DE102018102217A1 - Verfahren zur Steuerung isolierter Leistungswandler während transienter Lastbedingungen und isolierter Leistungswandler - Google Patents

Verfahren zur Steuerung isolierter Leistungswandler während transienter Lastbedingungen und isolierter Leistungswandler Download PDF

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Abstract

Ein isolierter Leistungswandler weist primärseitige Schaltvorrichtungen, die durch einen Transformator mit sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen gekoppelt sind, und eine Steuereinrichtung auf. In Antwort auf eine transiente Lastbedingung schaltet die Steuereinrichtung die primärseitigen Schaltvorrichtungen bei einer anfänglichen Schaltperiode mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus, um während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus Energie über den Transformator zu übertragen. Der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode haben die gleiche anfängliche Dauer. Die Steuereinrichtung ist ferner in der Lage, die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus während der transienten Lastbedingung für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode symmetrisch zu verringern.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft isolierte Leistungswandler und insbesondere die Steuerung isolierter Leistungswandler während transienter Lastbedingungen.
  • HINTERGRUND
  • Isolierte Brückentopologien in der Art der Halbbrücke (HB) oder Vollbrücke (FB) können mit unterschiedlichen Gleichrichterkonfigurationen gepaart werden. Die Auswahl von Gleichrichterkonfigurationen hängt von den Anforderungen des Entwurfs, einschließlich der Anforderungen an die Ausgangsspannung und den Strom, ab. Der Stromverdoppler-Gleichrichter verwendet eine einzige Sekundärwicklung, die mit zwei Induktoren gekoppelt ist, während die entsprechende Spannungsbelastung eines Vollwellengleichrichters beibehalten wird. Jeder Induktor wird einmal pro positivem oder negativem Zyklus der Schaltperiode erregt und erfordert daher symmetrische Pulse, um den Strom in beiden Zweigen des Verdopplers auszugleichen. Dementsprechend werden Stromverdoppler-Gleichrichter typischerweise nicht für die Versorgung von Systemen mit sehr dynamischen Lastbedingungen in der Art von CPU-(Zentralverarbeitungseinheit)-Anwendungen verwendet. Auch werden herkömmlicherweise Induktoren mit einem hohen Wert, häufig mit niedrigeren Sättigungsgrenzen, zum Erhalten eines hohen Wirkungsgrads verwendet, so dass das Stromungleichgewicht während (dynamischer) Lasttransienten eine Induktorsättigung hervorrufen kann.
  • Stromverdoppler-Gleichrichter sind bei Hochleistungsanwendungen mit begrenzter Lastinduktivität, wobei ein schnelles dynamisches Ansprechen keine Primärsorge ist, vorteilhaft. Bei solchen Systemen sind die zusätzlichen magnetischen Komponenten aus einer Flächen- und Kostenperspektive rechtfertigbar. Ferner braucht bei nur seltenen Lasttransienten dem Ausgleich der Induktorströme nicht Rechnung getragen werden. Bei einer Verwendung bei Anwendungen mit einer geringeren Leistungsaufnahme wie bei der Versorgung von CPU ist jedoch die Behandlung des Lasttransienten während des Ausgleichs der Induktorströme bevorzugt, um eine Sättigung eines der Induktoren zu vermeiden und gleichzeitig ein schnelleres transientes Ansprechen zu erreichen. Ein Weg, um das Stromgleichgewicht während einer transienten Lastbedingung aufrechtzuerhalten, besteht darin, das Tastverhältnis für die Primärseite während jedes Halbzyklus festzuhalten. Das transiente Ansprechen wird jedoch träge, weil die Reaktionszeit bis zu einer Schaltperiode beträgt. Dementsprechend ist eine verbesserte Steuertechnik für isolierte Leistungswandler während transienter Lastbedingungen erforderlich.
  • KURZFASSUNG
  • Es werden ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie ein isolierter Leistungswandler nach Anspruch 13 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen. Rückbezüge verschiedener Unteransprüche aufeinander, die verschiedene Möglichkeiten zur Verringerung des positiven und negativen Halbzyklus definieren, können so zu verstehen sein, dass die Möglichkeit eines Unteranspruchs ausgeführt wird, wenn eine Bedingung für die Möglichkeit eines anderen Unteranspruchs nicht erfüllt ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern eines isolierten Leistungswandlers umfasst das Verfahren Folgendes: in Antwort auf eine transiente Lastbedingung, Schalten primärseitiger Schaltvorrichtungen des isolierten Leistungswandlers bei einer anfänglichen Schaltperiode mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus, um Energie über einen Transformator des isolierten Leistungswandlers während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus zu übertragen, wobei der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode die gleiche anfängliche Dauer aufweisen, und symmetrisches Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während der transienten Lastbedingung.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines isolierten Leistungswandlers umfasst der isolierte Leistungswandler primärseitige Schaltvorrichtungen, die durch einen Transformator mit sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen gekoppelt sind, und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist in der Lage, Folgendes auszuführen: in Antwort auf eine transiente Lastbedingung, Schalten der primärseitigen Schaltvorrichtungen bei einer anfänglichen Schaltperiode mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus, um Energie während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus über den Transformator zu übertragen, wobei der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode die gleiche anfängliche Dauer aufweisen, und symmetrisches Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während der transienten Lastbedingung.
  • Fachleute werden zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und bei Betrachtung der anliegenden Zeichnung erkennen.
  • Figurenliste
  • Die Elemente der Zeichnung sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht zueinander. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen erläuterten Ausführungsformen können kombiniert werden, es sei denn, dass sie einander ausschließen. Ausführungsformen sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung detailliert dargelegt. Es zeigen:
    • 1 ein schematisches Diagramm eines Stromverdoppler-Gleichrichters,
    • 2 Wellenformen in Zusammenhang mit dem Betrieb des Stromverdoppler-Gleichrichter-Wandlers sowohl im nicht transienten als auch im transienten Modus,
    • 3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des transienten Modus,
    • 4 ein Flussdiagramm einer anderen Ausführungsform des transienten Modus,
    • 5 ein schematisches Diagramm des Stromverdoppler-Gleichrichters mit einer primärseitigen Vollbrückenkonfiguration,
    • 6 ein schematisches Diagramm eines Vollbrückenwandlers mit einem Mittenabgriffsgleichrichter und
    • 7 Wellenformen in Zusammenhang mit dem Betrieb des Vollbrückenwandlers sowohl im nicht transienten als auch im transienten Modus.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen sehen Steuertechniken für isolierte Leistungswandler in der Art von Stromverdoppler-Gleichrichtern und Vollwellengleichrichtern während transienter Lastbedingungen vor. Die hier beschriebenen Techniken gleichen die Ströme in Stromverdoppler-Gleichrichtern während transienter Lastbedingungen aus, so dass Stromverdoppler-Gleichrichter bei Anwendungen mit häufigen Lasttransienten in der Art der Versorgung von CPU mit Strom verwendet werden können. Die hier beschriebenen Techniken verhindern auch eine Transformatorkernsättigung bei isolierten Gleichspannungswandlern in der Art von Vollbrückenwandlern.
  • Während einer transienten Lastbedingung, bei der eine sofortige oder nahezu sofortige Änderung des Laststroms auftritt, werden die primärseitigen Schaltvorrichtungen des isolierten Leistungswandlers bei einer anfänglichen Schaltperiode mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus geschaltet, um Energie während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus über den Transformator des isolierten Leistungswandlers zu übertragen. Der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode haben die gleiche anfängliche Dauer. Die anfängliche Dauer kann als Funktion des Betrags der transienten Lastbedingung ausgewählt werden. Gemäß einigen Ausführungsformen werden unterschiedlichen Typen transienter Lastbedingungen unterschiedliche anfängliche Dauern zugewiesen. Auf diese Weise kann die anfängliche Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus auf der Grundlage des Typs der transienten Lastbedingung optimiert werden. Die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus wird dann während der transienten Lastbedingung für wenigstens eine anschließende Schaltperiode symmetrisch verringert, um Ströme in einem Stromverdoppler-Gleichrichter auszugleichen oder eine Transformatorkernsättigung in einem Vollbrückenwandler zu verhindern. Eine nichtlineare Steuerung kann Strom- oder Ladungsinformationen für die Sekundärseite verwenden, um die Schaltsequenz der primärseitigen Schaltvorrichtungen einzustellen und dadurch Lasttransienten so schnell wie möglich zu behandeln, während gleichzeitig das Stromungleichgewicht begrenzt wird. Im Fall von Vollbrückenwandlern wird eine Transformatorkernsättigung vermieden.
  • Verschiedene Ausführungsformen isolierter Leistungswandler und Steuerverfahren für isolierte Leistungswandler werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und den zugeordneten Figuren bereitgestellt. Die beschriebenen Ausführungsformen stellen die Zwecke der Erklärung spezieller Beispiele bereit und sind nicht als einschränkend zu verstehen. Merkmale und Aspekte der als Beispiel dienenden Ausführungsformen können kombiniert oder umgeordnet werden, es sei denn, dass der Zusammenhang dies nicht erlaubt.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines isolierten Leistungswandlers 100, innerhalb dessen die hier beschriebenen Steuertechniken implementiert werden können. Der isolierte Leistungswandler 100 hat eine Primärseite, welche primärseitige Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 in einer Halbbrückenkonfiguration aufweist, eine Sekundärseite, welche sekundärseitige Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 aufweist, einen Transformator 102, der die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 mit den sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 koppelt, und eine Steuereinrichtung 104 zum Steuern des Betriebs des Wandlers 100. Gemäß dieser Ausführungsform sind die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 als ein Stromverdoppler-Gleichrichter mit zwei Ausgangsinduktorwicklungen LO1, LO2, die mit dem Transformator 102 gekoppelt sind, konfiguriert.
  • Die hier beschriebenen transienten Ansprechtechniken steuern das Schalten der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und steuern indirekt die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2, während die Steuersignale der sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen als Funktion der Steuersignale der primärseitigen Schaltvorrichtungen erzeugt werden. Die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 sind in 1 als Transistorschaltvorrichtungen dargestellt, sie können jedoch stattdessen als Dioden implementiert werden, die keine Synchrone-Gleichrichtung(SR)-Steuersignale aufweisen. Falls die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 als Transistorschaltvorrichtungen implementiert sind, folgt die Steuerung der sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 den Schaltern auf der Primärseite.
  • Bei beiden Konfigurationen stellt eine Eingangsversorgungsquelle Vein dem isolierten Leistungswandler 100 Strom bereit und führt der Wandler 100 einer Last, die allgemein als ein Widerstand RL repräsentiert ist, Ausgangsleistung zu. Die Eingangsversorgungsquelle Vein ist auf der Primärseite des Wandlers 100 bereitgestellt, welcher sie unter Verwendung der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 mit dem Transformator 102 koppelt. Jede der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 weist innerhalb einer Treiberstufe einen zugeordneten Treiber auf. Die Treiberstufe und die entsprechende Treiberschaltungsanordnung sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt, und es kann eine beliebige Standardtreiberstufe/-schaltungsanordnung verwendet werden. Die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 sind in 1 in einer Halbbrückenkonfiguration orientiert.
  • Die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 sind in 1 als Anreicherungsmodus-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) dargestellt, es können jedoch auch andere Schaltertypen verwendet werden. Beispielsweise können bei einigen Anwendungen Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET), Bipolar-Sperrschichttransistoren (BJT), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT), Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) oder andere Typen von Leistungstransistoren bevorzugt sein. Die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 können auf demselben Halbleiter-Die integriert sein, auf getrennten Dies bereitgestellt sein oder auf andere Weise über mehrere Halbleiter-Dies verteilt sein. Die entsprechende Treiberschaltungsanordnung (nicht dargestellt) kann auf demselben Halbleiter-Die (auf denselben Halbleiter-Dies) wie ihre entsprechenden primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 integriert sein oder als getrennte Dies bereitgestellt sein.
  • Der Transformator 102 hat eine Primärwicklung P mit N1 Windungen, eine Sekundärwicklung S mit N2 Windungen und einen Kern 106. Der Transformator 102 aus 1 hat auch eine Streuinduktivität, welche keine getrennte Komponente ist, sondern eine Streuinduktivität modelliert, die nicht in den Wicklungen P, S enthalten ist. Unter der Annahme, dass die Wirkung der Streuinduktivität unbedeutend ist, bestimmt das Verhältnis N1/N2 das Verhältnis zwischen der gleichgerichteten Spannung Vgleich und der Eingangsspannung VAB des Transformators 102.
  • Die Arbeitsweise des isolierten Leistungswandlers 100 wird als nächstes in weiteren Einzelheiten sowohl während nicht transienter als auch während transienter Lastbedingungen beschrieben. Eine nicht transiente Lastbedingung bedeutet, dass der Laststrom iL verhältnismäßig unverändert bleibt, während eine transiente Lastbedingung bedeutet, dass eine sofortige oder nahezu sofortige Änderung des Laststroms aufgetreten ist. Die Steuereinrichtung 104 ist dafür eingerichtet, sowohl in einem nicht transienten Modus, während dessen der Laststrom verhältnismäßig unverändert bleibt, als auch in einem transienten Modus, während dessen sofortige oder nahezu sofortige Änderungen des Laststroms auftreten, zu arbeiten.
  • Im Allgemeinen ist die Steuereinrichtung 104 dafür verantwortlich, die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 (falls als Transistoren implementiert) zu steuern, um der Last eine notwendige Leistung (Spannung VO und Strom IL) zuzuführen. Dies umfasst das Erzeugen von PWM-Wellenformen, welche die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und auch die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 (falls als Transistoren implementiert) steuern. Die PWM-Wellenformen, welche die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 (falls als Transistoren implementiert) steuern, werden erzeugt, um zu gewährleisten, dass der Last eine angemessene Leistung zugeführt wird, wobei diese Erzeugung typischerweise auf der Ausgangsspannung VO und/oder dem Laststrom IL beruht. Es werden herkömmliche Techniken verwendet, um auf der Grundlage von Lastanforderungen Grundlinien-PWM-Wellenformen zu erzeugen.
  • Beispielsweise kann eine Proportional-Integral-und-Differential(PID)-Steuereinrichtung 108, die in der Hauptsteuereinrichtung 104 enthalten ist oder dieser zugeordnet ist, die Ausgangsspannung VO, eine Referenzspannung Vref und die Ausgabe der Standard-AVP-(adaptive Spannungspositionierung)-Einheit 109 verwenden, um das Tastverhältnis adaptiv festzulegen. Ein digitaler Pulsbreitenmodulator (DPWM) 110 kann die von der PID-Steuereinrichtung 108 bereitgestellten Tastverhältnisinformationen verwenden, um die PWM-Wellenformen zu erzeugen, welche das Schalten der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und der sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 (falls als Transistoren implementiert) steuern. Weil diese Techniken wohlbekannt sind, werden sie hier nicht weiter beschrieben. Stattdessen konzentriert sich die folgende Beschreibung auf Techniken zur Modifikation der PWM-Wellenformen, um ein Stromgleichgewicht in den Ausgangsinduktorwicklungen LO1, LO2 des sekundärseitigen Stromverdoppler-Gleichrichters während transienter Lastbedingungen bereitzustellen. Zu diesem Zweck implementieren eine Transientensteuereinheit 112 und eine Überwachungseinheit 114, die in der Hauptsteuereinrichtung 104 enthalten sind oder dieser zugeordnet sind, die hier beschriebenen transienten Steuertechniken.
  • Die Steuereinrichtung 104 und ihre Bestandteile können unter Verwendung einer Kombination analoger Hardwarekomponenten (in der Art von Transistoren, Verstärkern, Dioden und Widerständen) und einer Prozessorschaltungsanordnung, die in erster Linie digitale Komponenten aufweist, implementiert werden. Die Prozessorschaltungsanordnung kann einen oder mehrere von einem digitalen Signalprozessor (DSP), einem Prozessor für allgemeine Zwecke und einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) aufweisen. Die Steuereinrichtung 104 kann auch einen Speicher, beispielsweise einen nichtflüchtigen Speicher in der Art eines Flash-Speichers, der Befehle oder Daten zur Verwendung durch die Prozessorschaltungsanordnung aufweist, und einen oder mehrere Zeitgeber aufweisen. In die Steuereinrichtung 104 werden Sensorsignale in der Art von Signalen, die Vo und IL entsprechen, eingegeben.
  • Der detaillierte Betrieb des isolierten Leistungswandlers 100 wird als nächstes mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 zeigt verschiedene Wellenformen in Zusammenhang mit dem Betrieb des isolierten Leistungswandlers 100 sowohl im nicht transienten als auch im transienten Modus. Diese Wellenformen umfassen die Spannung VAB über die Primärwicklung P des Transformators 102, Ströme ILo1, ILo2 in jeweiligen Ausgangsinduktorwicklungen LO1, LO2 des Stromverdoppler-Gleichrichters, den Gesamtstrom Io,tot, welcher vom isolierten Leistungswandler 100 der Last zugeführt wird (Io,tot = ILo1 + ILo2), und die Spannung VO am Ausgangskondensator Co des isolierten Leistungswandlers 100. 2 zeigt auch eine transiente Lastbedingung, wobei sich der Laststrom iL von einem ersten (niedrigeren) Zielwert iL1 zu einem zweiten (höheren) Zielwert iL2 ändert. Während dieses Übergangs im Zielstrom arbeitet die Steuereinrichtung 104 im transienten Modus, worin die Transientensteuereinheit 112 und die Überwachungseinheit 114 das Schalten der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und der sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 steuern. Vor und nach dem Übergang arbeitet die Steuereinrichtung 104 im nicht transienten Modus, in dem die PID-Steuereinrichtung 108 und der DPWM 110 das Schalten der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und der sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 steuern.
  • Nicht transienter Modus
  • Während eines Energieübertragungsintervalls innerhalb eines positiven Halbzyklus der Eingangsversorgungsquelle Vein leitet die primärseitige Schaltvorrichtung Q1 über ein entsprechendes PWM-Signal, wodurch eine positive Spannung +VAB über die Primärwicklung P des Transformators 102 erzeugt wird. Während eines Energieübertragungsintervalls innerhalb eines negativen Halbzyklus der Eingangsversorgungsquelle Vein leitet die primärseitige Schaltvorrichtung Q2 über ein entsprechendes PWM-Signal, wodurch eine negative Spannung -VAB über die Primärwicklung P des Transformators 102 bereitgestellt wird. Energiezirkulationsintervalle treten zwischen aufeinander folgenden Energieübertragungsintervallen auf. Für die PWM-Steuerung tritt während der Energiezirkulationsintervalle, in denen keine der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 leitet und keine Spannung über die Primärwicklung P des Transformators 102 bereitgestellt wird, eine so genannte Totzeit auf. Während Energiezirkulationsintervallen unter der PWM-Steuerung fließt in der Primärseite kein Strom, und dieser fließt nur in der Sekundärseite. Die Einzelheiten des Betriebs des isolierten Leistungswandlers 100 werden hier aus Gründen der Leichtigkeit und Einfachheit der Erklärung in Zusammenhang mit der PWM-Steuerung beschrieben. Fachleute werden jedoch leicht verstehen, dass die hier beschriebenen Techniken gleichermaßen für die PSM-Steuerung gelten.
  • Bei einem standardmäßigen PWM-basierten Ansatz schaltet die Steuereinrichtung 104 die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 bei einer festen (konstanten) ersten Schaltperiode TS1 und einem variablen Tastverhältnis D während nicht transienter Lastbedingungen, um während erster Energieübertragungsintervalle (nicht transienter Modus), die durch Energiezirkulationsintervalle getrennt sind, Energie über den Transformator 102 zu übertragen. Die PID-Steuereinrichtung 108 legt das variable Tastverhältnis so fest, dass das Verhältnis zwischen jedem Energieübertragungsintervall TEnergieTx und der festen Schaltperiode TS1 kleiner als eins ist, d.h. TEnergieTx/TS1 < 1. Dementsprechend ist, wie in 2 dargestellt ist, eine breite Totzeit zwischen Energieübertragungsintervallen bereitgestellt, um zu ermöglichen, dass die Steuereinrichtung 104 auf eine transiente Lastbedingung reagiert.
  • Transienter Modus
  • Während einer transienten Lastbedingung schaltet die Steuereinrichtung 104 die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 des Stromverdoppler-Gleichrichters bei einer zweiten (transienter Modus) anfänglichen Schaltperiode TS2_int, die von der ersten (nicht transienter Modus) Schaltperiode TS1 verschieden ist, um Energie während zweiter (transienter Modus) Energieübertragungsintervalle, die jeweils eine anfängliche Dauer THC,max aufweisen, über den Transformator 102 zu übertragen, so dass jedes Energiezirkulationsintervall, das die Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle trennt, kürzer ist als die Energiezirkulationsintervalle, welche die Nicht-Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle trennen. Jede Schaltperiode im transienten Modus hat zwei Energieübertragungsintervalle, wobei eines ein positiver Halbzyklus der Schaltperiode ist (wenn Q1 eingeschaltet ist und Q2 ausgeschaltet ist) und eines ein negativer Halbzyklus der Schaltperiode ist (wenn Q2 eingeschaltet ist und Q1 ausgeschaltet ist). Energie wird während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus jeder Schaltperiode über den Transformator 102 des isolierten Leistungswandlers 100 zum Stromverdoppler-Gleichrichter übertragen.
  • Die anfängliche Transienter-Modus-Schaltperiode TS2_int kann größer oder kleiner als die Nicht-Transienter-Modus-Schaltperiode TS1 sein. Falls die anfängliche Transienter-Modus-Schaltperiode TS2_int kleiner als die Nicht-Transienter-Modus-Schaltperiode TS1 ist, werden die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 im transienten Modus mit einer höheren Schaltfrequenz geschaltet als im nicht transienten Modus.
  • Die Steuereinrichtung 104 kann eine transiente Lastbedingung beispielsweise auf der Grundlage von VO und/oder IL erkennen. In Antwort auf eine transiente Lastbedingung bestimmt die Transientensteuereinheit 112 die anfängliche Transienter-Modus-Schaltperiode TS2_int auf der Grundlage der anfänglichen Dauer THC,max der Energieübertragungsintervalle, d.h. des positiven und negativen Halbzyklus im transienten Modus, welche der Breite der Einschaltzeitpulse entsprechen, welche an die primärseitigen Halbbrücken-Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 angelegt werden. In einigen Fällen kann die anfängliche Dauer THC,max des positiven und negativen Halbzyklus für die anfängliche Schaltperiode TS2_int im transienten Modus für alle transienten Lastbedingungen gleich sein. In anderen Fällen kann die anfängliche Dauer THC,max des positiven und negativen Halbzyklus für die anfängliche Schaltperiode TS2_int im transienten Modus als Funktion des Betrags der transienten Lastbedingung bestimmt werden. Auf diese Weise können unterschiedliche THC,max-Werte unterschiedlichen Typen transienter Lastbedingungen zugewiesen werden. Die Steuereinrichtung 104 kann den Typ der transienten Lastbedingung beispielsweise auf der Grundlage von VO und/oder IL bestimmen, und die Transientensteuereinheit 112 kann den entsprechenden THC,max-Wert auswählen, welcher dem positiven und negativen Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode TS2_int im transienten Modus zugewiesen wird.
  • Im transienten Modus stellt die Transientensteuereinheit 112 die primärseitige PWM-Sequenz ein, um ein schnelles transientes Ansprechen zu erhalten, während die Ströme ILo1, ILo2 in den jeweiligen Ausgangsinduktorwicklungen LO1, LO2 des Stromverdoppler-Gleichrichters ausgeglichen werden. In Antwort auf eine transiente Lastbedingung schaltet die Transientensteuereinheit 112 die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 der Halbbrücke sowie die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 des Stromverdoppler-Gleichrichters bei einer anfänglichen Schaltperiode TS2_int mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus, um Energie während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus über den Transformator 102 zu übertragen. Die Transientensteuereinheit 112 gewährleistet den positiven Halbzyklus und den negativen Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode TS2_int mit der gleichen anfänglichen Dauer THC,max.
  • Die Transientensteuereinheit 112 verringert dann symmetrisch die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während der transienten Lastbedingung. In 2 ist die neue Dauer des positiven und des negativen Halbzyklus für jede nachfolgende Schaltperiode nach der anfänglichen Schaltperiode TS2_int mit THC,adj markiert. Auch tritt in 2 nach der anfänglichen Schaltperiode TS2_int nur eine vollständige Schaltperiode auf, bevor der Ausgangsstrom Io,tot des isolierten Leistungswandlers 100 eine Spitzenstromgrenze Ipk erreicht. Wenn die Spitzenstromgrenze Ipk erreicht wird oder erwartet wird, dass sie erreicht wird, beendet die Transientensteuereinheit 112 entweder den vorliegenden PWM-Puls (beispielsweise den letzten Puls Q1 im transienten Modus in 2) oder ermöglicht, dass der vorliegende PWM-Puls vor dem Anhalten der PWM-Sequenz abgeschlossen wird. Bei einer weiteren Ausführungsform wird, falls die restliche Zeit (bevor Ipk erreicht wird) kürzer ist als das Zweifache der anfänglichen Dauer THC,max oder kürzer als das Doppelte der anfänglichen Dauer THC,max plus dem Zweifachen der minimalen Dauer THC,min, die restliche Zeit für jeden Halbzyklus gleichmäßig unterteilt. Die sich ergebende Halbzyklusdauer ist kürzer als der anfängliche berechnete Wert, kann jedoch im zweiten Szenario größer als der minimale Wert THC,min sein. In jedem Fall bleibt die PWM-Sequenz angehalten, sobald Ipk erreicht wurde, wobei die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 ausgeschaltet sind und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 ein- oder ausgeschaltet sind, bis der Ausgangsstrom Io,tot des isolierten Leistungswandlers 100 auf den neuen Zielwert iL2 abfällt, wobei nach diesem Punkt die Überwachungseinheits-Steuereinrichtung 114 der PID-Steuereinrichtung 108 und dem DPWM 110 erlaubt, das primärseitige Schalten im nicht transienten Modus wiederaufzunehmen, wie hier zuvor erklärt wurde.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform der Steuertechnik des transienten Modus. Die Steuereinrichtung 104 tritt in Antwort auf das Erkennen einer transienten Lastbedingung, beispielsweise auf der Grundlage von VO und/oder IL, in den transienten Modus ein (Block 200). Die Transientensteuereinheit 112 schaltet die primärseitigen Halbbrücken-Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 des Stromverdoppler-Gleichrichters bei einer anfänglichen Schaltperiode TS2_int mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus, um während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus Energie über den Transformator 102 zu übertragen (Block 202). Der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode TS2_int haben dieselbe anfängliche Dauer THC,max. Die Transientensteuereinheit 112 bestimmt, ob erwartet wird, dass der vom isolierten Leistungswandler 100 zugeführte Gesamtstrom Io,tot in weniger als dem Doppelten der anfänglichen Dauer während der nächsten Schaltperiode eine Spitzenstromgrenze Ipk erreicht (Block 204). Der isolierte Leistungswandler 100 weist ADC (Analog-Digital-Wandler) 116, 118, 120 zum Messen der Induktorströme iLo1, iLo2 und des vom isolierten Leistungswandler 100 zugeführten Gesamtstroms Io,tot auf, um es der Transientensteuereinheit 112 zu ermöglichen, diese Bestimmung zu machen. Die Transientensteuereinheit 112 kann die bis zur Spitzenstromgrenze Ipk verbleibende Zeit auf der Grundlage der Strommessungen, auf der Grundlage des neuen Ziellaststroms iL2, auf der Grundlage der berechneten gespeicherten Ladung im Kondensator Co usw. berechnen.
  • Falls die Transientensteuereinheit 112 bestimmt, dass erwartet wird, dass der vom isolierten Leistungswandler 100 zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk in weniger als dem Zweifachen der dem positiven und dem negativen Halbzyklus zugewiesenen anfänglichen Dauer THC,max während der nächsten Schaltperiode erreicht, verringert die Transientensteuereinheit 112 die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für die nachfolgende Schaltperiode auf dieselbe minimale Dauer THC,min, die für den positiven Halbzyklus und den negativen Halbzyklus bestimmt wurde (Block 206). Demgemäß verringert die Transientensteuereinheit 112 gemäß dieser Ausführungsform die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus vom maximalen Anfangswert THC,max in einem einzigen Schritt auf den minimalen zugewiesenen Wert THC,min.
  • Der minimale zugewiesene Wert THC,min wird so ausgewählt, dass der letzte im transienten Modus angelegte Puls schmal genug ist (kleiner als HC,max), damit der letzte Puls kein zu starkes Ungleichgewicht erzeugt. Der transiente Modus beginnt nicht bei THC,min, weil die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 in diesem Fall zu Beginn der transienten Lastbedingung mit einer viel höheren Frequenz geschaltet werden würden, wodurch Schaltverluste des Systems erhöht werden würden. Die Auswahl von THC,min und des Übergangs zu THC,min ist ein Kompromiss zwischen Schaltverlusten und dem Stromungleichgewicht und hängt von den Anforderungen ab, die dem System auferlegt sind, in dem die Steuertechnik des transienten Modus verwendet wird.
  • In einigen Fällen kann die Änderung zu THC,min auftreten, bevor die Bedingung in Block 204 erfüllt ist, und es kann mehr als eine vollständige Schaltperiode abgeschlossen werden, bevor der vom Stromverdoppler-Gleichrichter zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk erreicht. In diesen Fällen behält die Transientensteuereinheit 112 die minimale Dauer THC,min des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für jede nachfolgende Schaltperiode bei, während der vom isolierten Leistungswandler 100 zugeführte Gesamtstrom Io,tot während der transienten Lastbedingung weiter rampenförmig zu Ipk erhöht wird.
  • 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Steuertechnik des transienten Modus. Die Steuereinrichtung 104 tritt in Antwort auf das Erkennen einer transienten Lastbedingung, beispielsweise auf der Grundlage von Vo und/oder IL, in den transienten Modus ein (Block 300). Die Transientensteuereinheit 112 schaltet die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2 und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 des Stromverdoppler-Gleichrichters bei einer anfänglichen Schaltperiode TS2_int mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus, um während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus Energie über den Transformator 102 zu übertragen (Block 302). Der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode TS2_int haben dieselbe anfängliche Dauer THC,max. Die Transientensteuereinheit 112 bestimmt, ob erwartet wird, dass der vom isolierten Leistungswandler 100 zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk in weniger als dem Zweifachen der anfänglichen Dauer während der nächsten Schaltperiode erreicht, beispielsweise wie in Zusammenhang mit 3 beschrieben (Block 304).
  • Falls die Transientensteuereinheit 112 bestimmt, dass erwartet wird, dass der vom Stromverdoppler-Gleichrichter zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk in weniger als der dem positiven und dem negativen Halbzyklus zugewiesenen anfänglichen Dauer THC,max während der nächsten Schaltperiode erreicht, verringert die Transientensteuereinheit 112 die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für die nächste Schaltperiode um die Hälfte auf THc,max/2 (Block 306). In diesem Fall sind mehrere Szenarios möglich. Der positive Halbzyklus (Q1) kann vor THC,max/2 enden, der positive Halbzyklus (Q1) kann abgeschlossen werden, es gibt jedoch keinen negativen Halbzyklus (Q2), oder der positive Halbzyklus (Q1) kann abgeschlossen werden, der negative Halbzyklus (Q2) endet jedoch vor THC,max/2.
  • Falls die Transientensteuereinheit 112 jedoch bestimmt, dass nicht erwartet wird, dass der vom isolierten Leistungswandler 100 zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk in weniger als der dem positiven und dem negativen Halbzyklus zugewiesenen anfänglichen Dauer THC,max während der nächsten Schaltperiode erreicht, verringert die Transientensteuereinheit 112 die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für die nächste Schaltperiode um die Hälfte, d.h. THC,max/2, und schließt eine vollständige Schaltperiode ab (Block 308). Nach dieser Schaltperiode bestimmt die Transientensteuereinheit 112, ob erwartet wird, dass der vom isolierten Leistungswandler 100 zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk in weniger als THc,max/2 erreicht (Block 310).
  • Falls die Transientensteuereinheit 112 dann bestimmt, dass erwartet wird, dass der vom Stromverdoppler-Gleichrichter zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk in weniger als THc,max/2 erreicht, verringert die Transientensteuereinheit 112 die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für die nächste Schaltperiode wieder um die Hälfte auf THC,max/4 (Block 312). In diesem Fall sind wieder die gleichen Szenarios möglich, die vorstehend beschrieben wurden. Der positive Halbzyklus (Q1) kann vor THC,max/4 enden, der positive Halbzyklus (Q1) kann abgeschlossen werden, es gibt jedoch keinen negativen Halbzyklus (Q2), oder der positive Halbzyklus (Q1) kann abgeschlossen werden, der negative Halbzyklus (Q2) endet jedoch vor THC,max/4.
  • Falls die Transientensteuereinheit 112 jedoch bestimmt, dass nicht erwartet wird, dass der vom Stromverdoppler-Gleichrichter zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk in weniger als THC,max/2 während der nächsten Schaltperiode erreicht, verringert die Transientensteuereinheit 112 wiederum die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für die nächste Schaltperiode um die Hälfte auf THC,max/4 und schließt eine vollständige Schaltperiode ab (Block 316). Der Prozess des Verringerns der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für eine nachfolgende Schaltperiode wird fortgesetzt, bis die Dauer eine minimale für den positiven Halbzyklus und den negativen Halbzyklus bestimmte Dauer THC,min erreicht oder bis der vom isolierten Leistungswandler 100 zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk erreicht.
  • Falls die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus auf THC,min verringert werden würde, jedoch nicht erwartet wird, dass der vom Stromverdoppler zugeführte Gesamtstrom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk für wenigstens eine weitere abgeschlossene Schaltperiode erreicht, würde die Transientensteuereinheit 112 die minimale Dauer THC,min des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für jede nachfolgende Schaltperiode beibehalten, während der Gesamtstrom Io,tot während der transienten Lastbedingung weiter rampenförmig gegen Ipk erhöht wird. Im Allgemeinen kann die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus in jedem nachfolgenden Schaltzyklus im transienten Modus symmetrisch um denselben Betrag verringert werden. Der Betrag kann irgendein von einer Verringerung um 50 % verschiedener Wert sein. Beispielsweise kann der Wandler bei einer Pulsdauer arbeiten, die länger als die minimale Dauer ist, und dann die restliche Zeit unterteilen. Bei einem spezifischen nicht einschränkenden Beispiel kann der Wandler bei ½ THC,max arbeiten und beträgt ¼ THC,max THC,min. Die Entsprechung der 1/3-Dauer bleibt jedoch bestehen, bevor Io,tot Ipk erreicht, so dass der Wandler für die nächste Schaltperiode eine symmetrische positive und negative Halbzyklusdauer von 1/3 THC,max verwendet.
  • Bei vielen hier beschriebenen Ausführungsformen soll die Verringerung der positiven und negativen Halbzyklen auf der Grundlage von Zeitkriterien mögliche Implementationsbeispiele erläutern. Die Verringerung kann jedoch autonom und unabhängig von der Zeit geschehen, ohne dass dabei Vorteile verloren gehen. Beispielsweise kann die Transientensteuereinheit 112 in den transienten Modus eintreten und die primärseitigen und sekundärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q2, SR1 - SR2 mit einer Schaltperiode von TS2_int schalten. Nach einer abgeschlossenen Schaltperiode werden der positive und der negative Halbzyklus symmetrisch verringert, so dass sich eine neue Schaltperiode TS2b ergibt, wobei TS2b kleiner als TS2_int ist. Nach einer abgeschlossenen Schaltperiode mit der Dauer TS2b werden der positive und der negative Halbzyklus wiederum symmetrisch verringert, so dass sich eine neue Schaltperiode TS2c ergibt, wobei TS2c kleiner als TS2b ist. Nach einer abgeschlossenen Schaltperiode mit der Dauer TS2c werden der positive und der negative Halbzyklus wiederum symmetrisch verringert. Dieser Prozess der symmetrischen Halbzyklusverringerung wird fortgesetzt, bis der Strom Io,tot des isolierten Leistungswandlers 100 eine Spitzenstromgrenze Ipk erreicht oder bis die Dauer jedes Halbzyklus ihren minimalen Wert THC,min erreicht. Es gibt dann bei dieser Ausführungsform drei mögliche Operationsszenarios. Der Strom des isolierten Leistungswandlers 100 kann die Spitzenstromgrenze Ipk erreichen, bevor der positive und der negative Halbzyklus auf den Minimalwert von THC,min verringert wurden. Der Strom Io,tot des isolierten Leistungswandlers 100 kann die Spitzenstromgrenze Ipk nach einer abgeschlossenen Schaltperiode erreichen, wobei die Dauer des positiven und des negativen Halbzyklus gleich THC,min ist. Die Dauer des positiven und des negativen Halbzyklus kann symmetrisch auf den Minimalwert von THC,min abnehmen, bevor der Strom Io,tot des isolierten Leistungswandlers 100 die Spitzenstromgrenze Ipk erreicht. In diesem Fall arbeitet der isolierte Leistungswandler 100 mit positiven und negativen Halbzyklen mit der Dauer THC,min, bis der Strom Io,tot die Spitzenstromgrenze Ipk erreicht.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Steuertechnik des transienten Modus verringert die Transientensteuereinheit 112 symmetrisch die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während einer transienten Lastbedingung durch Vergleichen eines gemessenen Spannungsparameters des isolierten Leistungswandlers 100 mit gespeicherten Werten, die verschiedenen Schaltperiodendauern zugeordnet sind, und Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus auf die Schaltperiodendauer, die dem gespeicherten Wert zugeordnet ist, welcher am besten mit dem gemessenen Spannungsparameter übereinstimmt. Beispielsweise kann eine Nachschlagetabelle von Delta-Vo-Werten, Spannungshubwerten, minimalen Spannungswerten usw. für die Transientensteuereinheit 112 zugänglich sein. Andernfalls kann ein Benutzer eine Spannungsschwelle eingeben, welche den Eintritt in den transienten Betriebsmodus rechtfertigt. In jedem Fall kann die Transientensteuereinheit 112 auf der Grundlage eines Spannungsparameters entscheiden, wann die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus symmetrisch zu verringern ist, so dass für eine vollständige Schaltperiode genügend Zeit bereitgestellt wird, so dass die Transientensteuereinheit 112 genügend Zeit hat, um die Berechnungen auszuführen, die verwendet werden, um anzugeben, wie viele weitere maximale Halbzyklen THC,max verbleiben, bevor die Pulsbreite zurückskaliert werden sollte, um den gewünschten Betrag des Stromausgleichs zu gewährleisten.
  • Der Übergang von der transienten Steuerung zur PWM kann problematisch sein, falls der PWM-Puls auf die Phase angewendet wird, welche den höheren Strom aufweist. Dies kann ein sogar noch höheres Ungleichgewicht hervorrufen und zur Sättigung führen. Gemäß einer Ausführungsform kann ein Stromausgleichspuls mit einer Dauer TIbal eingefügt werden. Der Stromausgleichspuls wird auf den Halbzyklus mit dem niedrigsten Induktorstrom angewendet. Nach dem Stromausgleichspuls nimmt die PID 108 den Gleichgewichtszustandsbetrieb wieder auf. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird der Stromausgleichspuls nicht angewendet und wird stattdessen der erste PWM-Puls direkt auf den Halbzyklus mit dem niedrigeren Strom angewendet.
  • Die vorstehend beschriebenen Steuertechniken des transienten Modus können auf Vollbrückenwandler mit Stromverdoppler-Gleichrichtern erweitert werden. Ein als Beispiel dienender Vollbrückenwandler mit einem Stromverdoppler-Gleichrichter 400 ist in 5 dargestellt. In 5 weist die Primärseite vier Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 auf. Die vorstehend beschriebenen Steuertechniken des transienten Modus sind direkt auf die in 5 dargestellte Vollbrückentopologie anwendbar, indem der Vollbrücken-Schaltvorgang für die Halbbrückensteuerung eingesetzt wird. Dies bedeutet, dass während eines Energieübertragungsintervalls innerhalb eines positiven Halbzyklus der Eingangsversorgungsquelle Vein die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 über jeweilige PWM-Signale leitend sind, wodurch eine positive Spannung +VAB über die Primärwicklung P des Transformators 102 erzeugt wird. Während eines Energieübertragungsintervalls innerhalb eines negativen Halbzyklus der Eingangsversorgungsquelle Vein sind die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 über jeweilige PWM-Signale leitend, wodurch eine negative Spannung -VAB über die Primärwicklung P des Transformators 102 bereitgestellt wird. Ansonsten ist der Betrieb der in den 1 und 5 dargestellten isolierten Leistungswandler 100, 400 der gleiche. Bei diesen Systemen wird die anfängliche Dauer THC,max des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für die erste Schaltperiode im transienten Modus ausgewählt, um eine Sättigung des Transformatorkerns zu vermeiden. Die vorstehend beschriebenen Steuertechniken des transienten Modus können auch auf andere Gleichrichtertopologien erweitert werden.
  • 6 zeigt eine Ausführungsform eines Vollbrückenwandlers mit einem Vollwellengleichrichter 500, innerhalb dessen die hier beschriebenen Steuertechniken implementiert werden können. Der dargestellte Vollwellengleichrichter 500 hat eine Mittenabgriffskonfiguration, die hier beschriebenen Techniken gelten jedoch auch für andere Gleichrichtertopologien, welche die gleichen Signale verwenden wie die Mittenabgriffskonfiguration, einschließlich einer Vollbrückenkonfiguration. Der Vollbrückenwandler mit dem Vollwellengleichrichter 500 hat eine Primärseite, die primärseitige Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 aufweist, eine Sekundärseite, die sekundärseitige Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 aufweist, einen Transformator 502, der die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 mit den sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 koppelt, und eine Steuereinrichtung 504 zum Steuern des Betriebs des Vollwellengleichrichters 500.
  • Die hier beschriebenen Steuertechniken des transienten Modus steuern das Schalten der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 und indirekt die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2, weil die Steuersignale für die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen als Funktion der Steuersignale für die primärseitigen Schaltvorrichtungen erzeugt werden. Die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 sind in 1 als Transistorschaltvorrichtungen dargestellt, sie können jedoch stattdessen auch als Dioden implementiert werden, die keine Synchrone-Gleichrichtung(SR)-Steuersignale aufweisen. Falls die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 als Transistorschaltvorrichtungen implementiert werden, folgen die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 den entsprechenden Schaltern auf der Primärseite.
  • Bei beiden Konfigurationen stellt eine Eingangsversorgungsquelle Vein dem Vollwellengleichrichter 500 Leistung bereit und führt der Vollwellengleichrichter 500 einer Last, die allgemein als ein Widerstand RL repräsentiert ist, Ausgangsleistung zu. Die Eingangsversorgungsquelle Vein ist auf der Primärseite des Vollwellengleichrichters 500 bereitgestellt, welcher sie unter Verwendung der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 mit dem Transformator 502 koppelt. Jede der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 weist innerhalb einer Treiberstufe einen zugeordneten Treiber auf. Die Treiberstufe und die entsprechende Treiberschaltungsanordnung sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt, und es kann eine beliebige Standardtreiberstufe/-schaltungsanordnung verwendet werden. Die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 sind in 6 in einer Vollbrückenkonfiguration orientiert.
  • Die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 sind in 6 als Anreicherungsmodus-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) dargestellt, es können jedoch auch andere Schaltertypen verwendet werden. Beispielsweise können bei einigen Anwendungen Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET), Bipolar-Sperrschichttransistoren (BJT), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT), Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) oder andere Typen von Leistungstransistoren bevorzugt sein. Die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 können auf demselben Halbleiter-Die integriert sein, auf getrennten Dies bereitgestellt sein oder auf andere Weise über mehrere Halbleiter-Dies verteilt sein. Die entsprechende Treiberschaltungsanordnung (nicht dargestellt) kann auf demselben Halbleiter-Die (auf denselben Halbleiter-Dies) wie ihre entsprechenden primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 integriert sein oder als getrennte Dies bereitgestellt sein.
  • Der Transformator 502 hat eine Primärwicklung P mit N1 Windungen, Sekundärwicklungen S1, S2 mit jeweils N2 Windungen und einen Kern 506. Der Transformator 502 aus 6 weist auch eine Streuinduktivität auf, die keine getrennte Komponente ist, sondern eine Streuinduktivität modelliert, die nicht in den Wicklungen P, S1, S2 enthalten ist. Die Sekundärwicklungen S1, S2 sind an einem Mittenabgriff in 6 verbunden. Ein gleichgerichteter Spannungsknoten ist mit diesem Mittenabgriff gekoppelt. Unter der Annahme, dass die Wirkung der Streuinduktivität unbedeutend ist, bestimmt das Verhältnis N1/N2 das Verhältnis zwischen der gleichgerichteten Spannung Vgleich und der Eingangsspannung VAB des Transformators 502.
  • Der Betrieb des Vollwellengleichrichters 500 wird als nächstes in weiteren Einzelheiten sowohl während nicht transienter als auch transienter Lastbedingungen beschrieben. Die Steuereinrichtung 504 ist dafür eingerichtet, sowohl in einem nicht transienten Modus, während dessen der Laststrom verhältnismäßig unverändert bleibt, als auch in einem transienten Modus, während dessen sofortige oder nahezu sofortige Änderungen des Laststroms auftreten, zu arbeiten.
  • Im Allgemeinen ist die Steuereinrichtung 504 dafür verantwortlich, die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 und SR2 (falls als Transistoren implementiert) zu steuern, um der Last eine notwendige Leistung (Spannung VO und Strom IL) zuzuführen. Dies umfasst das Erzeugen von PWM-Wellenformen, welche die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 und auch die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 und SR2 (falls als Transistoren implementiert) steuern. Die PWM-Wellenformen, welche die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 und SR2 (falls als Transistoren implementiert) steuern, werden erzeugt, um zu gewährleisten, dass der Last eine angemessene Leistung zugeführt wird, wobei diese Erzeugung typischerweise auf der Ausgangsspannung Vo und/oder dem Laststrom IL beruht. Es werden herkömmliche Techniken verwendet, um auf der Grundlage von Lastanforderungen Grundlinien-PWM-Wellenformen zu erzeugen.
  • Beispielsweise kann eine Proportional-Integral-und-Differential(PID)-Steuereinrichtung 508, die in der Hauptsteuereinrichtung 504 enthalten ist oder dieser zugeordnet ist, die Ausgangsspannung VO verwenden, um das Tastverhältnis adaptiv zu bestimmen. Ein digitaler Pulsbreitenmodulator (DPWM) 510, der in der Hauptsteuereinrichtung 504 enthalten oder dieser zugeordnet ist, kann die von der PID-Steuereinrichtung 508 bereitgestellten Tastverhältnisinformationen verwenden, um die PWM-Wellenformen zu erzeugen, welche das Schalten der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 und der sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 und SR2 (falls als Transistoren implementiert) steuern. Weil diese Techniken wohlbekannt sind, werden sie hier nicht weiter beschrieben. Stattdessen konzentriert sich die folgende Beschreibung auf die einzigartigen Aspekte dieser Erfindung, die auf Techniken zum Modifizieren der PWM-Wellenformen gerichtet sind, um eine Sättigung des Transformatorkerns 106 während transienter Lastbedingungen zu verhindern. Zu diesem Zweck weist die Steuereinrichtung 504 eine Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 zur Implementation der hier beschriebenen Transformatorkernsättigungs-Vermeidungstechniken auf.
  • Die Steuereinrichtung 504 und ihre Bestandteile können unter Verwendung einer Kombination analoger Hardwarekomponenten (in der Art von Transistoren, Verstärkern, Dioden und Widerständen) und einer Prozessorschaltungsanordnung, die in erster Linie digitale Komponenten aufweist, implementiert werden. Die Prozessorschaltungsanordnung kann einen oder mehrere von einem digitalen Signalprozessor (DSP), einem Prozessor für allgemeine Zwecke und einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) aufweisen. Die Steuereinrichtung 504 kann auch einen Speicher, beispielsweise einen nichtflüchtigen Speicher in der Art eines Flash-Speichers, der Befehle oder Daten zur Verwendung durch die Prozessorschaltungsanordnung aufweist, und einen oder mehrere Zeitgeber aufweisen. In die Steuereinrichtung 504 werden Sensorsignale in der Art von Vo und IL entsprechender Signale, die beispielsweise von einem ADC 514 bereitgestellt werden, eingegeben.
  • Der detaillierte Betrieb des Vollwellengleichrichters 500 wird als nächstes mit Bezug auf 7 beschrieben. 7 zeigt verschiedene Wellenformen in Zusammenhang mit dem Betrieb des Vollbrückenwandlers und des Vollwellengleichrichters 500 sowohl im nicht transienten als auch im transienten Modus. Diese Wellenformen umfassen die Spannung VAB an der Primärwicklung P des Transformators 502, den Strom iL im Ausgangsinduktor Lo des Vollwellengleichrichters 500, die Spannung VO am Ausgangskondensator Co des Vollwellengleichrichters 500 und die magnetische Flussdichte B des Transformatorkerns 506. 7 zeigt auch eine transiente Lastbedingung, wobei sich der Laststrom von einem ersten (niedrigeren) Zielwert iL1 zu einem zweiten (höheren) Zielwert iL2 ändert, und die entsprechende Differenz ΔIο. Während dieses Übergangs im Zielstrom arbeitet die Steuereinrichtung 504 im transienten Modus. Vor und nach dem Übergang arbeitet die Steuereinrichtung 504 im nicht transienten Modus.
  • Nicht transienter Modus
  • Während eines Energieübertragungsintervalls innerhalb eines positiven Halbzyklus der Eingangsversorgungsquelle Vein leiten die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 über jeweilige PWM-Signale, wodurch eine positive Spannung +VAB über die Primärwicklung P des Transformators 502 erzeugt wird. Während eines Energieübertragungsintervalls innerhalb eines negativen Halbzyklus der Eingangsversorgungsquelle Vein leiten die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 über jeweilige PWM-Signale, wodurch eine negative Spannung -VAB über die Primärwicklung P des Transformators 502 bereitgestellt wird. Energiezirkulationsintervalle treten zwischen aufeinander folgenden Energieübertragungsintervallen auf. Für die PWM-Steuerung tritt während der Energiezirkulationsintervalle, in denen keine der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 leitet und keine Spannung über die Primärwicklung P des Transformators 502 bereitgestellt wird, eine so genannte Totzeit auf. Während Energiezirkulationsintervallen unter der PWM-Steuerung fließt in der Primärseite kein Strom, und dieser fließt nur in der Sekundärseite. Für die Phasenverschiebungsmodulations(PSM)-Steuerung leiten die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 und Q2 einen zirkulierenden Strom oder leiten die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q3 und Q4 während Energiezirkulationsintervalle einen zirkulierenden Strom. Dabei zirkuliert Strom während Energiezirkulationsintervallen unter der PSM-Steuerung sowohl in der Primärseite als auch in der Sekundärseite. Die Betriebseinzelheiten des Vollwellengleichrichters 500 werden hier aus Gründen der Leichtigkeit und Einfachheit der Erklärung in Zusammenhang mit der PWM-Steuerung beschrieben. Fachleute werden jedoch leicht verstehen, dass die hier beschriebenen Techniken gleichermaßen für die PSM-Steuerung gelten.
  • Bei einem standardmäßigen PWM-basierten Ansatz schaltet die Steuereinrichtung 504 die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 bei einer festen (konstanten) ersten Schaltperiode TS1 und einem variablen Tastverhältnis D während nicht transienter Lastbedingungen, um während erster Energieübertragungsintervalle (nicht transienter Modus), die durch Energiezirkulationsintervalle getrennt sind, Energie über den Transformator 502 zu übertragen. Die PID-Steuereinrichtung 508 legt das variable Tastverhältnis so fest, dass das Verhältnis zwischen jedem Energieübertragungsintervall TEnergieTx und der festen Schaltperiode TS1 kleiner als eins ist, d.h. TEnergieTx/TS1 < 1. Dementsprechend ist, wie in 7 dargestellt ist, eine breite Totzeit zwischen Energieübertragungsintervallen bereitgestellt, um zu ermöglichen, dass die Steuereinrichtung 504 auf eine transiente Lastbedingung reagiert.
  • Transienter Modus
  • Während einer transienten Lastbedingung schaltet die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512, die in der Steuereinrichtung 504 enthalten ist oder dieser zugeordnet ist, die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 des Vollwellengleichrichters 500 bei einer zweiten (transienter Modus) anfänglichen Schaltperiode TS2a, die von der ersten (nicht transienter Modus) Schaltperiode TS1 verschieden ist, um Energie während zweiter (transienter Modus) Energieübertragungsintervalle mit einer Dauer Tein,max über den Transformator 502 zu übertragen, so dass jedes Energiezirkulationsintervall, das die Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle trennt, kürzer ist als die Energiezirkulationsintervalle, welche die Nicht-Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle trennen.
  • Jede Schaltperiode im transienten Modus hat zwei Energieübertragungsintervalle, wobei eines ein positiver Halbzyklus der Schaltperiode ist (wenn Q1 und Q3 eingeschaltet sind und Q2 und Q4 ausgeschaltet sind) und eines ein negativer Halbzyklus der Schaltperiode ist (wenn Q2 und Q4 eingeschaltet sind und Q1 und Q3 ausgeschaltet sind). Energie wird sowohl während des positiven Halbzyklus als auch des negativen Halbzyklus jeder Schaltperiode über den Transformator 502 des Vollwellengleichrichters 500 übertragen.
  • Die anfängliche Transienter-Modus-Schaltperiode TS2a kann größer oder kleiner als die Nicht-Transienter-Modus-Schaltperiode TS1 sein. Falls die anfängliche Transienter-Modus-Schaltperiode TS2a kleiner als die Nicht-Transienter-Modus-Schaltperiode TS1 ist, werden die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 im transienten Modus mit einer höheren Schaltfrequenz geschaltet als im nicht transienten Modus.
  • Die Steuereinrichtung 504 kann eine transiente Lastbedingung beispielsweise auf der Grundlage von VO und/oder IL erkennen. In Antwort auf eine transiente Lastbedingung bestimmt die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 die anfängliche Transienter-Modus-Schaltperiode TS2a auf der Grundlage der Dauer Tein,max der Energieübertragungsintervalle im transienten Modus, welche der Breite der an die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 des Vollwellengleichrichters 500 angelegtem Einschaltzeitpulse entsprechen. Die Dauer Tein,max der Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle wird bestimmt, um eine Sättigung des Transformatorkerns 506 zu vermeiden. Falls die Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle Tein,max überschreiten würden, würde die magnetische Flussdichte B im Transformatorkern 506 bis auf ihre Positive/negative-Sättigungsgrenze ansteigen/abnehmen.
  • Die Eingangsspannung Vein beeinflusst die Anstiegsgeschwindigkeit der magnetischen Flussdichte im Transformatorkern 506. Eine Erhöhung von Vein erhöht die Anstiegsgeschwindigkeit der magnetischen Flussdichte entsprechend. Die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 kann die anfängliche Dauer Tein,max der Energieübertragungsintervalle im transienten Modus entsprechend einstellen. Beispielsweise führen höhere Vein-Werte zu schmaleren anfänglichen Tein,max-Pulsen im transienten Modus. Durch Einstellen der anfänglichen Dauer Tein,max der Energieübertragungsintervalle im transienten Modus auf der Grundlage eines neuen Eingangsspannungsbetrags für den Vollbrückenwandler mit dem Vollwellengleichrichter 500 kann eine Sättigung des Transformatorkerns 506 für den neuen Eingangsspannungsbetrag während der transienten Lastbedingung vermieden werden. Weil die anfängliche Schaltperiode TS2a für den transienten Modus von einer anfänglichen Dauer Tein,max abgeleitet wird, die ausgewählt wird, um eine Transformatorkernsättigung bei dieser Vollwellengleichrichter-Ausführungsform zu vermeiden, stellt die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 auch die anfängliche Schaltperiode TS2a auf der Grundlage der neu bestimmten Dauer der Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle ein.
  • Verschiedene Ausführungsformen zum Bestimmen der anfänglichen Dauer Tein,max werden nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben. Die Schaltperiode TS1 wird im nicht transienten Modus auf ganz andere Weise bestimmt. Im nicht transienten Modus ist die Schaltperiode TS1 fest (konstant) und wird auf der Grundlage verschiedener Systemparameter bestimmt. Das variable Tastverhältnis der während des nicht transienten Modus an die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 angelegten PWM-Signale wird beispielsweise auf der Grundlage der Ausgangsspannung VO und der Schaltfrequenz bestimmt. Dabei wird im nicht transienten Modus nicht die Frequenz zum Bereitstellen einer Regelung am Ausgang verwendet, sondern die Schaltfrequenz ändert sich im transienten Modus, so dass die erforderliche Energieübertragung für den Ausgangsinduktor Lo bereitgestellt wird.
  • Das variable Tastverhältnis (D) und die Einschaltzeit der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 stehen im nicht transienten Modus durch die Schaltperiode in Beziehung, wie durch Tein = D*Ts1 angegeben wird. Das maximale Tastverhältnis Dmax kann vom Benutzer beispielsweise auf der Grundlage von Transformatorsättigungs(Volt-Sekunden)-Grenzen festgelegt werden.
  • Im transienten Modus führt das maximale Tastverhältnis Dmax zu einer anfänglichen Dauer Tein,max, wobei eine Sättigung des Transformatorkerns 106 mit zu hohen Volt-Sekunden vermieden wird. Die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512, die in der Steuereinrichtung 504 enthalten oder dieser zugeordnet ist, verwendet die anfängliche Dauer Tein,max der an die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 angelegten Einschaltzeitpulse, um die im transienten Modus verwendete anfängliche Schaltperiode TS2a zu bestimmen. Idealerweise setzt die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 die anfängliche Transienter-Modus-Schaltperiode TS2a gleich dem Zweifachen der Dauer der Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle, d.h. TS2a = 2*Tein,max, wie in 7 dargestellt ist. Bei dieser Konfiguration gibt es während der anfänglichen Schaltperiode TS2a keine Totzeit zwischen den positiven und negativen Halbzyklen der an die Primärspule P des Transformators 502 angelegten Spannung VAB. Bei einer nicht idealen Einstellung kann die anfängliche Transienter-Modus-Schaltperiode TS2a gleich dem Zweifachen der anfänglichen Dauer Tein,max der Transienter-Modus-Energieübertragungsintervalle plus der Totzeit gesetzt werden, d.h. TS2a = 2*Tein,max + 2 Energiezirkulationsintervalle, um einen geeigneten Betrieb der primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 zu gewährleisten. Im Allgemeinen gewährleistet die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512, dass der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode TS2a die gleiche anfängliche Dauer Tein,max haben.
  • In jedem Fall gibt es im transienten Modus verglichen mit dem nicht transienten Modus nur eine geringe bis keine Totzeit zwischen dem positiven und negativen Halbzyklus der Transformator-Primärspulenspannung VAB. Daher wird eine konstante oder nahezu konstante Spannung an den Ausgangsinduktor Lo des Vollwellengleichrichters 500 angelegt, und der Induktorrampenstrom IL wird linear oder hauptsächlich linear rampenförmig erhöht. Eine Rechteckwelle für die Spannung VAB an der Primärspule P des Transformators 502 ergibt eine konstante Rampe des Induktors iL, wie durch die folgenden Gleichungen repräsentiert wird: di L /dt = ( V gleich − V o ) /L ,
    Figure DE102018102217A1_0001
     V gleich = V ein /N  ( Vollbrücke ) ,
    Figure DE102018102217A1_0002
     V gleich = V ein /2/N  ( Halbbrücke )
    Figure DE102018102217A1_0003
    wobei Vgleich die gleichgerichtete Spannung auf der Sekundärseite des Vollwellengleichrichters 500 ist.
  • Die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 verringert dann symmetrisch die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für zumindest eine nachfolgende Schaltperiode TS2b, TS2c usw. während der transienten Lastbedingung. Die neue (verringerte) Dauer der positiven und negativen Halbzyklen für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode TS2b, TS2c usw. kann wie zuvor beispielsweise in Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben bestimmt werden. Beispielsweise kann die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus vom maximalen Anfangswert Tein,max in einem einzigen Schritt auf einen minimalen zugewiesenen Wert Tein,min verringern, wie zuvor in Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde. Bei einem anderen Beispiel kann die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 die Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für jede nachfolgende Schaltperiode um einen vorgegebenen Betrag (beispielsweise 50 %) verringern, bis die Dauer eine für den positiven Halbzyklus und den negativen Halbzyklus bestimmte minimale Dauer erreicht oder bis der Induktorrampenstrom iL eine für den Transformator 502 bestimmte Spitzenstromgrenze Ipk_tfmr erreicht.
  • Wenn die Spitzenstromgrenze Ipk erreicht wird oder erwartet wird, dass sie erreicht wird, beendet die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 entweder den vorliegenden PWM-Puls (Pletzter in 7) oder erlaubt, dass der vorliegende PWM-Puls abgeschlossen wird, bevor die PWM-Sequenz angehalten wird, wie vorstehend beschrieben wurde. In jedem Fall kann die PWM-Sequenz angehalten bleiben, wobei die primärseitigen Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 ausgeschaltet sind und die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen SR1 - SR2 eingeschaltet oder ausgeschaltet sind, bis der Ausgangsstrom IL des Vollwellengleichrichters 500 bis auf den neuen Zielwert iL2 abfällt, wonach die Steuereinrichtung 504 das primärseitige Schalten im nicht transienten Modus wiederaufnimmt, wie vorstehend erklärt wurde.
  • Im transienten Modus nimmt der Induktorstrom iL linear oder nahezu linear zu, bis der Spitzenstromwert ipk_Ttfmr des Transformators 502 erreicht wird. Die Transienten-Hilfssteuerungs-und-Schutzeinheit 512 kann den Induktorstrom iL überwachen und den überwachten Induktorstrom mit einer vorgegebenen Schwelle vergleichen, um festzustellen, wann der Spitzenstromwert ipk_tfmr des Transformators 502 erreicht wird. Der Spitzenstromwert ipk_tfmr des Transformators 502 kann auf der Grundlage der Eingangsspannung Vein, der Laststufe ΔIO und des Ausgangsinduktors bestimmt werden und wird so festgelegt, dass die Fläche A und die Fläche B in 7 idealerweise gleich oder nahezu gleich sind. Verschiedene Techniken sind auf dem Gebiet der Spannungswandler für das Messen der Ausgangsspannung und des Induktorstroms wohlbekannt, so dass keine weitere Beschreibung bereitgestellt wird.
  • Hier sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „einschließend“, „umfassend“ und dergleichen nicht einschränkende Begriffe, welche das Vorhandensein erwähnter Elemente oder Merkmale angeben, zusätzliche Elemente oder Merkmale jedoch nicht ausschließen. Die Artikel „ein“, „eine“, „eines“ und „der/die/das“ sollen, sofern der Zusammenhang nichts anderes klar angibt, den Plural sowie den Singular einschließen.
  • Es ist zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, es sei denn, dass etwas anderes spezifisch dargelegt wird.
  • Wenngleich hier spezifische Ausführungsformen erläutert und beschrieben wurden, werden Durchschnittsfachleute verstehen, dass eine Vielzahl alternativer und/oder gleichwertiger Implementationen die spezifischen dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen ersetzen können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Abänderungen der spezifischen hier erörterten Ausführungsformen abdecken. Daher ist vorgesehen, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die gleichwertigen Ausgestaltungen beschränkt ist.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Steuern eines isolierten Leistungswandlers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: in Antwort auf eine transiente Lastbedingung, Schalten primärseitiger Schaltvorrichtungen des isolierten Leistungswandlers in einer anfänglichen Schaltperiode mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus, um Energie über einen Transformator des isolierten Leistungswandlers während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus zu übertragen, wobei der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode die gleiche anfängliche Dauer aufweisen, und symmetrisches Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während der transienten Lastbedingung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das symmetrische Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während der transienten Lastbedingung Folgendes umfasst: falls erwartet wird, dass der vom isolierten Leistungswandler gelieferte Gesamtstrom während einer nachfolgenden Schaltperiode eine Spitzenstromgrenze in weniger als dem Zweifachen der anfänglichen Dauer erreicht, Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für die nachfolgende Schaltperiode auf die gleiche für den positiven Halbzyklus und den negativen Halbzyklus bestimmte minimale Dauer.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, welches ferner Folgendes umfasst: Beibehalten der minimalen Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für jede nachfolgende Schaltperiode, während der vom isolierten Leistungswandler gelieferte Gesamtstrom während der transienten Lastbedingung rampenförmig erhöht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das symmetrische Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während der transienten Lastbedingung Folgendes umfasst: symmetrisches Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus um einen vorgegebenen Betrag für jede nachfolgende Schaltperiode, bis die Dauer eine für den positiven Halbzyklus und den negativen Halbzyklus bestimmte minimale Dauer erreicht oder bis der vom isolierten Leistungswandler gelieferte Gesamtstrom eine Spitzenstromgrenze erreicht.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das symmetrische Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus um einen vorgegebenen Betrag für jede nachfolgende Schaltperiode, bis die Dauer eine für den positiven Halbzyklus und den negativen Halbzyklus bestimmte minimale Dauer erreicht oder bis der vom isolierten Leistungswandler zugeführte Gesamtstrom die Spitzenstromgrenze erreicht, Folgendes umfasst: symmetrisches Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus um die Hälfte für jede nachfolgende Schaltperiode, bis die Dauer die für den positiven Halbzyklus und den negativen Halbzyklus bestimmte minimale Dauer erreicht oder bis der vom isolierten Leistungswandler zugeführte Gesamtstrom die Spitzenstromgrenze erreicht.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, welches ferner Folgendes umfasst: Halten des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus der Schaltperiode bei der minimalen Dauer, bis der vom isolierten Leistungswandler zugeführte Gesamtstrom die Spitzenstromgrenze erreicht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das symmetrische Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während der transienten Lastbedingung Folgendes umfasst: Vergleichen eines gemessenen Spannungsparameters des isolierten Leistungswandlers mit gespeicherten Werten, die unterschiedlichen Schaltperiodendauern zugeordnet sind, und Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus auf die Schaltperiodendauer, die dem gespeicherten Wert zugeordnet ist, der am besten mit dem gemessenen Spannungsparameter übereinstimmt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, welches ferner Folgendes umfasst: Beenden des Halbzyklus, der aktiv ist, wenn ein Spitzenstromwert des Transformators erreicht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, welches ferner Folgendes umfasst: falls erwartet wird, dass der vom isolierten Leistungswandler zugeführte Gesamtstrom während einer nachfolgenden Schaltperiode eine Spitzenstromgrenze in weniger als einer definierten Dauer erreicht, symmetrisches Zuweisen der Zeit, die verbleibt, bevor erwartet wird, dass der Gesamtstrom die Spitzenstromgrenze erreicht, zum positiven und negativen Halbzyklus der nachfolgenden Schaltperiode.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die anfängliche Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus eine Funktion des Betrags der transienten Lastbedingung ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei unterschiedlichen Typen transienter Lastbedingungen unterschiedliche anfängliche Dauern zugewiesen werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, wobei die anfängliche Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus ausgewählt wird, um eine Sättigung des Transformatorkerns zu vermeiden.
  13. Isolierter Leistungswandler, welcher Folgendes umfasst: primärseitige Schaltvorrichtungen, die durch einen Transformator mit sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen gekoppelt sind, und eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, Folgendes auszuführen: in Antwort auf eine transiente Lastbedingung, Schalten der primärseitigen Schaltvorrichtungen bei einer anfänglichen Schaltperiode mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus, um Energie während des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus über den Transformator zu übertragen, wobei der positive Halbzyklus und der negative Halbzyklus der anfänglichen Schaltperiode die gleiche anfängliche Dauer aufweisen, und symmetrisches Verringern der Dauer des positiven Halbzyklus und des negativen Halbzyklus für wenigstens eine nachfolgende Schaltperiode während der transienten Lastbedingung.
  14. Isolierter Leistungswandler nach Anspruch 13, wobei die sekundärseitigen Gleichrichtungsvorrichtungen als ein Stromverdoppler-Gleichrichter mit zwei Ausgangsinduktorwicklungen, die mit dem Transformator gekoppelt sind, ausgelegt sind.
  15. Isolierter Leistungswandler nach Anspruch 13, wobei die sekundärseitige Gleichrichtungsvorrichtungen in einer Vollbrückenkonfiguration verbunden sind.
  16. Isolierter Leistungswandler nach Anspruch 13, wobei die sekundärseitige Gleichrichtungsvorrichtungen in einer Mittenabgriffskonfiguration verbunden sind.
  17. Isolierter Leistungswandler nach einem der Ansprüche 13-16, wobei der Leistungswandler, insbesondere die Steuereinrichtung, eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12 durchzuführen.
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