DE102017127891A1

DE102017127891A1 - Gleichspannungswandler und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102017127891A1
Application number: DE102017127891.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Wiebe
Original assignee: Bag Electronics GmbH
Current assignee: OPTOTRONIC GMBH, DE
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler zur Speisung einer Last, insbesondere einer LED-Last, umfassend einen Eingang zum Anschluss an eine Eingangsspannung, einen Ausgang zum Anschluss an die Last, zumindest zwei in Reihe angeordnete Halbleiterschalter sowie eine an einem Mittenabgriff angeschlossene Drosseleinrichtung, die in Reihe zum Ausgang verschaltet ist, eine Steuereinrichtung mit zumindest einem Steuereingang (IFB), der mit dem Ausgang einer Erfassungsschaltung zur Erfassung eines vom mittleren Laststroms abhängigen Signals verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung einen Steuerausgang zur Steuerung des Schaltzustandes eines ersten der beiden Halbleiterschalter und einen Steuerausgang zur Steuerung des Schaltzustandes eines zweiten der beiden Halbleiterschalter aufweist und die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die beiden Halbleiterschalter in Abhängigkeit des an dem zumindest einen Steuereingang (IFB) anliegenden Eingangssignals zyklisch zu schalten. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuerausgang zur Steuerung des Schaltzustandes von einem der beiden Halbleiterschalter über eine Zusatzschaltung zum Verändern des am Steuereingang (IFB) anliegenden Signals auf diesen Steuereingang (IFB) aufgeschaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Gleichspannungswandlers.

Description

Die Erfindung betrifft einen schaltenden Gleichspannungswandler zur Speisung einer Last, insbesondere einer LED-Last, umfassend einen Eingang zum Anschluss an eine Eingangsspannung, einen Ausgang zum Anschluss an die Last, zumindest zwei in Reihe angeordnete Halbleiterschalter sowie eine an einen zwischen den in Reihe geschalteten Halbleiterschalter angeordneten Mittenabgriff angeschlossene Drosseleinrichtung, die in Reihe zum Ausgang verschaltet ist, eine Steuereinrichtung mit zumindest einem Steuereingang, der mit dem Ausgang einer Erfassungsschaltung zur Erfassung eines vom mittleren Laststrom abhängigen Signals verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung einen Steuerausgang zur Steuerung des Schaltzustandes eines ersten der beiden Halbleiterschalter und einen Steuerausgang zur Steuerung des Schaltzustands eines zweiten der beiden Halbleiterschalter aufweist und die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die beiden Halbleiterschalter in Abhängigkeit des an dem zumindest einen Steuereingang anliegenden Eingangssignals zyklisch zu schalten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Gleichspannungswandlers.
Derartige Gleichspannungswandler werden insbesondere zum Betrieb von mit Gleichspannung zu speisenden Lasten eingesetzt, wobei die Speisung spezifisch an die jeweilige Last anpassbar ist. Je nach Schaltzustand der Halbleiterschalter erfolgt die Speisung der Last direkt durch die Eingangsspannung oder über die als Energiespeicher eingesetzte Drossel in einer Phase, in welcher der Eingang vom Ausgang des Gleichspannungswandlers getrennt ist. Die Steuerung der beiden Halbleiterschalter erfolgt auf der Grundlage eines vom mittleren Laststrom abhängigen Signals, das auf den zumindest einen Steuereingang der Steuereinrichtung geschaltet ist und durch die Steuereinrichtung mit einem vorgegebenen Schwellwert, der beispielsweise durch einen vorgegebenen Dimmwert sein kann, verglichen wird. In solchen Fällen, in welchen das am Steuereingang anliegende Signal höher als der vorgegebene Schwellenwert liegt, erfolgt eine Abschaltung, d.h. Offenschaltung des einen und eine Durchschaltung des anderen Halbleiterschalters. Ist das Eingangssignal am Steuereingang niedriger als der interne Schwellenwert, wird der im ersten Fall durchgeschaltete Halbleiterschalter abgeschaltet und der andere Halbleiterschalter durchgeschaltet. Mit dem beschriebenen Betrieb des Gleichspannungswandlers kann die am Ausgang angeschlossene Last mit einem vorgegebenen mittleren Strom betrieben werden. Solche schaltende Gleichspannungswandler sind insbesondere für den Betrieb von LED-Einrichtungen vorteilhaft einsetzbar, da sie flexibel an die angeschlossene Last, beispielsweise in Bezug auf die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom anpassbar sind und darüber hinaus auch die Möglichkeit der Dimmung einer angeschlossenen LED-Last bereitstellen.
Grundsätzlich ist der Betrieb von schaltenden Gleichspannungswandlern mit weit weniger Verlusten verbunden, wie der Betrieb von nichtschaltenden Gleichspannungswandlern. Andererseits weisen herkömmliche schaltende Gleichspannungswandler zumindest in vielen Betriebssituationen eine Verlustleistung beim Umschalten der Transistoren im Gegentakt auf, da nicht über den gesamten Betriebsbereich von Ausgangsstrom bzw. Laststrom und/oder Ausgangsspannung bzw. Lastspannung sichergestellt werden kann, dass die Umschaltung zu Zeitpunkten durchgeführt wird, bei welchen am Mittenabgriff zwischen beiden Schaltern ein solches Spannungspotential vorliegt, dass die Umschaltung des jeweiligen Transistors im wesentlichen spannungsfrei erfolgt, was auf dem Gebiet als „Zero Voltage Switching“ bezeichnet wird. Auf dem Gebiet bekannt sind hierzu Steuerungsschaltungen, welche eingerichtet sind, Momentanwerte von Spannung und/oder Strom innerhalb des Gleichspannungswandlers, insbesondere am Mittenabgriff zu erfassen, um über den gesamten Betriebsbereich der Schaltung ein „Zero Voltage Switching“ bereitzustellen. Da die Halbleiterschalter üblicherweise mit hoher Frequenz im Bereich von mehreren 10 bis mehreren 100 KHz betrieben werden, muss für die Erfassung dieser Momentanwerte ein erheblicher Aufwand betrieben werden, der mit einen erhöhten Kostenaufwand zur Herstellung eines solchen Gleichspannungswandlers einhergeht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen herkömmlichen schaltenden Gleichspannungswandler in Bezug auf seine Verlustleistung zu verbessern, sodass zumindest über den überwiegenden Betriebsparameterbereich von Ausgangsstrom, d.h. Laststrom und/oder Ausgangsspannung, d.h. Lastspannung für die im Gegentakt betriebenen Halbleiterschalter ein „Zero Voltage Switching“ bereitgestellt werden kann, ohne dass beim Aufbau der Schaltung ein erhöhter Aufwand betrieben werden muss.
Vorrichtungsseitig wird diese Aufgabe gelöst durch einen erfindungsgemäß gestalteten schaltenden Gleichspannungswandler mit den Merkmalen von Anspruch 1. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuerausgang zur Steuerung des Schaltzustandes von einem der beiden Halbleiterschalter über eine Zusatzschaltung zum Verändern des am Steuereingang anliegenden Signals auf diesen Steuereingang aufgeschaltet ist, sodass ein Zusatzsignal auf dem Steuereingang der Steuereinrichtung aufgeschaltet werden kann. Diese Zusatzschaltung kann als Signalpfad zwischen dem Steuerausgang zur Steuerung des Schaltzustandes des einen der beiden Halbleiterschalter auf den Steuereingang der Steuereinrichtung angesehen werden.
Vorzugsweise kann dieser Signalpfad eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen aufweisen und ausgebildet sein, in bestimmten Betriebssituationen, insbesondere bei einer Änderung des Steuerausgangs des einen der beiden Halbleiterschalter ein Zusatzsignal an dem Steuereingang der Steuereinrichtung zu erzeugen zum Verändern, insbesondere zum Verlängern der Einschaltzeiten zumindest eines, insbesondere der beiden Halbleiterschalter, um sicherzustellen, dass die im Gegentakt betriebenen Halbleiterschalter zur Vermeidung von Schaltverlusten zu solchen Zeitpunkten durchgeschaltet werden, bei welchen zwischen den beiden Schaltkontakten des jeweiligen Schalters nur eine vernachlässigbare Spannung entsprechend einer Spannung von etwa Null Volt anliegt, sodass die Halbleiterschalter im Wesentlichen spannungslos geschaltet werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine Spannung von etwa +/-1 Volt auch noch durch die Angabe „im wesentlichen Null Volt“ bzw. „etwa Null Volt“ umfasst ist und demnach als spannungsfrei angesehen werden kann.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann ausgebildet sein, unterbrechungsfrei über den gesamten Schaltzyklus der Halbleiterschalter eine vorgegebene Ausgangsspannung und/oder einen vorgegebenen Ausgangsstrom bereitzustellen.
Die Erfassungsschaltung zur Erfassung eines vom mittleren Laststrom abhängigen Signals kann beispielsweise durch einen einfachen Widerstand bereitgestellt sein, der in Reihe zur Last angeordnet ist und somit zur Erfassung des Laststromes dienen kann. Die an dem Messwiderstand abfallende Spannung kann beispielsweise über ein RC-Glied gemittelt und das so gemittelte Signal dann als Eingangssignal für die Steuereinrichtung bereitgestellt werden. Eine solche Gestaltung der Erfassungsschaltung ist jedoch nur beispielhaft, grundsätzlich sind auch andere einem Fachmann wohlbekannte Schaltungen zur Erfassung eines gemittelten Laststromes bei einem schaltenden Gleichspannungswandler bekannt, sodass darauf nicht weiter eingegangen werden muss.
Der erfindungsgemäße schaltende Gleichspannungswandler eignet sich insbesondere zur Bereitstellung eines Abwärtswandlers, bei dem eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umgewandelt wird, wobei der Ausgangsstrom höher als dessen mittlerer Eingangsstrom ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Anmeldung die Angabe „steuerbare Spannungsquelle“ allgemein zu verstehen ist und auch eine Spannungsquelle umfassen kann, die einstellbar ist. In dieser Lesart kann eine steuerbare Spannung auch eine einstellbare Spannung sein.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sowie erfindungsgemäße Merkmale sind in der nachfolgenden allgemeinen Beschreibung, den Figuren, der Figurenbeschreibung sowie den weiteren Ansprüchen angegeben.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, innerhalb der Zusatzschaltung bzw. dem Signalpfad eine steuerbare Stromquelle und/oder Spannungsquelle aufzuschalten, wobei der Ausgang der Strom- bzw. Spannungsquelle in Abhängigkeit eines mittleren Last- bzw. Ausgangsstroms und/oder einer mittleren Ausgangs- bzw. Lastspannung des Gleichspannungswandlers steuerbar bzw. einstellbar ist. Allgemein kann die Zusatzschaltung einen Einspeisepunkt aufweisen, an welchem ein steuerbares Signal aufschaltbar ist, dass vom mittleren Ausgangsstrom bzw. Laststrom und/oder von der mittleren Ausgangsspannung bzw. Lastspannung abhängt. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, dass die Veränderung der Einschaltzeiten der beiden Halbleiterschalter abhängig von dem Betriebsparameter Ausgangsstrom bzw. Laststrom und/oder Ausgangsspannung/Lastspannung durchgeführt wird, sodass auch bei einer Änderung der Last, beispielsweise durch Anschluss einer anderen Last oder im Falle einer LED-Last durch Einstellung eines Dimmgrades und damit eines anderen Laststromes, die Verlängerung der jeweiligen Einschaltzeiten der beiden Halbleiterschalter sostellbar bzw. steuerbar ist, dass im Betrieb unabhängig von den eingestellten Betriebsparametern ein im Wesentlichen spannungsloses Schalten der beiden Halbleiterschalter erfolgen kann. Es sei bemerkt, dass in der vorliegenden Anmeldung die Begriffe Ausgangsspannung und Lastspannung des Gleichspannungswandlers synonym verwendet werden. Gleiches gilt für die Begriffe Ausgangsstrom und Laststrom.
Zweckmäßigerweise kann der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler eine parallel zum Ausgang angeordnete Kondensatoreinrichtung aufweisen, um eventuelle Wechselstromanteile des durch die Drosseleinrichtung fließenden Stromes zu führen, während Gleichstromanteile im Wesentlichen über die Last, beispielsweise eine LED-Reihenschaltung fließen können. Auch in dieser Ausführungsform kann eine wie obenstehend beschrieben ausgebildete Erfassungsschaltung zur Erfassung eines vom mittleren Laststrom abhängigen Signals ausgebildet sein, wobei dieses Signal an dem Steuereingang der Steuereinrichtung aufgeschaltet ist, da ein dem Messwiderstand nachgeschalteter Mittelwertbilder, beispielsweise in Form eines RC-Gliedes über die Kondensatoreinrichtung fließende Wechselstromanteile herausfiltert.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der erste der beiden Halbleiterschalter als High-Schalter mit seinem ersten Schaltkontakt an eine Ausgangsspannung, die auch als Bus-Spannung bezeichnet wird, angeschlossen wird und der zweite der beiden Halbleiterschalter als Low-Schalter mit einem seiner beiden Schaltkontakte an ein Bezugspotential wie Masse angeschlossen sind, wobei der Steuerausgang zur Steuerung des Schaltzustandes des Low-Halbleiterschalters über die beschriebene Zusatzschaltung bzw. den Signalpfad mit dem Steuereingang der Steuereinrichtung verbunden ist. Diese Ausführungsform der Erfindung vereinfacht den notwendigen Schaltungsaufbau.
Die angegebene Zusatzschaltung zwischen dem Steuerausgang für den einen Halbleiterschalter und dem Steuereingang der Steuereinrichtung kann zweckmäßigerweise ein RC-Glied aufweisen mit einer steuerbaren Spannungsquelle, wobei die Ausgangsspannung dieser Spannungsquelle in Abhängigkeit einer vorgegebenen Funktion zumindest des mittleren Laststromes und/oder der mittleren Lastspannung steuerbar ist, sodass die durch die Zusatzschaltung erzeugte Verlängerung der Durchlasszeiten zumindest eines bzw. beider Halbleiterschalter flexibel auf den jeweiligen Betrieb eingestellt werden kann, um im Wesentlichen über die gesamten Betriebsintervalle von Laststrom und/oder Lastspannung ein im Wesentlichen spannungsloses Schalten der beiden Halbleiterschalter bereitzustellen. Die Zusatzschaltung kann in dieser Ausführungsform neben dem RC-Glied und der steuerbaren Spannungsquelle weitere elektronische Bauelemente aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Spannungsquelle an einen Mittenpunkt des RC-Gliedes angeschlossen ist, beispielsweise derart, dass in der Zusatzschaltung eine Widerstandseinrichtung und eine Kondensatoreinrichtung in Reihe geschaltet sind, wobei die Spannungsquelle die steuerbare Spannung auf einen elektrisch zwischen Widerstandseinrichtung und Kondensatoreinrichtung angeordneten Mittenpunkt aufschaltet. Zweckmäßigerweise kann die Aufschaltung der steuerbaren Spannung auf den Mittenpunkt, der als Einspeisepunkt ausgebildet ist, über eine Diodeneinrichtung erfolgen. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass eine Anode der Diodeneinrichtung mit dem RC-Glied, insbesondere dem beschriebenen Mittenpunkt des RC-Gliedes oder einem anderen Einspeisepunkt innerhalb der Zusatzschaltung und die Kathode mit der Spannungsquelle direkt verbunden sind. In einer anderen Ausführungsform kann jedoch auch vorgesehen sein, die Durchlassrichtung der Diodeneinrichtung umzukehren, d.h. die Kathode der Diodeneinrichtung ist in diesem Fall mit der Spannungsquelle verbunden und die Anode mit dem RC-Glied, insbesondere mit dem beschriebenen Mittenpunkt des RC-Gliedes.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass in solchen Fällen, in welchen die Zusatzschaltung ein RC-Glied aufweist, eine entsprechende Widerstandseinrichtung zwischen Mittenpunkt bzw. Einspeisepunkt und Steuerausgang für den einen Halbleiterschalter und eine Kondensatoreinrichtung des RC-Gliedes zwischen Mittenpunkt bzw. Einspeisepunkt und dem Steuereingang der Steuereinrichtung elektrisch geschaltet ist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Steuereingang der Steuereinrichtung über einen Kondensator am Bezugspotential angeschlossen ist, sodass ein über die Zusatzschaltung aufgeschaltetes Signal eine Veränderung des Potentials an der Kondensatoreinrichtung verursachen und damit die beschriebene Einschaltzeiten der beiden Halbleiterschalter verändert werden können. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Auswirkung des aufgeschalteten Signals auf die mit dem Steuereingang der Steuereinrichtung verbundenen Kondensatoreinrichtung vom gesteuerten Spannungswert der aufgeschalteten, steuerbaren Spannungsquelle abhängt, sodass durch Steuern dieses Spannungswertes in Abhängigkeit von Laststrom und/oder Lastspannung die Einschaltzeiten der Halbleiterschalter so eingestellt werden können, dass im Wesentlichen in allen Betriebssituationen die Halbleiterschalter spannungsfrei schaltbar sind.
Die Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers kann zur Regelung des mittleren Laststroms auf einen vorgegebenen Sollwert ausgebildet sein, beispielsweise um eine LED-Last mit vorgegebenem Dimmgrad zu regeln. Vorzugsweise kann die Steuereinrichtung einen Speicher aufweisen sowie einen weiteren Steuereingang, über welchen der Sollwert vorgegeben und im Speicher abgelegt werden kann. Ein solcher weiterer Steuereingang kann auch als Steuerbusanschluss ausgebildet sein zum Empfang von digitalen Steuerdaten, z.B. von einer zentralen Steuereinrichtung.
Dabei kann die Steuereinrichtung diesen vorgegebenen Sollwert als Schwellwert für das Signal am ersten der genannten Steuereingänge verarbeiten, derartig, dass beim Überschreiten des Schwellwertes durch das Signal am Steuereingang der High-Halbleiterschalter ausgeschaltet und der Low-Halbleiterschalter durchgeschaltet wird und beim Unterschreiten des intern abgelegten Schwellenwertes durch das am Steuereingang anliegende Signal der Low-Halbleiterschalter abgeschaltet und der High-Halbleiterschalter durchgeschaltet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers intern zur Bereitstellung einer stabilen Regelung für das Schalten der beiden Halbleiterschalter den Sollwert zur Ermittlung von zwei benachbarten Schwellwerten verarbeiten kann, um beispielsweise den Low-Halbleiterschalter ein- bzw. auszuschalten, um auf diese Weise ein instabiles Hin- und Herschalten zu vermeiden.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann zur Umsetzung von unterschiedlichen Treiberverfahren eingesetzt werden. Dies betrifft zum einen den nichtlückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode: CCM), bei welchem der Drosselstrom während des gesamten Zyklus nicht auf Null fällt, da der High-Halbleiterschalter erneut durchgeschaltet wird, eher die in der Drossel gespeicherte magnetische Energie vollständig abgebaut ist; ein lückender Betrieb (Discontinuous Conduction Mode: DCM), bei dem der Drosselstrom regelmäßig während jedem Zyklus innerhalb einer vorgegebenen Zyklusphase auf Null absinkt sowie der sogenannte Forced Continuous Conduction Mode: FCCM, bei welchem die beiden Halbleiterschalter so angesteuert werden, dass vor dem Umschalten der jeweiligen Transistoren eventuell vorliegende Streukapazitäten eines Halbleiterschalters wie eine Drain-Source-Kapazität eines MOSFETs bzw. eine Kapazität eines parallel zu diesem Schalter geschalteten Kondensators umgepolt ist, um ein spannungsloses Umschalten des jeweiligen Halbleiterschalters sicherzustellen.
Da die Drain-Source-Kapazität von MOSFETs herstellungsbedingt einer großen Streuung unterliegen, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, parallel zum betroffenen Halbleiterschalter einen Kondensator zu schalten mit vorgegebener Kapazität, die vorzugsweise größer als die interne Kapazität des Halbleiterschalters ist. Auf diese Weise kann die Kapazität festgelegt werden, welche vor der Umschaltung des Halbleiterschalters umzuladen ist, um das angestrebte spannungslose und verlustfreie Schalten der Halbleiterschalter des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers sicherzustellen. In einer Ausführungsform kann dabei auch vorgesehen sein, die Ausgabe der steuerbaren Spannungsquelle sowohl abhängig von einem vorgegebenen Laststrom und/oder Lastspannung als auch abhängig von der Kapazität des Kondensators einzustellen, da die Kapazität dieses Kondensators die Umpolung mitbestimmt.
Um den gegenläufigen Betrieb der beiden Halbleiterschalter sicherzustellen und insbesondere Betriebssituationen zu vermeiden, bei welchen beide Schalter durchgeschaltet sind und einen Kurzschluss erzeugen, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, zwischen dem zyklischen Umschalten der zumindest beiden Halbleiterschalter eine Totzeit einzustellen, bei welcher beide Halbleiterschalter abgeschaltet, d.h. offengeschaltet sind. Um den Einfluss der Zusatzschaltung auf den Eingang der Steuereinrichtung sicherzustellen, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Zeitkonstante eines RC-Gliedes der Zusatzschaltung geringer, insbesondere sehr viel geringer als diese Totzeit ist. In einer anderen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass diese Zeitkonstante eines RC-Gliedes der Zusatzschaltung größer als die Totzeit ist.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Spannungsquelle von der Steuereinrichtung gesteuert wird.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass ein parallel zu den Schaltkontakten des Low-Halbleiterschalters angeordneter Kondensator in einer ersten Totzeit nach dem Ausschalten des High-Halbleiterschalters auf einen geringen vorgegebenen Spannungswert von etwa Null Volt entladen wird und/oder der Kondensator in einer zweiten Totzeit nach dem Ausschalten des Low-Halbleiterschalters auf einen vorgegebenen Spannungswert von etwa der Bus-Spannung bzw. der Eingangsspannung des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers aufgeladen wird. In beiden Fällen kann damit sichergestellt werden, dass der Low-Halbleiterschalter nach Ablauf der ersten Totzeit und/oder der High-Halbleiterschalter nach Ablauf der zweiten Totzeit im Wesentlichen spannungsfrei durchgeschalten werden können.
Im Detail kann vorgesehen sein, dass die Spannungsquelle so steuerbar ist bzw. angesteuert wird, dass innerhalb einer Zyklusphase, in welcher der Low-Halbleiterschalter geöffnet und ein Drosselstrom negativ ist, ein vorgegebener maximaler Absolutwert (Maximal-Absolutwert) eines negativen Drosselstroms erreicht wird, im Wesentlichen unabhängig vom jeweiligen Laststrom und/oder der jeweiligen Lastspannung. Auf diese Weise kann über die gesteuerte Spannungsquelle eingestellt sein, dass eine vorgegebene negative Schwelle für den Drosselstrom erreicht wird, bevor der Low-Halbleiterschalter abgeschaltet wird, sodass innerhalb der sich dann anschließenden zweiten Totzeit der Mittenabgriff zwischen den beiden Halbleiterschaltern wieder auf die Bus-Spannung bzw. die Eingangsspannung aufgeladen werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, den vorgegebenen Maximal-Absolutwert des negativen Drosselstroms, d.h. diese negative Schwelle festzulegen in Abhängigkeit der Kapazität eines parallel zum Low-Halbleiterschalter geschalteten Kondensators.
Wie schon obenstehend angegeben, kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zur Steuerung der zumindest beiden Halbleiterschalter auch zur Steuerung der steuerbaren Spannungsquelle der Zusatzschaltung bzw. des zusätzlichen Signalpfades ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, die Steuerung der steuerbaren Spannungsquelle über eine einfache elektronische Schaltung wie eine Transistorstufe oder mittels eines Mikrocontrollers durchzuführen. Letzterer kann beispielsweise einen gefilterten PWM-Ausgang aufweisen, dessen Ausgangssignal in einer Ausführungsform in Abhängigkeit des Laststromes und der Lastspannung eingestellt bzw. gesteuert wird.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform kann vorgesehen sein, im Vorfeld des Betriebs des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler zunächst über den gesamten Betriebsbereich von Laststrom und/oder Lastspannung empirisch die notwendige Ausgangsspannung der steuerbaren Spannungsquelle in Abhängigkeit des jeweiligen Laststroms und/oder der jeweiligen Lastspannung zu ermitteln bzw. zu messen, die notwendig ist, um einen vorgegebenen Maximal-Absolutwert des negativen Drosselungsstroms innerhalb des Schaltungszyklus der beiden Halbleiterschalter zu erreichen, so dass eine Drain-Source-Kapazität eines MOSFETs bzw. eine Kapazität eines parallel zu diesem Schalter geschalteten Kondensators mit diesem Drosselstrom umgepolt werden kann, um ein spannungsloses Umschalten des jeweiligen Halbleiterschalters sicherzustellen. Diese Zuordnung der Ausgangsspannung der steuerbaren Spannungsquelle in Abhängigkeit des Laststroms und/oder der Lastspannung kann in einem weiteren Schritt beispielsweise in Form einer Tabelle abgelegt oder ein funktionaler Zusammenhang aus den gewonnenen Datensätzen ermittelt werden. Diese ermittelte Zuordnung, die Tabelle bzw. der funktionale Zusammenhang kann nachfolgend zur Ansteuerung bzw. Einstellung der steuerbaren Spannungsquelle verwendet werden.
Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Lookup-Tabelle zur Festlegung der Ausgangsspannung der steuerbaren Spannungsquelle zumindest in Abhängigkeit des mittleren Laststromes und/oder der mittleren Lastspannung aufweisen, wobei die gesteuerte Ausgangsspannung auf der Grundlage der in der Lookup-Tabelle abgelegten Spannungswerte in Abhängigkeit des mittleren Laststromes und/oder der mittleren Lastspannung steuerbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler so ausgebildet sein, dass die Spannungsquelle zur Aufschaltung einer Spannung in Abhängigkeit eines mittleren Laststromes und/oder einer mittleren Lastspannung auf der Grundlage eines funktionalen Zusammenhangs gesteuert wird. Beispielsweise kann dieser funktionale Zusammenhang als Programm in einem Mikroprozessor abgelegt sein und dieser in Abhängigkeit eines mittleren Laststroms und/oder einer mittleren Lastspannung den auszugebenden Spannungswert berechnen, um darauffolgend die steuerbar Spannungsquelle zur Abgabe des berechneten Spannungswertes anzusteuern. In einer anderen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, diesen funktionalen Zusammenhang über eine Schaltung zu realisieren, beispielsweise in Form einer schon obenstehend erwähnten Transistorstufe, an welcher eingangsseitig der mittleren Laststrom und/oder die mittlere Lastspannung anliegen und ausgangsseitig die ermittelte Spannung zur Einspeisung innerhalb der Zusatzschaltung bzw. innerhalb des zusätzlichen Signalpfades ausgegeben wird. Vorzugsweise kann dabei ein linearer Zusammenhang zwischen der auszugebenden Spannung und den beiden Größen mittleren Laststrom und mittlerer Lastspannung vorgesehen sein.
Die Erfindung löst die obige Aufgabe verfahrensseitig mit einem Verfahren zum Betrieb eines schaltenden Gleichspannungswandlers zur Speisung einer Last, insbesondere einer LED-Last, bei dem eine Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers in eine Ausgangsspannung umgewandelt wird, und eine Reihenschaltung von zumindest zwei zyklisch schaltenden Halbleiterschalter an die Eingangsspannung angeschlossen sowie eine an einem zwischen den in Reihe geschalteten Halbleiterschalter angeordneten Mittenabgriff angeschlossene und mit dem Ausgang verbundene Drosseleinrichtung verschaltet werden, wobei ein vom mittleren Laststrom abhängiges Signal erfasst, insbesondere gemessen und an den Steuereingang einer Steuereinrichtung angelegt wird und wobei die Steuereinrichtung ein erstes Steuersignal zur Steuerung des Schaltzustandes eines ersten der beiden Halbleiterschalter und ein zweites Steuersignal zur Steuerung des Schaltzustandes eines zweiten der beiden Halbleiterschalter ausgibt zum zyklischen Schalten der beiden Halbleiterschalter in Abhängigkeit des an dem zumindest einen Steuereingang anliegenden Eingangssignals. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das erste oder das zweite Steuersignal über einen Signalpfad zum Verändern des am Steuereingang anliegenden Signals auf diesen Steuereingang aufgeschaltet wird. Durch diese Maßnahme erreicht die Erfindung, dass die Einschaltzeiten der beiden Halbleiterschalter dadurch verändert werden können, dass der Steuereinrichtung ein veränderter Mittelwert des Laststroms „vorgetäuscht“ wird, um sicherzustellen, dass in einem Halbleiterschalter vorhandene Streukapazitäten bzw. eine parallel zum Halbleiterschalter verschaltete Kapazität vor der Durchschaltung des Halbleiterschalters umgeladen wird, sodass ein im Wesentlichen spannungsfreies Umschalten eines Halbleiterschalters erfolgen kann.
Um über einen großen Betriebsbereich von Laststrom und/oder von der mittleren Lastspannung ein spannungsloses Schalten der Halbleiterschalter zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass an einem Einspeisepunkt der Zusatzschaltung ein steuerbares Signal aufgeschaltet wird, dass vom mittleren Laststrom und/oder von der mittleren Lastspannung abhängt.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass das steuerbare Signal durch den Ausgang einer steuerbaren Spannungsquelle bereitgestellt wird, welche eine einstellbare Gleichspannung ausgibt.
Zweckmäßigerweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines schaltenden Gleichspannungswandlers zur Speisung einer Last innerhalb eines Schaltzyklus zum Schalten der beiden Halbleiterschalter fünf aufeinanderfolgende Phasen aufweisen, wobei sich in Bezug auf vier der fünf Phasen, zeitlich benachbarte Phasen im Hinblick auf die jeweilige Schaltstellung der beiden Halbleiterschalter unterscheiden können. In einer ersten Phase kann der High-Halbleiterschalter durchgeschaltet (geschlossen) und der Low-Halbleiterschalter geöffnet sein, sodass der Drosselstrom und damit der Momentanstrom durch die Last steigt. Die sich daran anschließende zweiten Phase, die durch das Erreichen eines Schwellwertes des Eingangssignals am Steuereingang der Steuereinrichtung startet, bei dem der High-Halbleiterschalter abgeschaltet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass neben dem Low-Schalter auch der High-Schalter abgeschaltet ist. Der Drosselstrom fließt in dieser zweiten Phase mit unverändertem Wert weiter und entlädt in dieser Ausführungsform einen zu den Schaltkontakten des Low-Halbleiterschalters parallel geschalteten Kondensator bis die Body-Diode des Low-Halbleiterschalters leitend wird. Im Anschluss daran wird der Low-Schalter in der Phase drei durchgeschaltet, sodass der Drosselstrom weiter in die gleiche Richtung fließt, nun jedoch abnimmt, bis er den Wert Null erreicht. Mit dem Erreichen des Nullwertes für den Drosselstrom startet eine vierte Phase mit einer Änderung der Drosselstromrichtung, wobei in dieser vierten Phase der Low-Halbleiterschalter weiter durchgeschaltet und der High-Halbleiterschalter weiter ausgeschaltet ist, und der Drosselstrom in Richtung negativer Werte im Absolutwert zunimmt. Erfindungsgemäß kann durch Variation bzw. Steuern des über die Zusatzschaltung auf den Steuereingang der Steuereinrichtung geschalteten Signals die Dauer der Durchschaltzeit des Low-Schalters innerhalb dieser vierten Phase angepasst werden auf den jeweiligen mittleren Laststrom und/oder mittlere Lastspannung. Diese Anpassung kann so erfolgen, dass in der vierten Phase ein vorgegebener negativer Drosselstrom erreicht wird, der sicherstellt, dass die parallel zum Low-Halbleiterschalter angeordnete Kapazität in der darauffolgenden fünften Phase mit diesem vorbestimmten negativen Drosselstrom vollständig umgeladen werden kann. Mit Erreichen des vorgegebenen negativer Drosselstrom wird der Low-Halbleiterschalter abgeschaltet bzw. geöffnet und startet die fünfte Phase in welcher beide Halbleiterschalter geöffnet sind, sodass die beschriebene fünfte Phase wie die beschriebene zweite Phase eine Totzeit darstellt, in welchen beide Halbleiterschalter zum Öffnen angesteuert sind. Nachdem in Phase fünf der in dieser Ausführungsform parallel zum Low-Halbleiterschalter geschaltete Kondensator auf die Bus-Spannung aufgeladen wurde, kann die fünfte Phase beendet und über das Durchschalten des High-Halbleiterschalters die erste Phase eines neuen Zyklus gestartet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einer Ausführungsform sowie Varianten hierzu unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert, wobei

1 den Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit angeschlossener Last,
2 den zeitlichen Verlauf der Spannung am Mittenabgriff zwischen den beiden Halbleiterschalters T1, T2 sowie den zeitlichen Verlauf des Drosselstroms zur Darstellung von fünf Phasen des Zyklus zum Schalten der beiden Halbleiterschalter T1, T2 des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers der 1,
3 a-c den zeitlichen Verlauf der Steuerspannung für den Halbleiterschalters T2 und den zeitlichen Verlauf der Spannung an einem Einspeisepunkt EP der Zusatzschaltung für drei unterschiedliche Spannungswerte der steuerbaren Spannungsquelle des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers der 1,
4 einen beispielhaften Aufbau einer Schaltung zur Erzeugung einer steuerbaren Spannung U(I_LED, U_LED) für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler der 1, und
5 das Schaltbild eines herkömmlichen Gleichspannungswandlers

1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen, schaltenden Gleichspannungswandlers, der hier als Abwärtswandler ausgebildet ist, um eine DC-Eingangsspannung U_E mit einem Eingangsstrom I_E in eine Ausgangsspannung U_A mit einem Ausgangsstrom I_A umzuwandeln, wobei ausgangsseitig eine Last in Form einer LED-Reihenschaltung 50 angeschlossen ist. Der dargestellte Gleichspannungswandler 1 kann beispielsweise eine Treiberschaltung eines LED-Betriebsgerätes darstellen, in welchem eine eingangsseitig angelegte Netzspannung gleichgerichtet und über einen Zwischenkreis eine Zwischenkreisspannung bereitgestellt wird, die als Eingangsspannung für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler 1 der 1 dient.
Die Schaltung umfasst zwei in Reihe geschaltete MOSFET-Transistoren 10, 20, wobei der an die Eingangsspannung U_E=V_Bus angeschlossene MOSFET 10 als High-MOSFET bzw. High-Schalter und der mit dem Bezugspotential verbundene MOSFET 20 als Low- MOSFET bzw. Low- Schalter bezeichnet wird. Beide Transistoren weisen eine Body-Diode 14, 24 auf. An dem Knotenpunkt oder Mittenabgriff M zwischen den beiden miteinander verbundenen Schalteranschlüssen 12, 21 ist eine Drossel 30 in Reihe zum Ausgang des Gleichspannungswandlers 1 geschaltet, wobei parallel zum Ausgang ein Glättungskondensator 40 zur Spannungsstabilisierung des Ausgangs vorgesehen ist, an welchem hier eine Last in Form einer LED-Reihenschaltung 50 angeschlossen ist. Der durch die Drossel 30 fließende Strom I_D wird über einen Messwiderstand 70 erfasst, der in Reihe zur Drossel 30 und zur Parallelschaltung des Glättungskondensators 40 und der Last geschaltet und an das Bezugspotential angeschlossen ist. Die am Messwiderstand 70 abfallende Spannung wird über einen hier als Tiefpass ausgebildeten Mittelwertbilder gemittelt, wobei der gemittelte Wert als Eingangsspannung an einem Steuereingang 61 einer hier als Treiber-IC ausgebildeten Steuereinrichtung 60 anliegt. Die beschriebene Erfassungsschaltung mit den Bauelementen Widerstand 70, Widerstand 71 und Kondensator 72 stellt am Steuereingang 61 des Treiber-IC ein Signal bereit, das im Wesentlichen einen Mittelwert des durch die LED-Reihenschaltung fließenden Laststromes darstellt.
Die beiden MOSFET 10, 20 werden im Gegentakt vom Treiber-IC in Abhängigkeit des am Steuereingang 61 anliegenden Signals geschaltet. Hierzu weist die Steuereinrichtung 60 einen Steuerausgang 63 auf, welcher mit dem Steuereingang (Gate) des High-Schalters 10 verbunden ist und einen weiteren Steuerausgang 62, der mit dem Steuereingang (Gate) 23 des Low-Schalters 20 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 60 weist in der beschriebenen Ausführungsform einen mit dem Knotenpunkt M verbundenen Eingang 65 sowie einen Eingang 64 auf, der über einen Bootstrap-Kondensator 66 mit dem Knotenpunkt zur Bereitstellung des Treibersignals am Ausgang 63 für den High-Schalter 10 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 60 in der beschriebenen Ausführungsform des Gleichspannungswandlers kann ein herkömmliches Abwärtswandler-Steuer-IC wie beispielsweise das IRS 25401 der Firma International Rectifier® sein. Derartige Steuereinrichtungen steuern die beiden Schalter 10, 20 im Gegentakt, wobei die Umschaltung in Abhängigkeit des am Eingang 61 anliegenden Signals für den mittleren Laststrom durchgeführt wird. Hierzu vergleicht die Steuereinrichtung 60 das Eingangssignal am Steuereingang 61 mit einem vorgegebenen Schwellwert, wobei in der beschriebenen Ausführungsform der Schalter 10 abgeschaltet und der Schalter 20 durchgeschaltet wird, wenn die am Eingang 61 anliegende Spannung höher als der interne Schwellwert liegt und der Transistor 20 abgeschaltet und der Transistor 10 durchgeschaltet wird, wenn die am Steuereingang 61 anliegende Spannung niedriger als der interne Schwellenwert ist. Auf die beschriebene Weise wird der Mittelwert des durch die LED-Reihenschaltung 50 fließenden Stromes auf den Schwellenwert geregelt und damit konstant gehalten, wobei die Drossel 30 die Versorgung der Last innerhalb eines Schaltzyklus sicherstellt, bei welchem Schalter 10 geschlossen ist.
Der bislang beschriebene Aufbau des erfindungsgemäßen schaltenden Gleichspannungswandlers 1 entspricht dem in 5 dargestellten herkömmlichen Spannungswandler 100 des Standes der Technik. Bei diesem kann nicht über alle Betriebswerte des Laststroms und/oder der Lastspannung sichergestellt werden, dass die Umschaltung der beiden Schalter 10, 20 im wesentlichen spannungsfrei erfolgt, um über den gesamten Betriebsbereich elektrische Verluste bei den Schaltvorgängen zu vermeiden.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler weist zur Vermeidung dieser Schaltverluste den Einsatz einer Zusatzschaltung 80 in Form eines Signalpfades zwischen dem Steuereingang eines der beiden Schalter und dem Steuereingang 61 der Steuereinrichtung 60 auf. In der in 1 angegebenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers umfasst die Zusatzschaltung ein RC-Glied in Form einer Reihenschaltung eines Widerstandes 81 und eines Kondensators 82, wobei der Widerstand 81 mit dem Steuerausgang 62 für den Low-Schalter 20 und der Kondensator 82 mit dem Steuereingang 61 der Steuereinrichtung 60 verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen Kondensator 82 und Widerstand 81 der Zusatzschaltung ist als Einspeisepunkt EP ausgebildet, an dem über eine Diode 84 eine als Funktion F des mittleren Stromes I_LED und der mittleren Spannung U_LED steuerbare Spannung U=F (I_LED, U_LED) angeschlossen ist.
Erkennbar wird über die Zusatzschaltung 80 Einfluss auf den Steuereingang 61 der Steuereinrichtung 60 genommen und damit auf die jeweiligen Einschaltzeiten der Schalter 10, 20, wobei dieser Einfluss über die steuerbare Spannung U in der beschriebenen Ausführungsform von dem mittleren Strom durch die LED-Reihenschaltung und der mittleren Spannung U LED über diese LED-Reihenschaltung 50 abhängt. Wird nun in der beschriebenen Ausführungsform der 1 vom am Eingang 61 anliegenden Steuersignal der interne Schwellenwert überschritten, schaltet der High-Schalter 10 ab und nach einer Totzeit schaltet der Low-Schalter 20 durch über das Anlegen der entsprechenden Steuerpotentiale an den Ausgängen 63 bzw. 62 der Steuereinrichtung 60. Mit der Erhöhung des Ausgangspotentials der Steuerleitung 62 für das Durchschalten des Low-Schalters 20 fließt ein Strom über den Widerstand 81 und den Kondensator 82 zum Kondensator C3, wodurch die Eingangsspannung am Steuereingang 61 der Steuereinrichtung 60 erhöht und damit die Einschaltzeit des Schalters 20 erhöht wird. Dies stellt das Erreichen eines negativen Drosselstromwertes ID_rev sicher, um für das nachfolgende Umschalten der MOSFETs ein spannungsfreies Schalten bereitzustellen, worauf untenstehend noch näher eingegangen wird. Unterschreitet die am Steuereingang 61 anliegende Spannung den internen Schwellwert, steuert die Steuereinrichtung 60 den Transistor 10 durch und den Transistor 20 ab. Die Steuerung des Ausgangs 62 hat zur Folge, dass dessen Potential in der beschriebenen Ausführungsform schlagartig auf Null geht und über die Zusatzschaltung ein Strom von C3 abfließt, wodurch die am Steuereingang 61 anliegende Spannung zusätzlich kleiner wird, was die Einschaltzeit des High-Schalters 10 weiter erhöht, sodass der Mittelwert des Drosselstroms bzw. des LED-Stromes unverändert bleibt. Die steuerbare Spannungsquelle U ist als DC-Spannungsquelle ausgebildet, wobei in der in 1 angegebenen Ausführungsform diese Spannungsquelle gesteuert ist von den Mittelwerten des LED-Stromes I_LED und der LED-Spannung U_LED.
Mit Bezug auf 2 soll im Folgenden auf die verschiedenen Phasen innerhalb eines Schaltzyklus zum Betrieb des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers 1 der 1 eingegangen werden. 2 zeigt hierzu den zeitlichen Verlauf der Momentanwerte des Drosselstroms ID und der Spannung V_M am Mittenabgriff bzw. Knotenpunkt M, an dem die beiden in Reihe geschalteten MOSFETs 10, 20 verbunden sind. Der gesamte Zyklus kann in der beschriebenen Ausführungsform in fünf Phasen unterteilt werden. Im dargestellten Verlauf startet der Zyklus mit Phase 1, bei welcher der als High-Schalter 10 angeordnete und an die Busspannung V_Bus angeschlossene MOSFET 10 durchgeschaltet und der an das Bezugspotential angeschlossene und als Low-Schalter bezeichnete MOSFET 20 ausgeschaltet sind. Insofern liegt das Potential des Knotenpunktes M auf V_Bus und während dieser Phase steigt der Drosselstrom ID an. Die LED-Last wird ausgehend von der Bus-Spannung V_Bus über den Schalter 10 und die Drossel 30 gespeist, sodass auch die am Kondensator 72 des Tiefpassfilters anliegende Spannung und damit das Eingangssignal am Steuereingang 61 der Steuerschaltung 60 ansteigt. Nach Erreichen des internen Schwellwertes der Steuereinrichtung 60 durch das am Steuereingang 61 anliegende Signal schaltet die Steuereinrichtung 60 über deren Steuerausgang 63 den Schalter 10 aus, womit die Phase 2 startet, in welcher beide Transistoren 10, 20 ausgeschaltet sind. Phase 2 stellt insofern eine Totzeit innerhalb des Schaltzyklus zum Betreiben der LED-Reihenschaltung dar. Der Drosselstrom ID wird innerhalb der Phase 2 unverändert dadurch aufrechterhalten, dass der dem Low-Schalter parallelgeschaltete Kondensator 90 entladen wird, sodass der Low-Schalter nachfolgend spannungslos eingeschaltet werden kann. Die Situation wird durch den Verlauf des Potentials am Knotenpunkt M, d.h. die Spannung V_M in 2 angezeigt. Im Detail wird der Kondensator 90 soweit entladen, bis die Body-Diode 24 des Low-Schalters leitend wird, sodass die Spannung V_M hier etwa -1 Volt beträgt, sodass nach Ablauf der Phase 2 tatsächlich ein im Wesentlichen spannungsloses Einschalten des unteren Transistors durchgeführt werden kann. Mit dem Einschalten des Transistors 20 startet die Phase 3, bei welcher der Transistor 20 durchgeschaltet und der Transistor 10 abgeschaltet ist. Die in der Drossel 30 gespeicherte Energie wird in dieser Phase abgebaut, der Drosselstrom ID fällt ab. Phase 3 endet mit zu dem Zeitpunkt, bei welchem der Drosselstrom zu Null wird und die Stromrichtung wechselt. In der nachfolgenden Phase 4 ist weiter der High-Schalter 10 ausgeschaltet und der Low-Schalter 20 durchgeschaltet. Der Stromfluss in der Phase 4 mit negativem Drosselstrom ID verläuft von der Drossel über den Transistors 20 in das Bezugspotential und von dort über den Messwiderstand 70 bzw. den durch die Bauelemente 72, 71 gebildeten Tiefpassfilter und über die Parallelschaltung des Glättungskondensators 70 und der LED-Reihenschaltung 50 zurück in die Drossel 30. Nach Erreichen eines vorgegebenen negativen Drosselstroms ID_rev wird der Low-Schalter 20 abgeschaltet, die Zyklusphase 5 startet, in welcher der zum Low-Schalter 20 parallel geschaltete Kondensator 90 auf das Bus-Potential V_Bus umgeladen wird. Insofern stellt auch die Phase 5 eine Totzeit dar, bei welcher beide Transistoren 10, 20 ausgeschaltet sind. Nachdem der Kondensator 90 auf das Bus-Potential aufgeladen ist, liegt das entsprechende Potential am Knotenpunkt M an, sodass zum Ende der Phase 5 bzw. zu Beginn der Phase 1 der am Bus-Potential anliegende Transistor 10 spannungslos durchgeschaltet werden und mit der Phase 1 ein neuer Zyklus beginnen kann.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung zu 2 hervorgeht, ist es für das Beibehalten eines spannungslosen Einschaltens der beiden Halbleitertransistoren 10, 20 wesentlich, während der Totzeiten innerhalb eines Zyklus, d.h. innerhalb der Phasen 2 und 5, den parallel zum Low-Transistor 10 angeordnete Kondensator 90 vor der jeweiligen Umschaltung im Wesentlichen auf das Bezugspotential zu entladen bzw. auf das Bus-Potential V_Bus zu laden. Insbesondere für die Aufladung des Kondensators 90 auf das Bus-Potential vor dem Einschalten des Schalters 10 sollte hierfür in der Phase 4 ein vorgegebener negativer Drosselstrom ID rev erreicht werden, um innerhalb der Zeitdauer der fünften Phase eine ausreichende Spannungsänderung ausgehend von etwa Null Volt auf die Bus-Spannung zu erreichen. Um ein spannungsloses Schalten des High-Transistors 10 über den gesamten Betriebsbereich von Laststrom und Lastspannung bereitzustellen, sieht die Erfindung in der beschriebenen Ausführungsform die Einspeisung eines Signals, hier einer Spannung vor. Diese Spannung wird erfindungsgemäß abhängig von dem mittleren Laststrom und der mittleren Lastspannung gesteuert bzw. eingestellt, um durch eine entsprechende Verlängerung der Einschaltzeit des Low-Schalters sicherzustellen, dass ein vorgegebener negativer Drosselstrom ID_rev in der Phase 4 erreicht wird, um dann in der darauffolgenden Phase 5 mit diesem Strom die vorgegebene Kapazität des Kondensators 90 innerhalb einer in der Regel von der Steuerungseinrichtung vorgegebenen Totzeit den Kondensator 90 auf die vorgegebene Bus-Spannung V_Bus aufzuladen, sodass in der darauffolgenden ersten Zyklusphase der Schalter 10 spannungslos durchgeschaltet werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine Anpassung der An-Zeiten der Schalter 10, 20 an die jeweilige mittlere Lastspannung und den mittleren Laststrom durch Ansteuern der Spannungsquelle 83 erreicht, deren Ausgang in der beschriebenen Ausführungsform über die Diode 48 auf den Einspeisepunkt EP der Zusatzschaltung 80 geschaltet ist. Der Einfluss der steuerbaren Spannungsquelle 83 auf die am Einspeisepunkt EP sich ergebenden Spannung ist in den 3a - c für beispielhafte Ausgabespannungen U = 1 Volt, U = 5 Volt und U = 9 Volt gezeigt, wobei die Steuerspannung zur Durchschaltung des Low-Transistors 20 in dem angegebenen Beispiel 10 Volt beträgt. Die 3a - c zeigen das Zeitverhalten der am Einspeisepunkt EP anliegenden Spannung U_EP zusammen mit der von der Steuereinrichtung 60 abgegebenen Steuerspannung U_LO am Ausgang 62, siehe 1. Erkennbar wird der Kondensator 82 über den Widerstand R3 von der getakteten Steuerspannung U_LO umso mehr umgeladen, je niedriger die Ausgangsspannung U der steuerbaren Spannungsquelle 83 ist. In gleicher Weise wird bei starkem Umladen des Kondensators 82 der Kondensator 72 beeinflusst, dessen Spannung das Eingangssignal für die Steuereinrichtung 60 darstellt. Wie beschrieben geht mit einer starken Beeinflussung des Steuersignals am Eingang 61 eine Vergrößerung der Einschaltzeiten der Transistoren 10, 20 einher, sodass darüber der Drosselstrom in negativer Richtung in den Phasen 4 und 5 in Abhängigkeit der Parameter mittlerer Laststrom und mittlerer Lastspannung beeinflussbar bzw. einstellbar ist. Da die Einschaltzeiten beider Schalter 10, 20 in der beschriebenen Ausführungsform erhöht werden, bleibt wie gewünscht der Mittelwert des Laststroms, d.h. des Stromes durch die LED-Reihenschaltung 50 unverändert. Mit steigender Spannung U der steuerbaren Spannungsquelle wird die Umladung des Kondensators 82 immer geringer, sodass auch die Beeinflussung des Steuereingangs 61 geringer wird, wodurch die Erhöhung der Einschaltzeiten für beide Schalter 10, 20 geringer wird. Bei sehr hohen Ausgangsspannungen der steuerbaren Spannungsquelle, im beschriebenen Fall > 10 Volt hat die zwischen dem Steuerausgang 62 und dem Steuereingang 61 der Steuereinrichtung 60 geschaltete Zusatzschaltung keinen Einfluss mehr auf das Schaltverhalten der beiden Halbleiterschalter 10, 20.
Der Kondensator 82 des RC-Gliedes der Zusatzschaltung 80 sorgt in allen Betriebssituationen auch für die Abtrennung des Gleichspannungsanteils der am Steuerausgang 62 abgegebenen Steuerspannung U_LO, sodass die Zusatzschaltung 80 keinen Einfluss auf den Mittelwert des durch die LED-Reihenschaltung 50 fließenden LED-Stromes ausübt. Erkennbar muss bei erhöhten Lastströmen und niedrigen Lastspannungen die Einwirkung auf das Eingangssignal am Eingang 61 der Steuereinrichtung 60 größer werden, sodass in der beschriebenen Ausführungsform der vorgegebene negative Drosselstrom ID_rev erreicht wird.
Die jeweiligen Werte der Spannung der steuerbaren Spannungsquelle in Abhängigkeit von mittlerem Laststrom und mittlerer Lastspannung sind beispielsweise über eine Simulation ermittelbar. In einer Ausführungsform können sie in Form einer Lookup-Tabelle in einem Speicher abrufbar abgelegt sein, und durch entsprechendes Ansteuern der steuerbaren Spannungsquelle 83 eingestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, einen ermittelten funktionalen Zusammenhang zwischen der Ausgabespannung der steuerbaren Spannungsquelle und den beiden Parametern mittlerer Laststrom und mittlerer Lastspannung beispielsweise mittels eines gefilterten PWM-Ausgangs eines Mikroprozessors oder über den Ausgang einer Transistorstufe bereitzustellen. 4 zeigt hierzu eine beispielhafte Ausbildung einer Transistorstufe, welche als Eingangsgröße den mittleren LED-Strom I_LED, die mittlere Spannung U_LED über die LED-Reihenschaltung aufweist, und die an ihrem Ausgang die gewünschte steuerbare Spannung U(I_LED, U_LED) ausgibt.
In einer Variante der in 1 angegebenen Zusatzschaltung 80 kann vorgesehen sein, die Diode 84, über welche die Spannungsquelle 83 auf den Einspeisepunkt EP geschaltet ist, in ihrer Richtung umzukehren, sodass die Anode mit dem Einspeisepunkt EP und die Kathode mit der Spannungsquelle 83 verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist die Wirkung der Spannung U umgekehrt zu der bislang beschriebenen Ausführungsform, d.h. bei hohen Spannungen ist der Einfluss auf den Steuereingang 61 der Steuereinrichtung 60 größer und bei niedrigeren Spannungen geringer.
Bezugszeichenliste

1: Gleichspannungswandler
10: MOSFET, Schalter, High-Schalter
11, 12: Schalteranschluss
13: Steueranschluss
14: Body-Diode
20: MOSFET, Schalter, Low-Schalter
21, 22: Schalteranschluss
23: Steueranschluss
24: Body-Diode
30: Drossel, Drosseleinrichtung
40: Glättungskondensator
50: LED-Reihenschaltung, LED-Last
60: Steuereinrichtung/Treiber-IC
61: Steuereingang
62: Steuerausgang für den Low-Schalter
63: Steuerausgang für den High-Schalter
64: Spannungseingang für schwimmende Treiberspannung
65: Mittenspannung/Knotenpunktspannung
66: Bootstrap-Kondensator
70: Messwiderstand
71: Widerstand
72: Kondensator
80: Zusatzschaltung/Signalpfad
81: Widerstand
82: Kondensator
83: steuerbare Spannungsquelle
84: Diode
90: Kondensator
100: Gleichspannungswandler, Stand der Technik
EP: Einspeisepunkt
M: Knotenpunkt, Mittenabgriff
IA: Laststrom
ID_rev: Maximal-Absolutwert des negativen Drosselstroms
IE: Eingangsstrom
I_LED: Mittlerer Strom durch LED-Reihenschaltung
U_LED: Mittlerer Spannungsabfall an LED-Reihenschaltung
VM: Spannung am Knotenpunkt
U: Ausgabespannung der steuerbaren Spannungsquelle
U_EP: Spannung am Einspeisepunkt
UE: Eingangsspannung
UA: Ausgangsspannung
U_LO: Steuerspannung
V_Bus: Bus-Spannung

Claims

Schaltender Gleichspannungswandler (1) zur Speisung einer Last, insbesondere einer LED-Last (50), umfassend einen Eingang zum Anschluss an eine Eingangsspannung (UE), einen Ausgang zum Anschluss an die Last, zumindest zwei in Reihe angeordnete Halbleiterschalter (10, 20) sowie eine an einem Mittenabgriff (M) angeschlossene Drosseleinrichtung (30), die in Reihe zum Ausgang verschaltet ist, eine Steuereinrichtung (60) mit zumindest einem Steuereingang (61), der mit dem Ausgang einer Erfassungsschaltung zur Erfassung eines vom mittleren Laststroms abhängigen Signals (I_LED) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (60) einen Steuerausgang (63) zur Steuerung des Schaltzustandes eines ersten der beiden Halbleiterschalter (10) und einen Steuerausgang (62) zur Steuerung des Schaltzustandes eines zweiten der beiden Halbleiterschalter (20) aufweist und die Steuereinrichtung (60) ausgebildet ist, die beiden Halbleiterschalter in Abhängigkeit des an dem zumindest einen Steuereingang (61) anliegenden Eingangssignals zyklisch zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerausgang (62, 63) zur Steuerung des Schaltzustandes von einem der beiden Halbleiterschalter (10, 20) über eine Zusatzschaltung (80) zum Verändern des am Steuereingang (61) anliegenden Signals auf diesen Steuereingang (61) aufgeschaltet ist.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschaltung (80) einen Einspeisepunkt (EP) aufweist, an welchem ein steuerbares Signal aufschaltbar ist, dass von mittleren Laststrom (I_LED) und/oder von der mittleren Lastspannung (U_LED) abhängt.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste der beiden Halbleiterschalter (10) als High-Schalter an eine Busspannung (V-Bus) angeschlossen und der zweite der beiden Halbleiterschalter (20) als Low-Schalter an ein Bezugspotential verschaltet sind, wobei der Steuerausgang (62) zur Steuerung des Schaltzustandes des Low-Halbleiterschalters (10) über die Zusatzschaltung mit dem Steuereingang (61) der Steuereinrichtung (60) verbunden ist.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschaltung (80) ein RC-Glied (81, 82) mit einer steuerbaren Spannungsquelle (83), insbesondere einer steuerbaren Gleichspannungsquelle aufweist.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das s in der Zusatzschaltung (80) eine Widerstandseinrichtung (81) und eine Kondensatoreinrichtung (82) in Reihe geschaltet sind, wobei die Spannungsquelle (83) eine steuerbare Spannung (U) auf den Einspeisepunkt (EP) zwischen Widerstandseinrichtung und Kondensatoreinrichtung aufschaltet.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode einer Diodeneinrichtung (84) mit dem im RC-Glied (81, 82) angeordneten Einspeisepunkt (EP)und die Kathode mit der Spannungsquelle (83) verbunden ist.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (60) zur Regelung des mittleren Laststroms (I_LED) auf einen vorgegebenen Sollwert ausgebildet ist.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (90) parallel zu dem Low-Halbleiterschalter (20) angeordnet ist.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (60) ausgebildet ist, zwischen dem zyklischen Umschalten der zumindest beiden Halbleiterschaltern eine Totzeit (Ttot) einzustellen.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (83) so steuerbar ist, dass der Kondensator (90) in einer ersten Totzeit nach dem Ausschalten des High-Halbleiterschalters (10) auf einen geringen vorgegebenen Spannungswert von etwa Null Volt entladen wird und/oder der Kondensator (90) in einer zweiten Totzeit nach dem Ausschalten des Low-Halbleiterschalters (20) auf einen vorgegebenen Spannungswert von etwa einer Busspannung (V-Bus) aufgeladen wird.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (83) so steuerbar ist, dass innerhalb einer Zyklusphase, in welcher der Low-Halbleiterschalter (20) geöffnet und ein Drosselstrom (ID) negativ ist, ein vorgegebener maximaler Absolutwert eines negativen Drosselstroms (ID_rev) erreicht wird über den überwiegenden Betriebsbereich von Laststrom (I_LED) und/oder Lastspannung (U_LED).
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Lookup-Tabelle zur Festlegung der Ausgangsspannung der Spannungsquelle (83) zumindest in Abhängigkeit des mittleren Laststromes (I_LED) und/oder der mittleren Lastspannung (U_LED) vorgesehen ist.
Schaltender Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (60) ausgebildet ist zur Steuerung der Spannungsquelle (83) und über einen funktionalen Zusammenhang, die einzustellende Ausgangsspannung (U) der Spannungsquelle (83) in Abhängigkeit des mittleren Laststromes (I_LED) und/oder der mittleren Lastspannung (U_LED) zu berechnen und die steuerbare Spannungsquelle (83) in Abhängigkeit der Berechnung anzusteuern.
Verfahren zum Betrieb eines schaltenden Gleichspannungswandlers (1) zur Speisung einer Last, insbesondere einer LED-Last (50), bei dem eine Eingangsspannung (UE) des Gleichspannungswandlers in eine Ausgangsspannung (UA) umgewandelt wird, und eine Reihenschaltung von zumindest zwei zyklisch schaltenden Halbleiterschalter (10, 20) an die Eingangsspannung angeschlossen sowie eine an einem zwischen den in Reihe geschalteten Halbleiterschalter angeordneten Mittenabgriff (M) angeschlossene und mit dem Ausgang verbundene Drosseleinrichtung (30) verschaltet werden, ein vom mittleren Laststroms (I_LED) abhängiges Signal erzeugt und an den Steuereingang (61) einer Steuereinrichtung (60) angelegt wird, und die Steuereinrichtung ein erstes Steuersignal zur Steuerung des Schaltzustandes eines ersten der beiden Halbleiterschalter (10) und ein zweites Steuersignal zur Steuerung des Schaltzustandes eines zweiten der beiden Halbleiterschalter (20) ausgibt zum zyklischen Schalten der beiden Halbleiterschalter (10, 20) in Abhängigkeit des an dem zumindest einen Steuereingang (61) anliegenden Eingangssignals, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder das zweite Steuersignal über einen Signalpfad zum Verändern des am Steuereingang (61) anliegenden Signals auf diesen Steuereingang (61) aufgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Einspeisepunkt (EP) der Zusatzschaltung (80) ein steuerbares Signal aufgeschaltet wird, dass vom mittleren Laststrom (I_LED) und/oder von der mittleren Lastspannung (U_LED) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (10) der beiden Halbleiterschalter als High-Schalter an Eingangsspannung/Busspannung angeschlossen und der zweite (20) der beiden Halbleiterschalter als Low-Schalter an ein Bezugspotential angeschlossen werden, wobei das zweite Steuersignal zur Steuerung des Schaltzustandes des Low- Halbleiterschalters (20) über die Zusatzschaltung (80) auf den Steuereingang (61) der Steuereinrichtung (60) aufgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuersignal über ein RC-Glied (81, 82) mit einer einstellbaren Spannungsquelle (83) auf den Steuereingang (61) der Steuereinrichtung (60) aufgeschaltet wird, sodass nach einer Änderung des Steuersignals die mit dem Steuersignal startende Offen- bzw. die Geschlossen-Phase des Low- Halbleiterschalters (20) verlängert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalpfad durch eine Reihenschaltung einer Widerstandseinrichtung (81) und einer Kondensatoreinrichtung (82) gebildet wird, wobei über eine Diodeneinrichtung (84) eine steuerbare Spannung (U) auf einen Einspeisepunkt (EP) zwischen Widerstandseinrichtung und Kondensatoreinrichtung aufschaltet wird, wobei die Spannung (U) in Abhängigkeit des mittleren Laststroms und/oder von der mittleren Lastspannung gesteuert wird.