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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Schaltertreiberschaltung und eine Schaltnetzteilvorrichtung mit derselben.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Herkömmlicherweise sind Schaltnetzteilvorrichtungen unter Verwendung einer Vollbrückenendstufe als Stromquelle/Stromversorgungsmittel in Anwendungen, bei denen eine Umwandlung eines großen Gleichstroms (direct current - DC) erforderlich ist, in großem Umfang verwendet worden.
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Ein Beispiel einer herkömmlichen Technologie, die damit in Zusammenhang steht, ist in der japanischen Offenlegungsschrift
JP 2013- 55 858 A offenbart.
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Ferner offenbart die
US 2016 / 0 111 964 A1 eine Schaltreiberschaltung mit einem Transformator und einer Vollbrückenendstufe, die von einer Ansteuerung mit einem Schaltsignal angesteuert wird. Hier wird insbesondere die Totzeit abhängig vom Laststorm gesteuert.
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Auch die
US 2007 / 0 030 717 A1 offenbart ein Verfahren zum Einstellen von Schaltzeiten, insbesondere Totzeiten, eines Wechselrichters in Abhängigkeit von der erfassten Leistung unter Verwendung eines Vollbrückengleichrichters und eines Transformators.
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Jedoch sind die herkömmlichen Schaltnetzteilvorrichtungen insofern nachteilig, dass eine magnetische Abweichung eines Transformators aufgrund von Schwankungen der Eigenschaften/Kenndaten von Schaltvorrichtungen in der Vollbrückenendstufe verursacht wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Hinblick auf das oben beschriebene Problem, das von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung wahrgenommen wurde, ist das technische Problem der vorliegende Erfindung, eine Schaltertreiberschaltung, die in der Lage ist, eine magnetische Abweichung eines Transformators zu verringern/abzuschwächen, und eine Schaltnetzteilvorrichtung unter Verwendung einer solchen Schaltertreiberschaltung bereitzustellen. Dieses technische Problem wird durch die beigefügten nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafter Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer hierin offenbarten Ausführungsformen steuert eine Schaltertreiberschaltung eine mit einem Transformator verbundene Vollbrückenendstufe, um abwechselnd zwischen einem ersten Zyklus, in dem ein Erregerstrom in einer ersten Richtung an den Transformator zugeführt wird, und einem zweiten Zyklus, in dem ein Erregerstrom in einer zweiten Richtung an den Transformator zugeführt wird, zu schalten. Hierbei wird eine gleichzeitige AUS-Zeit/AUSSCHALT-Zeit der Vollbrückenendstufe gemäß einer Magnitude/Größe eines Erregerstroms eingestellt, der in einem von dem ersten Zyklus und dem zweiten Zyklus geflossen ist, wobei die gleichzeitige AUS-Zeit ein Operationsänderungsfaktor/Betriebsänderungsfaktor in dem anderen des ersten Zyklus und des zweiten Zyklus wird.
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Gemäß einer anderen hierin offenbarten Ausführungsform steuert eine Schaltertreiberschaltung eine mit einem Transformator verbundene Vollbrückenendstufe, um abwechselnd zwischen einem ersten Zyklus, in dem ein Erregerstrom in eine erste Richttung an den Transformator zugeführt wird, und einem zweiten Zyklus, in dem ein Erregerstrom in einer zweiten Richtung an den Transformator zugeführt wird, zu schalten. Hierbei kann eine gleichzeitige AUS-Zeit der Vollbrückenendstufe gemäß einer Magnitude/Größe eines mittleren/durchschnittlichen Erregerstroms eingestellt werden, der durch Mitteln eines Erregerstroms, der in dem ersten Zyklus geflossen ist, und eines Erregerstroms, der in dem zweiten Zyklus geflossen ist, erhalten wird.
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Gemäß noch einer weiteren hierin offenbarten Ausführungsformen steuert eine Schaltertreiberschaltung eine mit einem Transformator verbundene Vollbrückenendstufe, um abwechselnd zwischen einem ersten Zyklus, in dem ein Erregerstrom in einer ersten Richtung an den Transformator zugeführt wird, und einem zweiten Zyklus, in dem ein Erregerstrom in einer zweiten Richtung an den Transformator zugeführt wird, zu schalten. Hierbei kann die Schaltertreiberschaltung umfassen einen Modus, in dem eine gleichzeitige AUS-Zeit der Vollbrückenendstufe zu einem Zeitpunkt eines Schaltens zu einem von dem ersten Zyklus und dem zweiten Zyklus gemäß einer Magnitude/Größe eines Erregerstroms eingestellt wird, der in dem anderen des ersten Zyklus und des zweiten Zyklus geflossen ist; und einen Modus, in dem eine gleichzeitige AUS-Zeit der Vollbrückenendstufe gemäß einer Magnitude/Größe eines mittleren/durchschnittlichen Erregerstroms eingestellt wird, der durch Mitteln eines in dem ersten Zyklus geflossen Erregerstroms und einem in dem zweiten Zyklus geflossen Erregerstrom erhalten wird. Hierbei kann ein Schalten zwischen den Modi gemäß einem Modusschaltsignal durchgeführt werden.
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Andere Merkmale, Bestandteile, Operationsschritte/Betriebsschritte, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden durch die folgenden ausführlichen Beschreibungen der besten Ausführungsformen und der dazugehörigen beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 zeigt einen Schaltplan, der eine erste Ausführungsform einer Schaltnetzteilvorrichtung zeigt;
- 2 zeigt ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel eines Phasenverschiebungsverfahrens zeigt;
- 3 zeigt ein Strompfaddiagramm eines ersten Zyklus;
- 4 zeigt ein Strompfaddiagramm eines zweiten Zyklus;
- 5 zeigt ein Zeitdiagramm, das eine Totzeit-Einstellungsverarbeitung in einem ersten Modus zeigt;
- 6 zeigt ein Zeitdiagramm, das eine Totzeit-Einstellungsverarbeitung in einem zweiten Modus zeigt;
- 7 zeigt ein Zeitdiagramm, das eine Totzeit-Einstellungsverarbeitung in einem zweiten Modus zeigt;
- 8 zeigt einen Schaltplan, der eine zweite Ausführungsform der Schaltnetzteilvorrichtung zeigt; und
- 9 zeigt ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel einer Totzeit-Einstellungsverarbeitung zeigt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Schaltnetzteilvorrichtung (erste Ausführungsform): 1 zeigt einen Schaltplan, der eine erste Ausführungsform einer Schaltnetzteilvorrichtung zeigt. Die Schaltnetzteilvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführung ist ein isolierter DC/DC-Wandler, der eine Ausgangsspannung Vo aus einer Eingangsspannung Vi erzeugt, um die Ausgangsspannung Vo an eine Last 2 zuzuführen, und umfasst eine Schaltertreiberschaltung 10, eine Vollbrückenendstufe 20, einen Transformator 30 und eine Gleichrichter-Glättungseinheit 40.
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Die Schaltertreiberschaltung 10 steuert Gate-Signale (GA, GB, GC und GD) mit Impulsen an, so dass die Ausgangsspannung Vo einen Zielpegel erreicht, und dadurch steuert eine PWM (pulse width modulation - Puls-Weiten-Modulation) die Vollbrückenendstufe 20 in einem Phasenverschiebungsverfahren an. Ferner nimmt die Schaltertreiberschaltung 10 eine Eingabe eines Erfassungssignals CS gemäß einem Steuerstrom/Treiberstrom der Vollbrückenendstufe 20 auf (und somit einen Erregerstrom des Transformators 30), und ist auch mit einer Funktion zum Einstellen einer gleichzeitigen AUS-Zeit (auch als eine Totzeit bekannt) der Vollbrückenendstufe gemäß dem Erfassungssignal CS versehen. Des Weiteren ist die Schaltertreiberschaltung 10 ebenfalls mit einer Funktion zum Schalten des Verfahrens zum Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeit gemäß einem Operationsmodus-Schaltsignal/Betriebsmodus-Schaltsignal MODUS versehen. Der genaue Betrieb der Schaltertreiberschaltung 10 wird später ausführlich beschrieben.
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Die Vollbrückenendstufe 20 ist zwischen einem Stromversorgungsanschluss (= ein Eingangsspannungs-Vi- Anlegeanschluss) und einem ersten Masseanschluss/GND-Anschluss (= ein Masse-Spannungs-GNDl-Anlegeanschluss) angeschlossen und erzeugt die Ausgangsspannung Vo aus der Eingangsspannung Vi gemäß einer EIN-/AUS-Steuerung der oberen Schalter TrA und TrC und unteren Schalter TrB und TrD.
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Der obere Schalter TrA und der obere Schalter TrB sind seriell zwischen dem Stromversorgungsanschluss und dem ersten Masseanschluss als ein erster Zweig (= eine erste Halbbrücke) der Vollbrückenendstufe 20 angeschlossen. Hierbei ist ein Verbindungsknoten (= ein Knotenspannungs-V1-Anlegeanschluss) zwischen dem oberen Schalter TrA und dem unteren Schalter TrB mit einem ersten Eingangsanschluss (= ein erster Anschluss einer Primärwicklung L1) des Transformators 30 verbunden.
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Der obere Schalter TrC und der untere Schalter TrD sind seriell zwischen dem Stromversorgungsanschluss und dem ersten Masseanschluss als ein zweiter Zweig (= eine zweite Halbbrücke) der Vollbrückenendstufe 20 angeschlossen. Hierbei ist ein Verbindungsknoten (= ein Knotenspannungs-V2-Anlegeanschluss) zwischen dem oberen Schalter TrC und dem unteren Schalter TrD mit einem zweiten Eingangsanschluss (= ein zweiter Anschluss der Primärwicklung L1) des Transformators 30 verbunden.
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Wie durch gestrichelte Linien in der Figur gezeigt ist, sind die Schalter TrA und TrD jeweils von einem parasitären Kondensator und einer parasitären Diode begleitet, wobei beide zwischen zwei Anschlüssen von jedem der Schalter TrA bis TrD auftreten.
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Der obere Schalter TrA und der untere Schalter TrB werden gemäß den Gate-Signalen GA beziehungsweise GB komplementär EIN/AUS geschaltet. Der obere Schalter TrC und der untere Schalter TrD werden jeweils gemäß den Gate-Signalen GC und GD komplementär EIN/AUS geschaltet. In der vorliegenden Beschreibung kann der Begriff „komplementär“ derart in Betracht gezogen werden, dass er nicht nur einen Fall abdeckt, in dem die EIN-/AUS-Zustände der Schaltelemente vollständig umgekehrt sind, sondern ebenfalls einen Fall, bei dem ein EIN-/AUS-Schalten der oberen und unteren Schalter verzögert wird (das heißt, eine gleichzeitige AUS-Zeit (Totzeit) wird eingestellt, in der sie gleichzeitig AUS sind).
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Die gleichzeitige AUS-Zeit wird nicht nur eingestellt, um zu verhindern, dass ein übermäßiget Shoot-Through-Strom über die oberen und unteren Schalter fließt, sondern auch, um einen sanften Schaltbetrieb/Schaltvorgang zu erreichen (Null-Volt-Schalt- (zero-volt switching - ZVS) Vorgang/Betrieb), um Schaltverluste und Schaltgeräusche zu reduzieren.
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Hierbei ist es in einem Fall, in dem eine hohe Spannung an die oberen Schalter TrA und TrC und die unteren Schalter TrB und TrD angelegt wird, wünschenswert, als jedes der Schaltelemente einen Leistungs-MOSFET (power metal-oxide-semiconductor field effect transistor - Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor - IGBT), einen SiC-Transistor oder ein hochspannungsfestes Schaltelement wie etwa eine GaN-Leistungsvorrichtung beziehungsweise ein GaN-Leistungsbauelement zu verwenden.
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Der Transformator 30 umfasst die Primärwicklung L1 und eine Sekundärwicklung L2, die elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, überträgt eine Wechselstrom- (alternating current - AC) Leistung von einem Primärschaltungssystem 1p zu einem Sekundärschaltungssystem 1s, während das Primärschaltungssystem 1p (GND1-System) und das Sekundärschaltungssystem 1s (GND2-System) voneinander elektrisch isoliert sind.
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Die Gleichrichter-Glättungseinheit 40 bildet einen Funktionsblock, der die Ausgangsspannung Vo aus einer Induktionsspannung erzeugt, die in der Sekundärwicklung L2 des Transformators 30 auftritt, und umfasst Gleichrichterdioden D1 und D2 (entsprechend einem ersten Gelichrichter beziehungsweise einem zweiten Gleichrichter), eine Drosselspule L3 und einen Glättungskondensator C1.
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Eine Kathode der Gleichrichterdiode D1 ist mit einem ersten Ausgangsanschluss (ein erster Anschluss der Sekundärwicklung L2) des Transformators 30 verbunden. Andererseits ist eine Katode der Gleichrichterdiode D2 mit einem zweiten Ausgangsanschluss (= ein zweiter Anschluss der Sekundärwicklung L2) des Transformators 30 verbunden. Die Anoden der Gleichrichterdioden D1 und D2 sind beide mit einem zweiten Masseanschluss (= ein Masse-Spannungs-GND2-Anlegeanschluss) verbunden. Ein erster Anschluss der Drosselspule L3 ist mit einem Mittelpunktabgriff der Sekundärwicklung L2 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Drosselspule L3 und ein erster Anschluss des Glättungskondensators C1 sind beide mit einem Ausgangsspannung-Vo-Ausgangsanschluss verbunden. Ein zweiter Anschluss des Glättungskondensators C1 ist mit dem Masse-Spannungs-GND2-Anlegeanschluss verbunden.
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Basisbetrieb: 2 zeigt ein Zeitdiagramm, das eine PWM-Ansteuerung der Vollbrückenendstufe 20 zeigt, die mittels eines Phasenverschiebungsverfahrens durchgeführt wird. Die Figur veranschaulicht in der Reihenfolge von oben die Gate-Signale GA bis GD, eine Knotenspannung V1, einen Shoot-Through-Strom IAB (ein Shoot-Through-Strom, der über den oberen Schalter TrA und den unteren Schalter TrB fließt, eine Knotenspannung V2 und einen Shoot-Through-Strom ICD (= ein Shoot-Through-Strom, der über den oberen Schalter TrC und den unteren Schalter TrD fließt).
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Bei der PWM-Ansteuerung der Vollbrückenendstufe 20, die mittels des Phasenverschiebungsverfahrens durchgeführt wird, werden die Gate-Signale GA bis GD jeweils mit einem konstanten Betrieb (50%) pulsgesteuert. Eine Verschiebungszeit Ts (eine Phasendifferenz) ist zwischen Gate-Signalen GA und GB auf der ersten Armseite und zwischen Gate-Signalen GC und GD auf der zweiten Armseite vorgesehen. Eine variable Steuerung/Regelung der Verschiebungszeit Ts ermöglicht es, eine Einsatzzeit/Anlegezeit, während der die Eingangsspannung Vi an die erste Wicklung L1 angelegt wird, zu steuern/regeln, und dies ermöglicht, eine (selbsttätige) Regelung der Ausgangsspannung Vo mit einer festen, konstanten Schaltfrequenz durchzuführen.
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Beispielsweise haben von dem Zeitpunkt t1 bis zu dem Zeitpunkt t2 die Gate-Signale GA und GD einen hohen Pegel und die Gate-Signale GB und GC haben einen niedrigen Pegel. Demzufolge sind der obere Schalter TrA und der untere Schalter TrD eingeschaltet und der untere Schalter TrB und der obere Schalter TrC sind ausgeschaltet. Als Ergebnis fließt ein Erregerstrom IAD in einer ersten Richtung in dem ersten Schaltungssystem 1p über einen Strompfad Vi → TrA → L1 → TrD → GND1, wie durch eine dicke durchgezogene Linie und einen Pfeil in 3 angegeben ist. In dem zweiten Schaltungssystem 1s fließt ein Induktionsstrom über einen Strompfad GND2 → D1 → L2 → L3, wie durch eine dicke gestrichelte Linie und einen Pfeil in 3 angegeben ist. In den folgenden Beschreibungen wird ein Betriebszustands/Operationszustand, in dem der Erregerstrom IAD in der ersten Richtung an den Transformator 30 zugeführt wird, indem der obere Schalter TrA und der untere Schalter TrD eingeschaltet werden, als ein „erster Zyklus“ bezeichnet.
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Andererseits haben von dem Zeitpunkt t3 bis zu dem Zeitpunkt t4 die Gate-Signale GA und GD einen niedrigen Pegel und die Gate-Signale GB und GC haben einen hohen Pegel. Demzufolge sind der obere Schalter TrA und der untere Schalter TrD ausgeschaltet und der untere Schalter TrB und der obere Schalter TrC sind eingeschaltet. Als Ergebnis fließt ein Erregerstrom IBC in einer zweiten Richtung in dem ersten Schaltungssystem 1p über einen Strompfad Vi → TrC → L1 → TrB → GND 1, wie durch eine dicke durchgezogene Linie und einen Pfeil in 4 angegeben ist. In dem zweiten Schaltungssystem 1s fließt ein Induktionsstrom über einen Strompfad GND2 → D2 → L2 → L3, wie durch eine dicke gestrichelte Linie und einen Pfeil in 4 angegeben ist. In den folgenden Beschreibungen wird ein Betriebszustand/Operationszustand, in dem der Erregerstrom IBC in der zweiten Richtung an den Transformator 30 zugeführt wird, indem der obere Schalter TrC und der untere Schalter TrB eingeschaltet werden, als ein „zweiter Zyklus" bezeichnet.
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Somit steuert die Schaltertreiberschaltung 10 die Vollbrückenendstufe 20, um abwechselnd zwischen dem ersten Zyklus, in dem der obere Schalter TrA und der untere Schalter TrD eingeschaltet sind, um den Erregerstrom IAD in der ersten Richtung an den Transformator zuzuführen, und dem zweiten Zyklus, in dem der obere Schalter TrC und der untere Schalter TrB eingeschaltet sind, um den Erregerstrom IBC in der zweiten Richtung an den Transformator zuzuführen, zu schalten.
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Die Vollbrückenendstufe 20 kann zusätzlich zu den oben beschriebenen ersten und zweiten Zyklen verschiedene Betriebszustände einnehmen. Beispielsweise werden von dem Zeitpunkt t2 bis zu dem Zeitpunkt t3 die oberen Schalter TrA und TrC eingeschaltet und die unteren Schalter TrB und TrD werden ausgeschaltet. Ferner werden von dem Zeitpunkt t4 bis zu dem Zeitpunkt t5 die oberen Schalter TrA und TrC ausgeschaltet und die unteren Schalter TrB und TrD werden eingeschaltet. Angesichts dieser Tatsache kann angenommen werden, dass der oben beschriebene Ausdruck „abwechselnd“ auch einen Fall abdeckt, in dem ein anderer Betriebszustand zwischen den ersten und zweiten Zyklen stattfindet.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel wird der Shoot-Through-Strom IAB bei einem Logik-Schaltzeitpunkt der Gate-Signale GA und GB erzeugt und der Shoot-Through-Strom ICD wird bei einem Logik-Schaltzeitpunkt der Gate-Signale GC und GD erzeugt. Um die so erzeugten Shoot-Through-Ströme IAB und ICD zu verringern, ist es notwendig, nicht nur den Logik-Schaltzeitpunkt des Gate-Signals GA und den des Gate-Signals GB voneinander zu verschieben, um eine gleichzeitige AUS-Zeit bereitzustellen, während der der obere Schalter TrA und der untere Schalter TrB gleichzeitig aus/ausgeschaltet sind, sondern auch, um den Logik-Schaltzeitpunkt des Gate-Signals GC und den des Gate-Signals GD voneinander zu verschieben, um eine gleichzeitige AUS-Zeit bereitzustellen, während der der obere Schalter TrC und der untere Schalter TrD gleichzeitig aus/ausgeschaltet sind.
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Hierbei, wie bereits oben erwähnt, weist die Schaltertreiberschaltung 10 die Funktion zum Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeit der Vollbrückenendstufe 20 gemäß dem Erfassungssignal CS (und somit der Größe/Magnitude des Erregerstroms IAD oder IBC) auf. Die Schaltertreiberschaltung 10 ist ebenfalls mit der Funktion zum Schalten eines Verfahrens zum Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeit (Betriebsmodus/Operationsmodus) gemäß dem Operationsmodus-Schaltsignal/Betriebsmodus-Schaltsignal MODUS versehen.
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Im Folgenden wird die Totzeit-Einstellungsverarbeitung, die durch die Schaltertreiberschaltung 10 durchgeführt wird, mit bestimmten Beispielen ausführlich beschrieben.
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Totzeit-Einstellungsverarbeitung (Erster Modus): 5 zeigt ein Zeitdiagramm, das die Totzeit-Einstellungsverarbeitung in einem ersten Modus (MODUS „01“) zeigt, und die Figur veranschaulicht in der Reihenfolge von oben das Erfassungssignal CS und die Gate-Signale GA bis GD. In dieser Figur sind zur Vereinfachung der Beschreibung die Verhaltensweisen der Signale ohne Berücksichtigung einer Streuinduktivitätskomponente des Transformators 30 dargestellt.
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Wie bereits oben beschrieben, steuert die Schaltertreiberschaltung 10 die Vollbrückenendstufe 20, um abwechselnd zwischen dem ersten Zyklus, in dem der Erregerstrom IAD ausgegeben wird, und dem zweiten Zyklus, in dem der Erregerstrom IBC ausgegeben wird, zu schalten.
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Die Schaltertreiberschaltung 10 stellt in dem ersten Modus gleichzeitige AUS-Zeiten dA und dD gemäß der Magnitude/Größe des Erregerstromes IAD ein, der in dem ersten Zyklus (zum Beispiel von dem Zeitpunkt t101 bis zu dem Zeitpunkt t109) in einer Periode (zum Beispiel von dem Zeitpunkt t101 bis zu dem Zeitpunkt t109) geflossen ist, wobei die gleichzeitigen Auszeiten dA und dD Betriebsänderungsfaktoren in dem ersten Zyklus (zum Beispiel von dem Zeitpunkt t110 bis zu dem Zeitpunkt t111) in der nächsten Periode werden. Die gleichzeitige AUS-Zeit dA entspricht einer Verzögerungszeit (beispielsweise von dem Zeitpunkt t109 bis zu dem Zeitpunkt t110) zwischen einem Abfall des Gate-Signals auf einen niedrigen Pegel und einen Anstieg des Gate-Signals GA auf einen hohen Pegel, und die gleichzeitige AUS-Zeit dD entspricht einer Verzögerungszeit (beispielsweise von dem Zeitpunkt t107 bis zu dem Zeitpunkt t108) zwischen einem Abfall des Gate-Signals GC auf einen niedrigen Pegel und einem Anstieg des Gate-Signals GD auf einen hohen Pegel. Je größer der Erregerstrom IAD ist, desto kürzer erzeugt die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD (das heißt, desto größer bildet die Schaltertreiberschaltung 10 feste Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GA und GD in einer Periode), und je kleiner der Erregerstrom IAD ist, desto länger erzeugt/bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD (das heißt, desto enger bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die festen Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GA und GD).
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In gleicher Weise stellt die Schaltertreiberschaltung 10 in dem ersten Modus gleichzeitige AUS-Zeiten dB und dC gemäß der Größe/Magnitude des Erregerstromes IBC ein, der in dem zweiten Zyklus (beispielsweise von dem Zeitpunkt t106 bis zu dem Zeitpunkt t107) in einer Periode (beispielsweise von dem Zeitpunkt t101 bis zu dem Zeitpunkt t109) in einer Periode geflossen ist, wobei gleichzeitige AUS-Zeiten dB und dC Betriebsänderungsfaktoren in dem zweiten Zyklus (beispielsweise von dem Zeitpunkt t114 bis zu dem Zeitpunkt t115) in der nächsten Periode werden. Die gleichzeitige AUS-Zeit dB entspricht einer Verzögerungszeit (beispielsweise von dem Zeitpunkt t113 bis zu dem Zeitpunkt t114) zwischen einem Abfall des Gate-Signals GA auf einen niedrigen Pegel und einem Anstieg des Gate-Signals GB auf einen hohen Pegel, und die gleichzeitige AUS-Zeit dC entspricht einer Verzögerungszeit (beispielsweise von dem Zeitpunkt t111 bis zu dem Zeitpunkt t112) zwischen einem Abfall des Gate-Signals GD auf einen niedrigen Pegel und einem Anstieg des Gate-Signals GC auf einen hohen Pegel. Je größer der Erregerstrom IBC ist, desto kürzer bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dB und dC (das heißt, desto größer bildet die Schaltertreiberschaltung 10 feste Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GB und GC in einer Periode), und je kleiner der Erregerstrom IBC ist, desto länger bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dB und dC (das heißt, desto enger/kleiner bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die festen Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GB und GC).
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Somit werden in dem ersten Modus die Totzeit-Einstellungsverarbeitung (IAD → da und dD) auf der Seite des ersten Zyklus und die Totzeit-Einstellungsverarbeitung (IBC → dB und dC) auf der Seite des zweiten Zyklus unabhängig voneinander durchgeführt. Mit dieser Eigenschaft/Funktion, wenn eine relative Differenz zwischen dem Erregerstrom IAD und dem Erregerstrom IBC aufgrund von Schwankungen der Eigenschaften (wie beispielsweise eine Gate-Verzögerungsdifferenz) unter den Schaltern TrA und TrD unbeabsichtigt verursacht wird, arbeitet die oben durchgeführte Totzeit-Einstellungsverarbeitung derart, um die relative Differenz zu erhöhen, und kann zu einer magnetischen Abweichung des Transformators 30 beitragen.
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Betrachtet man beispielsweise einen Fall, in dem Schwankungen der Eigenschaften unter den Schaltern TrA bis TrD bewirkt hat, dass der Erregerstrom IAD in dem ersten Zyklus im Vergleich mit dem Erregerstrom IBC in dem zweiten Zyklus relativ kleiner wird. In diesem Fall werden in der Totzeit-Einstellungsverarbeitung in dem ersten Modus die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD zu dem Zeitpunkt eines Schaltens in den ersten Zyklus derart eingestellt, um verglichen mit den gleichzeitigen AUS-Zeiten dB und dC zu dem Zeitpunkt eines Schaltens in den zweiten Zyklus relativ länger/größer zu sein. Demzufolge wird ein PWM-Betrieb bzw. eine PWM-Einschaltdauer (= TAD/T) in dem ersten Zyklus relativ geringer/kleiner als ein PWM-Betrieb bzw. eine PWM-Einschaltdauer (= TBC/T) in dem zweiten Zyklus. Als Ergebnis nimmt der Erregerstrom IAD ab, während der Erregerstrom IBC ansteigt, und somit wird die Differenz zwischen ihnen größer als die in der vorherigen Periode.
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Wenn ein solcher Teufelskreis eine verstärkte magnetische Abweichung des Transformators 30 verursacht, verhindert dies einen normalen Betrieb der Schaltnetzteilvorrichtung 1, was es unmöglich macht, die gewünschte Ausgangsspannung Vo aus der Eingangsspannung Vi zu erzeugen. Um diese Unannehmlichkeiten zu vermeiden, kann gesagt werden, dass es wünschenswert ist, wenn der erste Modus (MODUS = „01“) ausgewählt wird, als Schalter TrA bis TrD Schaltelemente zu verwenden, bei denen Schwankungen der Eigenschaften klein sind, oder ausreichende Maßnahmen zum Verhindern der magnetischen Abweichung des Transformators 30 vorzusehen.
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Totzeit-Einstellungsverarbeitung (zweiter Modus): 6 zeigt ein Zeitdiagramm, das die Totzeit-Einstellungsverarbeitung in einem zweiten Modus (MODUS = „02“) zeigt, und die Figur veranschaulicht in der Reihenfolge von oben das Erfassungssignal CS und die Gate-Signale GA bis GD. Auch in dieser Figur sind zur Vereinfachung der Beschreibung die Verhaltensweisen der Signale ohne Berücksichtigung der Streuinduktivitätskomponente des Transformators 30 dargestellt.
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Die Schaltertreiberschaltung 10 stellt in dem zweiten Modus gleichzeitige AUS-Zeiten dB und dC gemäß der Grö-ße/Magnitude des Erregerstromes IAD ein, der in dem ersten Zyklus (beispielsweise von dem Zeitpunkt t202 bis zu dem Zeitpunkt t203) in einer Periode geflossen ist, wobei die gleichzeitigen AUS-Zeiten dB und dC Betriebsänderungsfaktoren in dem zweiten Zyklus (beispielsweise von dem Zeitpunkt t214 bis zu dem Zeitpunkt t215) in der nächsten Periode werden. Die gleichzeitige AUS-Zeit dB entspricht einer Verzögerungszeit (beispielsweise von dem Zeitpunkt t213 bis zu dem Zeitpunkt t214) zwischen einem Abfall des Gate-Signals GA auf einen niedrigen Pegel und einem Anstieg des Gate-Signals GB auf einen hohen Pegel, und die gleichzeitige AUS-Zeit dC entspricht einer Verzögerungszeit (beispielsweise von dem Zeitpunkt t211 bis zu dem Zeitpunkt t212) zwischen einem Abfall des Gate-Signals GD auf einen niedrigen Pegel und einem Anstieg des Gate-Signals GC auf einen hohen Pegel. Je größer der Erregerstrom IAD ist, desto kürzer/kleiner bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dB und dC (das heißt, desto größer/breiter bildet die Schaltertreiberschaltung 10 feste Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GB und GC in einer Periode), und je kleiner der Erregerstrom IAD ist, desto länger/größer bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dB und dC (das heißt, desto enger/kleiner bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die festen Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GB und GC) .
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In ähnlicher Weise stellt die Schaltertreiberschaltung 10 in dem zweiten Modus gleichzeitige AUS-Zeiten dA und dD gemäß der Größe/Magnitude des Erregerstromes IBC ein, der in dem zweiten Zyklus (beispielsweise von dem Zeitpunkt t206 bis zu dem Zeitpunkt t207) in einer Periode geflossen ist, wobei die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD Betriebsänderungsfaktoren in dem ersten Zyklus (beispielsweise von dem Zeitpunkt t218 bis zu dem Zeitpunkt t219) in der nächsten Periode werden. Die gleichzeitige AUS-Zeit dA entspricht einer Verzögerungszeit (beispielsweise von dem Zeitpunkt t217 bis zu dem Zeitpunkt t218) zwischen einem Abfall des Gate-Signals GB auf einen niedrigen Pegel und einem Anstieg des Gate-Signals GA auf einen hohen Pegel, und die gleichzeitige AUS-Zeit dD entspricht einer Verzögerungszeit (beispielsweise von dem Zeitpunkt t215 bis zu dem Zeitpunkt t216) zwischen einem Abfall des Gate-Signals GC auf einen niedrigen Pegel und einem Anstieg des Gate-Signals GD auf einen hohen Pegel. Je größer der Erregerstrom IBC ist, desto kürzer/kleiner bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD (das heißt, desto grö-ßer/breiter bildet die Schaltertreiberschaltung 10 feste Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GA und GD in einer Periode), und je kleiner der Erregerstrom IBC ist, desto länger/größer bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD (das heißt, desto enger/kleiner bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die festen Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GA und GD).
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Somit werden in dem zweiten Modus die gleichzeitigen AUS-Zeiten der Vollbrückenendstufe 20 in einem der ersten und zweiten Zyklen gemäß der Größe/Magnitude des Erregerstromes eingestellt, der in dem anderen der ersten und zweiten Zyklen geflossen ist. Mit dieser Eigenschaft, selbst wenn eine relative Differenz zwischen dem Erregerstrom IAD und dem Erregerstrom IBC aufgrund von Schwankungen der Eigenschaften (wie eine Gate-Verzögerungsdifferenz) unter den Schaltern TrA bis TrD unbeabsichtigt verursacht wird, arbeitet die oben durchgeführte Totzeit-Einstellungsverarbeitung derart, um die relative Differenz zu verringern, und dies ermöglicht es, eine magnetische Abweichung des Transformators 30 zu reduzieren.
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Betrachtet man beispielsweise einen Fall, in dem die Schwankungen der Eigenschaften unter den Schaltern TrA bis TrD verursacht haben, dass der Erregerstrom IAD in dem ersten Zyklus relativ kleiner als der Erregerstrom IBC in dem zweiten Zyklus wird. In diesem Fall werden in der Totzeit-Einstellungsverarbeitung in dem zweiten Modus die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD zum Zeitpunkt eines Schaltens in den ersten Zyklus derart eingestellt, um relativ kürzer als die gleichzeitigen AUS-Zeiten dB und dC zum Zeitpunkt eines Schaltens in den zweiten Zyklus zu sein. Demzufolge wird der PWM-Betrieb bzw. die PWM-Einschaltdauer (= TAD/T) in dem ersten Zyklus relativ höher als der PWM-Betrieb bzw. die PWM-Einschaltdauer (= TBC/T) in dem zweiten Zyklus. Als Ergebnis nimmt der Erregerstrom IAD zu, während der Erregerstrom IBC abnimmt, und somit wird die Differenz zwischen diesen Strömen kleiner als in der vorherigen Periode.
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Somit ermöglicht die Auswahl des zweiten Modus (MODUS = „02“), eine magnetische Abweichung des Transformators 30 auch ohne eine Verwendung von Schaltelementen, bei denen Schwankungen der Eigenschaften klein sind, oder eine zusätzliche Bereitstellung von Maßnahmen zum Verhindern der magnetischen Abweichung des Transformators 30 zu reduzieren.
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In dem in der Figur gezeigten Beispiel werden unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es von der Erfassung eines Erregerstromes bis zu der Beendigung der Einstellung der gleichzeitigen AUS-Zeiten einige Zeit dauert, die Erfassung des Erregerstromes und das Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeiten zwischen benachbarten ersten und zweiten Zyklen vermieden; wenn jedoch die Verarbeitung rechtzeitig durchgeführt werden kann, können die Erfassung des Erregerstromes und das Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeiten zwischen benachbarten ersten und zweiten Zyklen durchgeführt werden.
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Totzeit-Einstellungsverarbeitung (dritter Modus): 7 zeigt ein Zeitdiagramm, das die Totzeit-Einstellungsverarbeitung in einem dritten Modus (MODUS = „03“) zeigt, und die Figur veranschaulicht in der Reihenfolge von oben das Erfassungssignal CS und die Gate-Signale GA bis GD. Auch in dieser Figur sind zur Vereinfachung der Beschreibung die Verhaltensweisen der Signale ohne Berücksichtigung der Streuinduktivitätskomponente des Transformators 30 dargestellt.
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Die Schaltertreiberschaltung 10 stellt in dem dritten Modus die gleichzeitigen AUS-Zeiten der Vollbrückenendstufe 20 gemäß der Größe/Magnitude eines mittleren/durchschnittlichen Erregerstromes IAVE (= (IAD+IBC)/2) ein, der durch Mitteln des Erregerstromes IAD, der in dem ersten Zyklus geflossen ist, und des Erregerstromes IBC, der in dem zweiten Zyklus geflossen ist, erhalten wird.
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Beispielsweise wird beim Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD, die Betriebsänderungsfaktoren in dem ersten Zyklus (beispielsweise von dem Zeitpunkt t318 bis zu dem Zeitpunkt t319) in einer Periode werden, Bezug genommen auf die Größe des mittleren Erregerstromes IAVE, der durch Mitteln des in dem ersten Zyklus in der vorherigen Periode geflossenen Erregerstromes (beispielsweise von dem Zeitpunkt t310 bis zu dem Zeitpunkt t311) und des Erregerstromes IBC, der in dem zweiten Zyklus (beispielsweise von dem Zeitpunkt t306 bis zu dem Zeitpunkt t307) in der weiteren vorherigen Periode (= eine Periode zwei Perioden vor der Periode) geflossen ist, erhalten wird. Je größer der mittlere Erregerstrom IAVE ist, desto kürzer/kleiner bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD (das heißt, desto breiter/größer bildet die Schaltertreiberschaltung 10 feste Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GA und GD in einer Periode), und je kleiner der mittlere Erregerstrom IAVE ist, desto länger/größer bildet die Schaltertreiberschaltung 10 die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD (das heißt, desto enger/kleiner bildet die Schaltertreiberschaltung die festen Betriebe/Betriebszyklen der Gate-Signale GA und GD).
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Wenn somit der dritte Modus (MODUS=„03“) ausgewählt wird, selbst bei Schwankungen der Eigenschaften (wie beispielsweise eine Gate-Verzögerungsdifferenz) unter den Schaltern TrA bis TrD, werden die gleichzeitigen AUS-Zeiten dA bis dD gemäß dem mittleren Erregerstrom IAVE vereinheitlicht. Somit wird es wie in dem oben beschriebenen zweiten Modus möglich, eine magnetische Abweichung des Transformators 30 auch ohne Verwendung von Schaltelementen, bei denen Schwankungen der Eigenschaften klein sind, oder zusätzliche Bereitstellung von Maßnahmen zum Verhindern der magnetischen Abweichung des Transformators 30 zu reduzieren.
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Schaltnetzteilvorrichtung (Zweite Ausführungsform): 8 zeigt einen Schaltplan, der eine zweite Ausführungsform einer Schaltnetzteilvorrichtung zeigt. Eine Schaltnetzteilvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform basiert auf der ersten Ausführungsform (1) und umfasst Synchrongleichrichtertransistoren TrE und TrF als die ersten und zweiten Gleichrichter der Gleichrichter-Glättungseinheit 40, und die Schaltertreiberschaltung 10 ist eingerichtet, um nicht nur die Vollbrückenendstufe 20, sondern ebenfalls die Synchrongleichrichtertransistoren TrE und TrF anzusteuern. Somit werden die gleichen Komponenten wie jene in der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in 1 versehen und die folgende Beschreibung wird hauptsächlich einen Schwerpunkt auf spezielle Merkmale der zweiten Ausführungsform legen.
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Der Synchrongleichrichtertransistor TrE ist anstelle der oben erwähnten Gleichrichterdiode D2 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss (= der zweite Anschluss der Sekundärwicklung L2) des Transformators 30 und dem zweiten Masseanschluss angeschlossen. Andererseits ist der Synchrongleichrichtertransistor TrF anstelle der oben erwähnten Gleichrichterdiode D1 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (= der erste Anschluss der Sekundärwicklung L2) des Transformators 30 und dem zweiten Masseanschluss angeschlossen. Die Synchrongleichrichtertransistoren TrE und TrF werden jeweils gemäß Gate-Signalen GE und GF gesteuert/angesteuert, die von der Schaltertreiberschaltung 10 zugeführt werden. Hierbei werden die Gate-Signale GE und GF von dem ersten Schaltungssystem 1p zu dem zweiten Schaltungssystem 1s über einen Isolator (nicht gezeigt) wie beispielsweise einen Fotokoppler übertragen.
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9 zeigt ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel der Totzeit-Einstellungsverarbeitung zeigt, und die Figur veranschaulicht in der Reihenfolge von oben das Erfassungssignal CS und die Gate-Signale GA bis GF. Auch in dieser Figur werden die Verhaltensweisen der Signale ohne Berücksichtigung der Streuinduktivitätskomponente des Transformators 30 dargestellt.
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Was den Synchrongleichrichtertransistor TrE betrifft, muss er EIN gehalten werden, während ein Induktionsstrom gemäß dem Erregerstrom IBC durch die Sekundärwicklung L2 fließt. Im Hinblick darauf wird das Gate-Signale GE auf einen hohen Pegel ohne Verzögerung angehoben, wenn eines der Gate-Signale GB und GC auf einen hohen Pegel angestiegen ist, und das Gate-Signal GE wird auf einen niedrigen Pegel fallen gelassen, wenn eine vorgegebene Verzögerungszeit dE abgelaufen ist, nachdem beide Gate-Signale GB und GC auf einen niedrigen Pegel gefallen sind.
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In ähnlicher Weise muss der Synchrongleichrichtertransistor TrF EIN gehalten werden, während ein Induktionsstrom gemäß dem Erregerstrom IAD durch die Sekundärwicklung L2 fließt. Im Hinblick darauf wird das Gate-Signal GF auf einen hohen Pegel ohne Verzögerung angehoben, wenn eines der Gate-Signale GA und GD auf einen hohen Pegel angestiegen ist, und das Gate-Signal GF wird auf einen niedrigen Pegel fallen gelassen, wenn eine vorgegebene Verzögerungszeit dF abgelaufen ist, nachdem beide der Gate-Signale GA und GD auf einen niedrigen Pegel gefallen sind.
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Hierbei ist es wie bei den gleichzeitigen AUS-Zeiten dA bis dD wünschenswert, die Längen der Verzögerungszeiten dE und dF in einem Einstellungsverfahren (Betriebsmodus) gemäß dem Operationsmodus-Schaltsignal/Betriebsmodus-Schaltsignal MODUS einzustellen/anzupassen.
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Gemäß dem in der vorliegenden Figur gezeigten Beispiel wird in dem ersten Modus (MODUS=„01“) beim Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD und der Verzögerungszeit dE, die Betriebsänderungsfaktoren in dem ersten Zyklus in einer Periode werden, Bezug genommen auf den Erregerstrom IAD, der dem ersten Zyklus in der vorherigen Periode (eine Periode, die eine Periode vor der Periode ist) geflossen ist.
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In dem zweiten Modus (MODUS=„02“) wird beim Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD und der Verzögerungszeit dE, die Betriebsänderungsfaktoren in dem ersten Zyklus in einer Periode darstellen, Bezug genommen auf den Erregerstrom IBC, der in dem zweiten Zyklus in einer Periode zwei Perioden vor der Periode geflossen ist.
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In dem dritten Modus (MODUS=„03“) wird beim Einstellen der gleichzeitigen AUS-Zeiten dA und dD und der Verzögerungszeit dE, die Betriebsänderungsfaktoren in dem ersten Zyklus in einer Periode darstellen, Bezug genommen auf die Magnitude/Größe des mittleren Erregerstromes IAVE, der erhalten wird durch Mitteln des Erregerstromes IAD, der in dem ersten Zyklus in der vorherigen Periode (in einer Periode, die eine Periode vor der Periode ist) geflossen ist, und des Erregerstromes IBC, der in dem zweiten Zyklus in der weiteren vorherigen Periode (= in einer Periode zwei Perioden vor der Periode) geflossen ist.
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Andere modifizierte Beispiele: Zusätzlich zu den obigen Ausführungsformen ist es möglich, verschiedene Modifikationen zu den verschiedenen hierin offenbarten technischen Merkmalen hinzuzufügen, ohne von der Lehre der technischen Entwicklung abzuweichen.
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Obwohl sich die obigen Ausführungsformen beispielsweise mit der Schaltertreiberschaltung 10 befasst haben, die die Vollbrückenendstufe 20 mittels des Phasenverschiebungsverfahrens steuert, ist es beliebig, das Phasenverschiebungsverfahren in der Schaltertreiberschaltung 10 zu verwenden.
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Ferner, obwohl sich die obigen Ausführungsformen mit Konfigurationen/Anordnungen befasst haben, in denen es möglich ist, beliebig zwischen den drei Betriebsmodi (dem ersten Modus (5), dem zweiten Modus (6) und dem dritten Modus ( 7)) gemäß dem Operationsmodus-Schaltsignal/Betriebsmodus-Schaltsignal MODUS zu schalten, ist der erste Modus nicht unentbehrlich, und somit ist eine Konfiguration möglich, die ein Schalten zwischen den zweiten und dritten Modi ermöglicht. Des Weiteren kann die Betriebsmodus-Schaltfunktion selbst weggelassen werden und somit ist eine Konfiguration möglich, bei der die Totzeit-Einstellungsverarbeitung in dem zweiten oder dritten Modus einzeln durchgeführt wird.
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Somit sollte daher berücksichtigt werden, dass die obigen Ausführungsformen in jeder Hinsicht Beispiele darstellen und nicht einschränkend sind, und dass der technische Umfang der vorliegenden Erfindung nicht durch die obige Beschreibung der Ausführungsformen, sondern durch die Ansprüche angegeben ist, und alle Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche und der den Ansprüchen äquivalenten Bedeutung sind abgedeckt.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die hierin offenbarte Erfindung kann in Schaltnetzteilvorrichtungen im Allgemeinen verwendet werden (insbesondere jene, die eine große elektrische Leistung erfordern, wie beispielsweise Stromversorgungen im Fahrzeug oder Stromversorgungen für industrielle Maschinen).
