 31 während des ersten Betriebszustands I gespeicherte Energie einen Strom, der über das erste Freilaufelement 71 in den ersten Ausgangskondensator 41 fließt, so dass der erste Ausgangskondensator 41 geladen wird. Wenn der erste elektronische Schalter 21 im PWM-Betrieb betrieben wird, so dass er abwechselnd einschaltet und ausschaltet, arbeitet der Leistungswandler abwechselnd in der ersten Phase I und dem zweiten Betriebszustand II. Der zweite elektronische Schalter ist in den ersten und zweiten Betriebszuständen I, II dauerhaft ausgeschaltet.
Wenn die Eingangsspannung V_IN negativ ist, wird der erste elektronische Schalter 21 dauerhaft ausgeschaltet und der zweite elektronische Schalter 22 wird im PWM-Betrieb betrieben, das heißt, der zweite elektronische Schalter 22 wird abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet. Der Leistungswandler ist in einem dritten Betriebszustand III, wenn der zweite elektronische Schalter 22 eingeschaltet ist. Dieser Betriebszustand ist in 14C veranschaulicht. In diesem Betriebszustand fließt ein Eingangsstrom I22 in dem zweiten Eingangszweig mit dem zweiten elektronischen Schalter 22 und der zweiten Induktivität 32. Wenn der zweite elektronische Schalter 22 ausschaltet, geht der Leistungswandler in einen vierten Betriebszustand IV über, der in 14D veranschaulicht ist. In diesem Betriebszustand bewirkt die zuvor in der zweiten Induktivität 32 gespeicherte Energie dass ein Freilaufstrom über das zweite Gleichrichterelement 72 in den zweiten Ausgangskondensator 42 fließt.
Der Leistungswandler kann eine sinusförmige Eingangsspannung erhalten. 15 veranschaulicht schematisch ein Zeitdiagramm einer sinusförmigen Eingangsspannung V_IN während einer Periode. Außerdem zeigt 15 Zeitdiagramme eines ersten Ansteuersignals S21, das durch den ersten elektronischen Schalter 21 erhalten wird, und eines zweiten Ansteuersignals S22, das durch den zweiten elektronischen Schalter 22 erhalten wird. Bei dem in 15 gezeigten Beispiel betreibt das erste Ansteuersignal S21 den ersten elektronischen Schalter 21 während der positiven Halbwelle der Eingangsspannung V_IN in einem PWM-Betrieb, während das zweite Ansteuersignal S22 den zweiten elektronischen Schalter 22 dauerhaft ausschaltet. Während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung V_IN schaltet das erste Ansteuersignal S21 den ersten elektronischen Schalter 21 dauerhaft aus und das zweite Ansteuersignal S22 betreibt den zweiten elektronischen Schalter 22 im PWM-Betrieb.
Ein Beispiel einer Steuerschaltung 6, die dazu ausgebildet ist, die ersten und zweiten Ansteuersignale S21, S22 gemäß dem in 15 veranschaulichten Verfahren zu erzeugen, ist in 16 gezeigt. Diese Steuerschaltung 6 basiert auf der in 8 gezeigten Steuerschaltung und unterscheidet sich von der in 8 gezeigten Steuerschaltung dadurch, dass die ersten und zweiten Logikgatter 65, 66 das Controller-Ausgangssignal S62 erhalten und dass das Ausgangssignal des ersten Logikgatters 65 das erste Ansteuersignal S21 bildet und das Ausgangssignal des zweiten Logikgatters 66 das zweite Ansteuersignal S22 bildet. Wie die anhand von 8 erläuterte Steuerschaltung ist die in 16 gezeigte Steuerschaltung dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung V_OUT so zu regeln, dass ein Spannungspegel der Ausgangsspannung im Wesentlichen gleich einem durch das Referenzsignal S_REF repräsentierten Spannungspegel ist.
17 zeigt einen Mehrphasen-Leistungswandler, der auf dem in 13 gezeigten Einphasen-Leistungswandler basiert. Dieser Mehrphasenwandler umfasst n Eingänge, n erste Eingangszweige, n zweite Eingangszweige, n erste Freilaufelemente und n zweite Freilaufelemente, wobei n eine ganze Zahl ist und n> 1 (wobei bei dem in 13 gezeigten Beispiel, n=1). Der Wandler umfasst allerdings nur einen Ausgang 13, 14, nur einen ersten Ausgangskondensator 41 und nur einen zweiten Ausgangskondensator 42. Lediglich zur Veranschaulichung zeigt 17 einen Drei-Phasen-Leistungswandler (das heißt, n=3). Bezugnehmend auf 17 umfasst jeder der Eingänge einen ersten Eingangsknoten 11₁, 11₂, 11₃ und einen zweiten Eingangsknoten 12, wobei der zweite Eingangsknoten 12 derselbe für die n-Eingänge ist. Außerdem umfasst jeder erste Eingangszweig einen ersten elektronischen Schalter 21₁, 21₂, 21₃ und eine erste Induktivität 31₁, 31₂, 31₃ und ist an einen jeweiligen der Eingänge angeschlossen. Jeder zweite Eingangszweig umfasst einen zweiten elektronischen Schalter 22₁, 22₂, 22₃ und eine zweite Induktivität 32₁, 32₂, 32₃ und ist an einen jeweiligen der Eingänge angeschlossen. Jedes erste Freilaufelement 71₁, 71₂, 71₃ ist zwischen die Induktivität 31₁, 31₂, 31₃ eines jeweiligen der ersten Eingangszweige und den ersten Ausgangsknoten 13 geschaltet. Außerdem ist jedes der zweiten Freilaufelemente 72₁, 72₂, 72₃ zwischen die Induktivität 32₁, 32₂, 32₃ eines jeweiligen der zweiten Eingangszweige und den zweiten Ausgangsknoten 14 geschaltet. Der erste Ausgangkondensator 41 ist zwischen den ersten Ausgangsknoten 13 und den zweiten Eingangsknoten 12 geschaltet und der zweite Ausgangskondensator 42 ist zwischen den zweiten Ausgangsknoten 14 und den zweiten Eingangsknoten 12 geschaltet. Die Ausgangsspannung V_OUT ist über der Reihenschaltung mit den ersten und zweiten Ausgangskondensatoren 41, 42 verfügbar.
Jeder der zuvor erläuterten Leistungswandler hat ein Tiefsetz-Hochsetz-Verhalten. Das heißt, diese Leistungswandler sind dazu ausgebildet, einen vordefinierten Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT basierend auf einer Eingangsspannung zu erzeugen, die positiv oder negativ ist und einen Absolutwert hat, der höher oder niedriger als der gewünschte Spannungspegel der Ausgangsspannung V_OUT ist.

Claims

Leistungswandler, der aufweist: n Eingänge (11, 12), wobei n eine ganze Zahl ist und wobei n≥1; einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsknoten (13) und einem zweiten Ausgangsknoten (14); n Eingangszweige, die jeweils an einen zugehörigen der n Eingänge (11, 12) angeschlossen sind, wobei jeder der n Eingangszweige einen elektronischen Schalter (2) und eine Induktivität (3) mit einem ersten Schaltungsknoten (301) und einem zweiten Schaltungsknoten (302) aufweist; einen ersten Ausgangskondensator (41), der zwischen den ersten Ausgangsknoten (13) und den ersten Schaltungsknoten (301) jeder der n Induktivitäten (3) geschaltet ist; einen zweiten Ausgangskondensator (42), der zwischen den zweiten Ausgangsknoten (14) und den ersten Schaltungsknoten jeder der n Induktivitäten (3) geschaltet ist; n Freilaufelemente (51), die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einer zugehörigen der n Induktivitäten (3) an den ersten Ausgangskondensator (41) zu übertragen; n zweite Freilaufelemente (52), die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einer zugehörigen der n Induktivitäten an den zweiten Ausgangskondensator (42) zu übertragen; und n Steuerschaltungen (6), die jeweils dazu ausgebildet sind, den elektronischen Schalter eines zugehörigen der n Eingangszweige pulsweitenmoduliert (PWM) basierend auf einem Fehlersignal (S_ERR) anzusteuern, das abhängig ist von einer Ausgangsspannung (V_OUT) am Ausgang und einem Referenzsignal (S_REF).
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei n=1.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei n=3.
Leistungswandler nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem der elektronische Schalter (2) einen bidirektional sperrenden elektronischen Schalter aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 4, bei dem der bidirektional sperrende elektronische Schalter (2) eine Reihenschaltung mit zwei Schaltelementen (23, 24) aufweist, wobei die zwei Schaltelemente jeweils ausgewählt sind aus einer Gruppe, die besteht aus: einem MOSFET; einem GIT; und einem IGBT.
Leistungswandler nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei dem wenigstens eines der n ersten Freilaufelemente (51) einen bidirektional sperrenden elektronischen Schalter aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 6, bei dem der wenigstens eine der n ersten Freilaufelemente (51) eine Reihenschaltung mit einem unidirektional sperrenden elektronischen Schalter (13) und einem Gleichrichterelement (514) aufweist.
Leistungswandler nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, bei dem wenigstens eines der n zweiten Freilaufelemente (52) einen bidirektional sperrenden elektronischen Schalter aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 8, bei dem das wenigstens eine der n zweiten Freilaufelemente eine Reihenschaltung mit einem unidirektional sperrenden elektronischen Schalter (523) und einem Gleichrichterelement (524) aufweist.
Leistungswandler nach einem der vorangehenden Ansprüche , bei dem jede der n Steuerschaltungen weiterhin dazu ausgebildet ist, ein zugehöriges der n ersten Freilaufelemente (51) und ein zugehöriges der n zweiten Freilaufelemente (52) wenigstens basierend auf einer Polarität der Eingangsspannung (V_IN) anzusteuern.
Leistungswandler, der aufweist: n Eingänge (11, 12), wobei n eine ganze Zahl ist und wobei n>1; einen Ausgang mit einem ersten Ausgangsknoten (13) und einem zweiten Ausgangsknoten (14); n erste Eingangszweige, die jeweils an einen zugehörigen der n Eingänge (11, 12) angeschlossen sind, wobei die n ersten Eingangszweige jeweils einen ersten elektronischen Schalter (21) und eine erste Induktivität (31) mit einem ersten Schaltungsknoten (311) und einem zweiten Schaltungsknoten (312) aufweisen; einen ersten Ausgangskondensator (41), der zwischen den ersten Ausgangsknoten (13) und den ersten Schaltungsknoten (311) jeder n ersten Induktivitäten (31) geschaltet ist; n erste Freilaufelemente (71), die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einer zugehörigen der n ersten Induktivitäten (31) an den ersten Ausgangskondensator (41) zu übertragen; n zweite Eingangszweige, die jeweils an einen zugehörigen der n Eingänge (11, 12) angeschlossen sind, wobei die n zweiten Eingangszweige jeweils einen zweiten elektronischen Schalter (22) und eine zweite Induktivität (32) mit einem ersten Schaltungsknoten (321) und einem zweiten Schaltungsknoten (322) aufweisen; einen zweiten Ausgangskondensator (42), der zwischen den zweiten Ausgangsknoten (14) und den ersten Schaltungsknoten (321) jeder der n zweiten Induktivitäten geschaltet ist; und n zweite Freilaufelemente (72) die jeweils dazu ausgebildet sind, Energie von einer zugehörigen der n zweiten Induktivitäten (32) an den zweiten Ausgangskondensator (42) zu übertragen.
Leistungswandler nach Anspruch 11, bei dem n=1.
Leistungswandler nach Anspruch 11, bei dem n=3.
Leistungswandler nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der erste elektronische Schalter (21) einen bidirektional sperrenden elektronischen Schalter aufweist.
Leistungswandler nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 14, bei dem der zweite elektronische Schalter (22) einen bidirektional sperrenden elektronischen Schalter aufweist.
Leistungswandler nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 15, bei dem wenigstens eines der n ersten Freilaufelemente (71) ein passives Gleichrichterelement aufweist.
Leistungswandler nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 16, bei dem wenigstens eines der n zweiten Freilaufelemente (72) ein passives Gleichrichterelement aufweist.
Leistungswandler nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 17, der weiterhin aufweist: n Steuerschaltungen, die jeweils dazu ausgebildet sind, den ersten elektronischen Schalter (21) eines zugehörigen der n ersten Eingangszweige und den zweiten elektronischen Schalter (22) eines zugehörigen der n zweiten Eingangszweige anzusteuern.
Leistungswandler nach Anspruch 18, bei dem jeder der n Steuerschaltungen dazu ausgebildet ist, den ersten elektronischen Schalter (21) und den zweiten elektronischen Schalter abhängig von der Polarität der Eingangsspannung (V_IN) pulsweitenmoduliert oder in einem Aus-Zustand anzusteuern.
Leistungswandler nach Anspruch 15, bei dem die n Steuerschaltungen jeweils dazu ausgebildet sind, den ersten elektronischen Schalter (21) pulsweitenmoduliert und den zweiten elektronischen Schalter (22) im Aus-Zustand zu betreiben, wenn die Eingangsspannung (V_IN) eine erste Polarität hat, und den ersten elektronischen Schalter (21) im Aus-Zustand und den zweiten elektronischen Zustand (22) pulsweitenmoduliert zu betreiben, wenn die Eingangsspannung (V_IN) eine zu ersten Polarität entgegengesetzte zweite Polarität hat.
Leistungswandler nach einem beliebigen der Ansprüche 16 bis 20, bei dem das pulsweitenmodulierte Betreiben des ersten elektronischen Schalters (21) oder des zweiten elektronischen Schalters (22) das pulsweitenmodulierte Betreiben des ersten elektronischen Schalter (21) oder des zweiten elektronischen Schalters basierend auf einem Fehlersignal (S_ERR) aufweist, das abhängig ist von einer Ausgangsspannung (V_OUT) an dem Ausgang (13, 14) und einem Referenzsignal (S_REF).