DE102018115378A1 - Systeme und Verfahren für Sperrstromrichter mit aktiver Klemme - Google Patents

Systeme und Verfahren für Sperrstromrichter mit aktiver Klemme Download PDF

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Abstract

Sperrstromrichter mit aktiver Klemme. Zumindest einige der Beispielausführungsformen sind Verfahren, die Folgendes einschließen: das Aktivieren eines Haupt-FET und dadurch das Induzieren eines positiven Stromflusses in einer Primärwicklung, wobei der positive Stromfluss zu einem Betrieb eines Gleichrichters einer Sekundärschaltung in Sperrrichtung führt; Deaktivieren des Haupt-FET und dadurch Betrieb des Gleichrichters in der Sekundärschaltung in Vorwärtsrichtung und Bewirken eines Stromflusses in der Sekundärwicklung, Aktivieren eines Klemmen-FET und dadurch Koppeln eines Klemmenkondensators mit einer Streuinduktivität eines Transformators, wobei die Primärschaltung anfänglich einen positiven Stromfluss durch die Primärwicklung aufweist und dann einen negativen Stromfluss durch die Primärwicklung; und Regeln des negativen Stromflusses durch die Primärwicklung.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/529,613 , eingereicht am 7. Juli 2017 mit dem Titel „Variable Frequency In Active Clamp Flyback Converter for Variable Output Voltage“ (Variable Frequenzen in Sperrwandler mit aktiver Klemme für variable Ausgangsspannung). Diese Anmeldung beansprucht weiterhin den Nutzen der vorläufigen US-Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 15/964,620, eingereicht am 27. April 2018 mit dem Titel „Systems and Methods of Active Clamp Flyback Power Converters“ (Systeme und Verfahren für Sperrstromrichter mit aktiver Klemme). Beide Anwendungen sind durch Verweis hiermit zur Gänze aufgenommen.
  • HINTERGRUND
  • Eine verwandte Stromrichter-Topologie ist der Sperrstromrichter mit aktiver Klemme (engl. active clamp flyback, ACF) ACF-Stromrichter, die in der Literatur seit Mitte der 1990er Jahre erwähnt werden, verwenden eine resonante oder quasi-resonante Primärschaltung, die in einem kontinuierlichen Stromflussmodus (engl. constant conduction mode, CCM) betrieben wird. ACF-Stromrichter können bei hoher Last eine hohe Leistung erzielen. ACF-Stromrichter wurden jedoch nicht in der Breite angewendet, weil der CCM-Betrieb in der Primärschaltung zu einer hohen Magnetisierung und zu Kernverlusten im Niedriglast- und Standbybetrieb führt. Das bedeutet, dass ACF-Stromrichter Schwierigkeiten haben, die behördlichen Vorgaben für den Stromverbrauch im Standbybetrieb einzuhalten. Beispielsweise können die behördlichen Standbystromgrenzen bei 75-150 Milliwatt liegen, je nach Rechtsordnung, während der CCM-Betrieb in der Primärschaltung eines ACF-Stromrichters Standbystrom im Bereich von ein bis zwei Watt verbraucht.
  • Figurenliste
  • Für eine detaillierte Beschreibung der Beispielausführungsformen wird nun auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, wobei:
    • 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Sperrstromrichters mit aktiver Klemme gemäß zumindest einiger Ausführungsformen zeigt;
    • 2A eine schematische Darstellung eines ersten Betriebsmodus des Stromrichters gemäß zumindest einiger Ausführungsformen zeigt;
    • 2B eine schematische Darstellung eines zweiten Betriebsmodus des Stromrichters gemäß zumindest einiger Ausführungsformen zeigt;
    • 2C eine schematische Darstellung eines dritten Betriebsmodus des Stromrichters gemäß zumindest einiger Ausführungsformen zeigt;
    • 2D eine schematische Darstellung eines vierten Betriebsmodus des Stromrichters gemäß zumindest einiger Ausführungsformen zeigt;
    • 3 eine Gruppe von Diagrammen des elektrischen Stroms durch den Schaltknoten als Zeitfunktion darstellt;
    • 4 eine Gruppe von Diagrammen des elektrischen Stroms durch den Schaltknoten als Zeitfunktion gemäß zumindest einiger Ausführungsformen darstellt;
    • 5 eine detailliertere Schemazeichnung eines aktiven Klemmenstromwandlers zeigt, einschließlich eines Blockdiagramms einer Steuerung gemäß zumindest einiger Ausführungsformen;
    • 6 ein Zeitdiagramm mit verschiedenen Signalen gemäß zumindest einiger Ausführungsformen zeigt;
    • 7 ein Zeitdiagramm mit verschiedenen Signalen gemäß zumindest einiger Ausführungsformen zeigt; und
    • 8 ein Verfahren gemäß zumindest einiger Ausführungsformen zeigt
  • DEFINITIONEN
  • Verschiedene Begriffe werden verwendet, um bestimmte Systemkomponenten zu bezeichnen. Unterschiedliche Firmen können eine Komponente mit unterschiedlichen Namen bezeichnen - dieses Dokument beabsichtigt nicht, zwischen Komponenten zu unterscheiden, die sich im Namen, aber nicht in der Funktion unterscheiden. In der nachfolgenden Erörterung und in den Ansprüchen werden die Bezeichnungen „einschließlich“ und „umfassend“ in einem offenen Sinne verwendet und sollten daher so ausgelegt werden, dass sie „einschließlich, aber nicht beschränkt auf...“ bedeuten. Außerdem soll der Begriff „koppeln“ oder „koppelt“ entweder eine indirekte oder eine direkte Verbindung bezeichnen. Wenn daher ein erstes Gerät mit einem zweiten Gerät gekoppelt wird, kann diese Verbindung durch eine direkte Verbindung oder durch eine indirekte Verbindung über andere Geräte und Verbindungen erfolgen.
  • Die „Aktivierung eines Zeitgebers“ soll hier als das Starten eines Zeitgebers verstanden werden, ob der Zeitgeber nun auf- oder abwärts zählt.
  • „Ablaufen eines Zeitgebers“ bezieht sich darauf, dass der Zeitgeberwert einen Endwert erreicht. Der Endwert kann bei Zeitgebern, die abwärts zählen, Null sein, und der Endwert kann ein vorher bestimmter Nicht-Null-Wert bei Zeitgebern sein, die aufwärts zählen.
  • Die Begriffe „Eingang“ und „Ausgang“ verweisen auf Verbindungen (z. B. elektrische, Software), und sind nicht als Handlungen zu verstehen. Beispielsweise kann eine Oszillatorschaltung auf einem Substrat einen Taktausgang definieren. Die Beispieloszillatorschaltung kann ein Taktsignal auf dem Taktausgang erzeugen oder antreiben. In Systemen, die direkt in die Hardware eingefügt sind (z. B. auf einem Halbleitersubstrat), definieren diese „Eingänge“ und „Ausgänge“ elektrische Verbindungen. In Systemen, die in Software eingefügt sind, definieren diese „Eingänge“ und „Ausgänge“ Parameter, die entsprechend von den die Funktion umsetzenden Anweisungen gelesen oder geschrieben werden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Erläuterung ist auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gerichtet. Obwohl eine oder mehrere dieser Ausführungsformen bevorzugt sein können, sollten die offenbarten Ausführungsformen nicht so interpretiert oder anderweitig verwendet werden, dass sie den Geltungsbereich der Offenbarung, einschließlich der Ansprüche, einschränken würden. Darüber hinaus wird der Fachmann verstehen, dass die folgende Beschreibung eine breite Anwendung findet, und die Erläuterung einer beliebigen Ausführungsform lediglich als Beispiel für diese Ausführungsform zu verstehen ist und nicht so, dass der Geltungsbereich der Offenbarung, einschließlich der Ansprüche, auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
  • Verschiedene Ausführungsformen sind auf Systeme und Verfahren für Sperrstromrichter mit aktiver Klemme gerichtet. Genauer gesagt setzt die Primärschaltung in einem Sperrstromrichter mit aktiver Klemme beides um: einen Positivstrom durch die Primärwicklung eines Transformators, wenn der Hauptfeldeffekttransistor (FET) leitet; und Negativstrom durch die Primärwicklung (dem Positivstrom entgegengesetzt) für einen Zeitraum nachdem der Haupt-FET nicht mehr leitet. Verschiedene Beispielausführungsformen sind darauf gerichtet, den Negativstrom durch die Primärwicklung zu regeln, um Überlegungen zur Verringerung der Leitungs- und Kernverluste im Transformator (insbesondere bei Niedriglasten) auszugleichen, jedoch weiterhin einen ausreichenden Negativstrom zu erzielen, um eine Nullspannungsschaltung (engl. zero volt switching, ZVS) des Haupt-FET der Primärschaltung umzusetzen. Noch genauer gesagt, sind Beispielausführungsformen darauf gerichtet, den elektrischen Strom (oder ein auf elektrischen Strom hinweisendes Signal) zu überwachen, und die Frequenz eines Taktsignals zu ändern, das auf den elektrischen Strom in der Primärschaltung reagiert. Wenn der Negativstrom zu hoch ist, wird die Taktfrequenz erhöht (z. B. um einen bestimmten Wert, oder um einen Wert, der proportional dazu ist, wie weit der Negativstrom über einem vorbestimmten Grenzwert liegt). Wenn demgegenüber der Negativstrom zu niedrig ist, wird die Taktfrequenz verringert(z. B. um einen bestimmten Wert, oder um einen Wert, der proportional dazu ist, wie weit der Negativstrom unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt). Die Angaben beziehen sich zunächst auf einen beispielhaften Sperrstromrichter mit aktiver Klemme und dessen Betrieb, um dem Leser eine Orientierung zu bieten.
  • 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Sperrstromrichters mit aktiver Klemme gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Insbesondere umfasst der Stromrichter 100 eine Primärschaltung 102, die elektrisch mit einer Sekundärschaltung 104 über einen Sperrwandler 106 gekoppelt ist. Die Primärschaltung 102 definiert einen Knoten 108, der mit einem Gleichstrom (DC) -Spannungseingang VIN. gekoppelt ist. In dem Beispielsystem ist der Knoten 108 außerdem direkt mit einer ersten Zuleitung einer Primärwicklung 110 des Sperrwandlers 106 gekoppelt. Die zweite Zuleitung der Primärwicklung 110 ist mit dem Schaltknoten 112 gekoppelt. Der Schaltknoten 112 (und somit die zweite Zuleitung der Primärwicklung 110) ist mit einem Drain eines Haupt-FET 114 gekoppelt. Die Source des Haupt-FET 114 ist mit Erde oder Masse über einen optionalen Messwiderstand 116 verbunden. Der Schaltknoten 112 ist weiterhin mit der Source eines Klemmen-FET 118 verbunden. Die Drain des Klemmen-FET 118 ist mit einer Zuleitung eines Klemmenkondensators 120 gekoppelt, und die zweite Zuleitung des Klemmenkondensators 120 ist mit dem Knoten 108 gekoppelt. In Beispielsystemen sind der Haupt-FET 114 und der Klemmen-FET 118 N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter (MOS) FETs. In anderen Beispielfällen können jedoch der Haupt-FET 114 und der Klemmen-FET 118 P-Kanal-MOSFETs oder jedes andere geeignete Gerät sein, das als elektrisch gesteuerter Schalter agiert, einschließlich FETs, die als „Super-Junction“ (SJFETs) bezeichnet werden, und hochwertigere Galliumnitrid- (GaN-) FETs. Alternativ kann die aktive Klemmschaltung, die Kombination aus Klemmschalter und -Kondensator auch massebezogen (engl. ground, GND) statt Eingangsspannungsbezogen für den Stromrichter sein.
  • Die zweite Beispielschaltung 104 umfasst eine Sekundärwicklung 122 des Sperrwandlers 106. Eine erste Zuleitung der Sekundärwicklung 122 ist mit einem Ausgangsknoten 124 der Sekundärschaltung 104 gekoppelt und damit mit der positiven Polklemme von VOUT. Die zweite Zuleitung der Sekundärwicklung 122 ist mit einem Gleichrichter gekoppelt und bildet ein FET 126 in dem Beispiel. Insbesondere ist die zweite Zuleitung der Sekundärwicklung 122 mit der Drain des FET 126 gekoppelt, und die Source von FET 126 mit Erde oder Masse für die Sekundärschaltung 104 gekoppelt. In anderen Beispielfällen kann der Gleichrichter in der Sekundärschaltung ein passives Element wie eine Diode sein. Die Sekundärschaltung 104 umfasst weiterhin einen Kondensator 128, der zwischen dem Ausgangsknoten 124 und Erde oder Masse für die Sekundärschaltung 104 gekoppelt ist (was aufgrund der Isolierungsaspekte des Sperrwandlers 106 nicht der gleiche sein muss wie die Erde oder Masse für die Primärschaltung 102). Die Beschreibung wendet sich nun verschiedenen Betriebszuständen oder Modi des Stromrichters 100 zu.
  • 2A zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Betriebsmodus des Stromrichters 100 gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Insbesondere sind die aktiven (d.h. leitenden) FET in der Zeichnung vorhanden, und die nicht aktiven (d.h. nicht leitenden) FETs wurden entfernt, um eine offene Schaltung zu zeigen. Im ersten Modus oder Energiespeichermodus ist der Haupt-FET 114 leitend und somit fließt ein elektrischer Strom IP von der Spannungsquelle VIN durch den Knoten 108, durch die Primärwicklung 110, durch den Schaltknoten 112 und durch den Haupt-FET 114 zu Erde oder Masse. Der elektrische Strom IP, der in der angezeigten Richtung durch die Primärwicklung 110 fließt, wird als Positivstromfluss bezeichnet. Der Positivstromfluss IP erzeugt eine Spannung an der Sekundärwicklung 122, die den Betrieb des Gleichrichters in der Sekundärschaltung 104 in Sperrrichtung erzeugt, was im Energiespeichermodus nicht leitend ist (wie in der Figur gezeigt). So speichert der Positivstromfluss Ip Energie im Feld des Sperrwandlers 106. An einem bestimmten Punkt, der über die Ausgangsspannung VOUT gesteuert wird (die unten näher erläuterte Steuerung), endet der Energiespeichermodus durch die Deaktivierung des Haupt-FET 114, wie in 2B gezeigt.
  • 2B zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Betriebsmodus des Stromrichters 100 gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Wie oben dargestellt, sind die leitenden FETs in der Zeichnung vorhanden, und die nicht leitenden FETs wurden entfernt, um eine offene Schaltung zu zeigen. Im zweiten Modus, oder Rücklaufmodus, ist der Haupt-FET 114 (nicht dargestellt) nicht leitend, aber der Klemmen-FET 118 ist zumindest für einen Teil des Rücklaufmodus leitend. Aufgrund der Induktivität der Primärwicklung 110 kann der Positivstromfluss aus dem Energiespeichermodus nicht unmittelbar stoppen, wenn der Haupt-FET 114 (nicht dargestellt) deaktiviert wird, und so fließt weiterhin ein Positivstrom IPM (insbesondere der elektrische Strom, der mit der Magnetinduktivität (weitere Erläuterungen siehe unten) verbunden ist) in der Primärschaltung 102 durch den Schaltknoten 112, den Klemmen-FET 118 und den Klemmenkondensator 120. Gleichzeitig kollabiert die Energie, die im Feld des Sperrwandlers 106 gespeichert wird, was zu einer Spannung auf der Sekundärwicklung 122 führt, die den Gleichrichter in der Sekundärschaltung 104 vorwärts laufen lässt. Entweder aufgrund des Vorwärtslaufs (bei passiven Gleichrichtern) oder weil der Gleichrichter in Form eines FET 126 aktiviert ist (oder aus beiden Gründen), fließt ein Sekundärstrom IS in der Sekundärschaltung 104 wie angezeigt, der die Ausgangsspannung VOUT bereitstellt und Leistung auf die Last aufbringt (nicht besonders gezeigt).
  • Die Kapazität der Primärschaltung 102, einschließlich des Klemmenkondensators 120 und verschiedener parasitärer Kapazitäten, die unten noch genauer erläutert werden, bildet einen Tankkreis mit der Streuinduktivität der Primärwicklung 110. So kann je nach entsprechender Kapazität und Streuinduktivität der elektrische Strom in der Primärschaltung 102 schwingen oder oszillieren. 2C zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Betriebsmodus des Stromrichters 100 gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Wie oben dargestellt sind die leitenden FETs in der Zeichnung vorhanden, und die nicht leitenden FETs wurden entfernt, um eine offene Schaltung zu zeigen. Im dritten Modus, oder Resonanzenergieübertragungsmodus, ist der Haupt-FET 114 (nicht dargestellt) weiterhin nicht leitend, und der Klemmen-FET 118 weiterhin leitend. Aufgrund der Resonanz zwischen den verschiedenen Kapazitäten (insbesondere des Klemmenkondensators) und der Streuinduktivität jedoch kehrt der elektrische Strom in der Primärschaltung 102 die Richtung um und wird ein Negativstrom IN, der zwischen dem Schaltknoten 112 und der Primärwicklung 110 fließt. In einigen Sperrstromrichtern mit aktiver Klemme kann die Resonanz der Primärschaltung 102 zu Mehrfachoszillationen des elektrischen Stroms in der Primärschaltung 102 führen. In einigen Fällen trägt der Negativstrom IN durch die Primärwicklung 110 zu zusätzlich induziertem Strom und Spannung in der Sekundärwicklung 122 bei. Darüber hinaus kann je nach Ladung und Betriebsfrequenz der resonante Energietransfermodus mit der Zeit den im Zusammenhang mit 2B erläuterten Rücklaufmodus überlappen. Entsprechend jedoch zumindest einiger Ausführungsformen wird der Stromrichter 100 so betrieben, dass kurz nachdem der Negativstrom IN zu fließen beginnt, der Klemmen-FET 118 abgeschaltet wird, wie in Zusammenhang mit 2D erläutert.
  • 2D zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Betriebsmodus des Stromrichters 100 gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Wie oben dargestellt, sind die leitenden FETs in der Zeichnung vorhanden, und die nicht leitenden FETs wurden entfernt, um eine offene Schaltung zu zeigen. Im vierten Modus ist der Haupt-FET 114 (nicht dargestellt) weiterhin nicht leitend, und der Klemmen-FET 118 ist nicht leitend. Aufgrund der Induktivität der Primärwicklung 110 kann der Negativstromfluss (aus dem Resonanzenergieübertragungsmodus) nicht sofort stoppen, wenn der Klemmen-FET 118 (nicht dargestellt) deaktiviert wird, und so fließt der Negativstrom IN weiterhin in der Primärwicklung 110. Der Negativstrom IN sorgt dafür, dass die Spannung am Schaltknoten 112 negativ wird. Entsprechend der Beispielausführungsformen leitet der Negativstrom IN die parasitäre Kapazität in der Primärschaltung 102 ab, wie die parasitäre Kapazität, die mit dem Haupt-FET 114 (nicht dargestellt) verbunden ist, wobei die parasitäre Kapazität als Kondensator 200 dargestellt ist Wenn die Spannung über den Haupt-FET 114 ungefähr Null Volt beträgt, aktiviert der Stromrichter 100 den Haupt-FET 114 erneut, und der Zyklus beginnt erneut mit dem Energiespeichermodus aus 2A.
  • Verwandte aktive Klemmenstromrichter verwenden eine feste Betriebsfrequenz unabhängig von der Strommenge, die von der an die Sekundärschaltung 104 gekoppelten Last unabhängig ist. Es wird festgestellt, dass einige verwandte aktive Stromrichter die Frequenz ändern, um Änderungen der Eingangsspannung VIN gerecht zu werden, wie in der mitgetragenen und zugewiesenen Anmeldung mit der Seriennummer 15/156,033, eingereicht am 16. Mai 2017 mit dem Titel „Power Conversion Efficiency Using Variable Switching Frequency“ (Stromumwandlungseffizienz unter Verwendung einer variablen Schaltfrequenz)“ beschrieben, die hiermit durch Verweis vollumfänglich aufgenommen wird. Dennoch haben die Erfinder der vorliegenden Spezifikation festgestellt, dass die Verwendung einer Festtaktfrequenz (für eine konstante Eingangsspannung VIN) trotz der Änderungen der Last zu einer Ineffizienz der Sperrstromrichter mit aktiver Klemme bei niedrigeren Lasten führt.
  • 3 stellt eine Gruppe von Diagrammen des elektrischen Stroms durch den Schaltknoten 112 als Zeitfunktion dar. Insbesondere zeigt Diagramm 300 den elektrischen Strom durch den Schaltknoten 112 unter Leichtlastbedingungen. Diagramm 302 zeigt den elektrischen Strom durch den Schaltknoten 112 unter Halblastbedingungen. Diagramm 304 zeigt den elektrischen Strom durch den Schaltknoten 112 unter Volllastbedingungen. Beginnen wir mit dem Volllastdiagramm 304. Wie oben erläutert, wird gemäß der Beispielausführungsform der Stromrichter 100 (1) so gesteuert, dass der elektrische Strom durch den Schaltknoten 112 ein Negativstrom wird, der parasitäre Kapazitäten in der Primärschaltung 102 entlädt, wie die parasitäre Kapazität, die durch den Kondensator 200 dargestellt wird (2D). Der Negativstrom wird in dem Volllastdiagramm 304 als der kleine dreieckige Bereich 306 dargestellt. Sobald die parasitäre Kapazität entladen ist, geht der Stromrichter 100 in den Energiespeichermodus über, indem er den Haupt-FET 114 aktiviert (1 und 2A), wobei ein Beispielenergiespeichermodus in allen drei Diagrammen als Zeitraum 308 gezeigt wird. Für eine bestimmte Taktfrequenz eines Oszillators, der eine Taktung in dem Stromrichter 100 definiert (Oszillator und Taktung werden untenstehend genauer erläutert), in einem Beharrungszustand ermöglicht die spezifische Taktfrequenz einen ausreichenden Negativstromfluss zur Entladung der parasitären Kapazität in der Primärschaltung 102, um eine Nullspannungsschaltung des Haupt-FET 114 zu ermöglichen. Wie jedoch im Zusammenhang mit dem Leichtlastdiagramm 300 und dem Halblastdiagramm 302 gezeigt wird, führt die gleiche Taktfrequenz zu einem relativ konstanten Spitzen-Spitzen-Stromfluss in der Primärschaltung 102 (in den Diagrammen durch ΔI angezeigt). Während der konstante elektrische Strom ΔI zu einer guten Nullspannungsschaltung bei Volllast führt, führen die gleiche Taktfrequenz und konstanter ΔI Strom zu einem übermäßigen Negativstrom bei Leichtlast und Halblast. Der übermäßige Negativstrom verringert die Effizienz des Stromrichters durch Erhöhung der Leitungs- und Kernverluste.
  • Gemäß Beispielausführungsformen regelt der Sperrstromrichter 100 mit aktiver Klemme den Negativstromfluss durch die Primärwicklung 110 (oder gleichwertig ausgedrückt, durch den Schaltknoten 112). Insbesondere ändern Beispielausführungsformen die Taktfrequenz eines Oszillators, der ein Taktsignal zur Deaktivierung des Klemmen-FET 118 bereitstellt, wobei die Änderung der Taktfrequenz auf einen Negativstromfluss durch die Primärwicklung 110 (oder den Schaltknoten 112) reagiert. Beispielsweise erhöht sich die Taktfrequenz des Oszillators, wenn der Negativstrom zu hoch ist. Und wenn der Negativstrom zu gering ist (z. B. sodass keine Nullspannungsschaltung stattfinden kann), verringert sich die Taktfrequenz des Oszillators. Das Ergebnis ist, dass sich die Taktfrequenz mit der Last ändert.
  • 4 zeigt eine Gruppe von Diagrammen des elektrischen Stroms durch den Schaltknoten 112 als Zeitfunktion gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Insbesondere zeigt Diagramm 400 den elektrischen Strom durch den Schaltknoten 112 unter Leichtlastbedingungen. Diagramm 402 zeigt den elektrischen Strom durch den Schaltknoten 112 unter Halblastbedingungen. Diagramm 404 zeigt den elektrischen Strom durch den Schaltknoten 112 unter Volllastbedingungen. Beginnend mit dem Volllastdiagramm 404, wie oben erläutert, wird der Negativstrom in dem Volllastdiagramm 404 als der kleine dreieckige Bereich 406 dargestellt. Mit dem Abnehmen der Last nimmt auch die Taktfrequenz des Oszillators ab. Mit Verweis auf das Halblastdiagramm 402 wird der Negativstrom in dem Halblastdiagramm 402 als der kleine dreieckige Bereich 408 dargestellt. In einem Beharrungszustand ist der Spitzennegativstrom, der durch den dreieckigen Bereich 408 dargestellt wird, der gleiche wie der Spitzennegativstrom, der durch den dreieckigen Bereich 406 dargestellt wird. Beim Wechsel zwischen Volllast und Halblast ändert sich die Taktfrequenz des Oszillators und insbesondere wird die Taktfrequenz erhöht. Nimmt die Last weiter ab, nimmt die Taktfrequenz weiter zu. Mit Verweis auf das Leichtlastdiagramm 400 wird der Negativstrom in dem Leichtlastdiagramm 400 als der kleine dreieckige Bereich 410 dargestellt. In einem Beharrungszustand ist der Spitzennegativstrom, der durch den dreieckigen Bereich 410 dargestellt wird, der gleiche wie der Spitzennegativstrom, der durch den dreieckigen Bereich 408 und den dreieckigen Bereich 406 dargestellt wird, und zur Erreichung des Beharrungszustands wird die Taktfrequenz des Oszillators erhöht. Ausgedrückt im Verhältnis zu gegensätzlichen Laständerungen, während sich die Last von Leichtlast zu Schwerlast verändert, verändert sich entsprechend die Taktfrequenz des Oszillators von einer höheren Frequenz zu einer geringeren Frequenz. Noch etwas anders ausgedrückt ändert sich der Spitzen-zu-Spitzen-Stromfluss ΔI in der Primärschaltung 102 als eine Lastfunktion, mit ansteigendem ΔI bei ansteigender Last und abnehmendem ΔI bei abnehmender Last.
  • 5 zeigt eine detailliertere Schemazeichnung eines aktiven Klemmenstromwandlers, einschließlich eines Blockdiagramms einer Steuerung 500 gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Insbesondere umfasst der Stromrichter 100 eine Primärschaltung 102, die mit einer Sekundärschaltung 104 über einen Sperrwandler 106 gekoppelt ist. Der Sperrwandler 106 wird in einem Modell oder gleichwertigen Kreis gezeigt, aus dem die Primärwicklung 110 als Streuinduktivität 502 in Reihe mit einer Magnetinduktivität 504 modelliert ist, und die Magnetinduktivität 504 parallel zu der Primärwicklung eines idealen (verlustfreien) Transformators. Wie vorher, ist eine Zuleitung auf der Primärseite des Sperrwandlers 106 mit dem Knoten 108 gekoppelt und die zweite Zuleitung auf der Primärseite des Sperrwandlers 106 ist mit dem Schaltknoten 112 gekoppelt. Der Haupt-FET 114, der Klemmen-FET 118 und der Klemmenkondensator 120 sind gekoppelt, wie im Hinblick auf die vorstehenden Figuren erläutert. In 5 wird jedoch auch die Bodydiode 506 des Haupt-FET 114 und die Bodydiode 508 des Klemmen-FET 118 gezeigt. Darüber hinaus wird jeder FET mit einem Kondensator gezeigt, der die parasitäre Kapazität des Geräts darstellt. Somit wird der Kondensator 510 als über den Haupt-FET 114 gekoppelt dargestellt und der Kondensator 512 wird als über den Klemmen-FET 118 gekoppelt dargestellt.
  • Weitere Komponenten werden ebenfalls in der Sekundärschaltung 104 gezeigt. Insbesondere wird die Leuchtdiode (LED) 514 eines Optokopplers 516 mit der Ausgangsspannung VOUT. gekoppelt, um eine Anzeige der Ausgangsspannung an die Steuerung 500 zu liefern. Ein Teil des Optokopplers 516, der optisch betriebene Transistor 518, ist mit der Steuerung 500 gekoppelt. Der FET 126 in der Sekundärschaltung 104 dient als Synchron-Gleichrichter und ist mit einem FET-Treiber 520 gekoppelt. Der FET-Treiber 520 kann jeder geeignete Treiber/Steuerung des Sekundärseiten-Synchron-Gleichrichters sein, wie das Teil Nummer NCP4305, Sekundärseiten-Synchron-Gleichrichter-Treiber, der über ON Semiconductor aus Phoenix, Arizona erhältlich ist.
  • Die Steuerung 500 umfasst ein Halbleitersubstrat 522, auf dem verschiedene Schaltungen konstruiert sind. Das Halbleitersubstrat 522 der Steuerung 500 kann in jeder geeigneten Form verpackt sein, wie einem 16-Pin Dual In-Line (DIP)-Paket. Die Beispielschaltungen, die auf dem Halbleitersubstrat 522 umgesetzt sind, können jede geeignete Form haben. Beispielsweise können einige der Funktionen umgesetzt werden, indem individuelle Schaltungskomponenten (z. B. Transistoren, Kondensatoren, Widerstände usw.) angeordnet werden, um die Funktion zu erfüllen. In anderen Fällen können die Funktionen als Anweisungen umgesetzt werden, die in einem oder mehreren auf dem Halbleitersubstrat 522 definierten Prozessorkernen ausgeführt werden. In noch anderen Fällen können die Funktionen teilweise durch individuelle Schaltungskomponenten umgesetzt werden, und teilweise durch über Prozessorkerne ausgeführte Anweisungen.
  • Weiterhin mit Bezug auf 5 wird das Gate des Haupt-FET 114 mit der Steuerung 500 gekoppelt, und genauer gesagt, mit der Hauptsteuerschaltung 524 gekoppelt. Ebenso wird das Gate des Haupt-FET 118 mit der Steuerung 500 gekoppelt, und genauer gesagt, mit der Klemmensteuerschaltung 526 gekoppelt. Wie oben angedeutet, wird der Transistor 518 des Optokopplers 516 mit der Steuerung 500 gekoppelt, und genauer gesagt, mit der Hauptsteuerschaltung 524 gekoppelt.
  • Die Erläuterung des Betriebs des Stromrichters 100 mit Bezug auf die 1 und 2A-2D erfolgte im Hinblick auf den elektrischen Strom, der durch die Primärschaltung 102 fließt. In Beispielausführungsformen agiert die Steuerung 500 durch das Messen eines Signals, das einen Stromfluss durch die Primärwicklung 110 des Sperrwandlers 106 anzeigt (oder gleichwertig, eines Signals, das einen Stromfluss durch den Schaltknoten 112 anzeigt), im Folgenden lediglich als „ein Signal zur Anzeige eines Stromflusses“ bezeichnet. In einigen Fällen kann das Signal zur Anzeige eines Stromflusses eine direkte Messung eines Stromflusses sein (z. B.: ein Stromwandler, der in der Primärschaltung 102 gekoppelt ist, ein Messwiderstand in Reihe in der Primärschaltung 102). In anderen Ausführungsformen kann jedoch das Signal zur Anzeige eines Stromflusses eine Spannung sein, aus welcher der zugrundeliegende elektrische Strom gefolgert werden kann. In der Beispielausführungsform in 5 hat die Steuerung 500 eine Spannungsmessschaltung 528, die auf dem Halbleitersubstrat 522 definiert ist, und die Spannungsmessschaltung 528 ist mit dem Schaltknoten 112 gekoppelt, wobei die Spannung auf dem Schaltknoten 112 ein Signal ist, das den Stromfluss durch die Primärwicklung 110 anzeigt. Die Beispielspannungsmessschaltung 528 zeigt auch eine optionale Kopplung mit dem Knoten zwischen dem Haupt-FET 114 und dem Messwiderstand 116. Zu bestimmten Zeiten (z. B. wenn die Spannung auf dem Schaltknoten 112 negativ ist und die Bodydiode 506 also vorwärts betrieben wird), ist die Spannung am Knoten zwischen dem Haupt-FET 114 und dem Messwiderstand 116 auch ein Signal zur Anzeige eines Stromflusses. Beispielnutzungen der an dem Messwiderstand 116 gemessenen Spannung werden untenstehend genauer erläutert.
  • Die Beispielsteuerung 500 umfasst mehrere Schaltungen, die zusammen agieren, um eine allgemeine Steuerung des Stromrichters 100 zu realisieren und den Negativstrom in der Primärschaltung 102 des Stromrichters 100 zu regeln. Insbesondere umfasst die Steuerung 500 einen Oszillator 530, der auf dem Halbleitersubstrat 522 definiert wird. Der Oszillator 530 definiert einen Taktausgang 532 und einen Modulationseingang 534. Der Oszillator 530 ist so konfiguriert, dass er ein Taktsignal bei einer Taktfrequenz auf dem Taktgeber 532 aufgrund eines Modulationssignals erzeugt, das an dem Modulationseingang 534 empfangen wird. Die Beispielsteuerung umfasst weiterhin die Spannungsmessschaltung 528, die auf dem Halbleitersubstrat 522 definiert ist. Die Spannungsmessschaltung 528 definiert einen ersten Messeingang 536, einen zweiten Messeingang 538, der optional ist, und einen Messausgang 540. Der erste Messeingang 536 ist mit dem Schaltknoten 112, wie oben erläutert, gekoppelt: Die Spannungsmessschaltung 528 ist so konfiguriert, dass sie das Signal zur Anzeige eines Stromflusses über den ersten Messeingang 536 misst. Der zweite Messeingang 538 (sofern vorhanden) ist mit dem Knoten zwischen dem Messwiderstand 116 und dem Haupt-FET 114 gekoppelt. Die Spannungsmessschaltung 528 ist so konfiguriert, dass sie das Signal zur Anzeige eines Stromflusses über den zweiten Messeingang 538 misst. Die Beispiel-Spannungsmessschaltung 528 erzeugt auf dem Messausgang 540 ein Messsignal (das den Strom durch die Primärwicklung anzeigt). In einigen Fällen kann die Spannung in der Primärschaltung 102 mehrere hundert Volt betragen (insbesondere während des Rücklaufmodus) und so kann die Spannungsmessschaltung 528 das Messsignal an dem Messausgang 540 so erzeugen, dass es sich um eine skalierte Version der Spannung an dem ersten Messeingang 536 handelt.
  • Die Beispielsteuerung 500 umfasst weiterhin eine Modulationsschaltung 542, die auf dem Halbleitersubstrat 522 definiert ist. Die Modulationsschaltung 542 definiert einen Takteingang 544, einen Messeingang 546 und einen Modulationsausgang 548. Der Takteingang 544 ist mit dem Taktausgang 532 des Oszillators 530 gekoppelt und somit mit dem Taktsignal gekoppelt. Der Takteingang 546 ist mit dem Messausgang 540 der Spannungsmessschaltung 528 gekoppelt und somit mit dem Messsignal gekoppelt. Der Modulationsausgang 548 ist mit dem Modulationseingang 534 des Oszillators 530 gekoppelt. Die Erläuterung zum Betrieb der Modulationsschaltung wird nach der Einführung der verbleibenden Komponenten der Steuerung 500 fortgesetzt.
  • Die Beispielsteuerung 500 umfasst weiterhin die Klemmensteuerschaltung 526, die auf dem Halbleitersubstrat 522 definiert ist. Die Klemmensteuerschaltung 526 definiert einen Takteingang 550, einen Messeingang 552 und einen Klemmentreiberausgang 554. Der Takteingang 550 ist mit dem Taktausgang 532 des Oszillators 530 gekoppelt und somit mit dem Taktsignal gekoppelt. Der Messeingang 552 der Klemmensteuerschaltung 526 ist mit dem Messausgang 540 der Spannungsmessschaltung 528 gekoppelt und somit mit dem Messsignal gekoppelt. Der Klemmentreiberausgang 554 ist mit dem Gate des Klemmen-FET 118 gekoppelt.
  • Die Beispiel-Klemmensteuerschaltung 526 ist so konfiguriert, dass sie den Klemmentreiberausgang 554 entsprechend dem Messsignal durchsetzt, das an dem Messeingang 552 empfangen wird (was somit den Klemmen-FET 118 leitend macht), und über einen zweiten vorbestimmten Grenzwert steigt (nachdem der Haupttreiberausgang 560 nicht mehr angesprochen wird). Gemäß zumindest einiger Ausführungsformen handelt es sich bei der zweiten vorherbestimmten Spannung um einen Nicht-Null-Spannungsgrenzwert, der anzeigt, dass eine Null-Volt-Schaltbedingung für den Klemmen-FET 118 kurz danach stattfinden wird. Die Beispiel-Klemmensteuerschaltung 526 ist weiterhin so konfiguriert, dass sie den Klemmentreiberausgang 554 nicht mehr durchsetzt, als Reaktion auf eine Durchsetzung des Takteingangs 550 (d.h. der Durchsetzung des Taktsignals).
  • Die Beispielsteuerung 500 umfasst weiterhin die Hauptsteuerschaltung 524, die auf dem Halbleitersubstrat 522 definiert ist. Die Hauptsteuerschaltung 524 definiert einen Messeingang 556, einen Rückleitungseingang 558 und einen Haupttreiberausgang 560. Der Messeingang 556 der Hauptsteuerschaltung 524 ist mit dem Messausgang 540 der Spannungsmessschaltung 528 gekoppelt und somit mit dem Messsignal gekoppelt. Der Rückführeingang 558 ist mit einem Rückführsignal aus einer Sekundärschaltung 104 des Stromrichters gekoppelt. In dem Beispielsystem ist der Rückführeingang 558 mit den Transistoren 518 des Optokopplers 516 gekoppelt und erhält so eine Anzeige der Ausgangsspannung VOUT der Sekundärschaltung 104. Der Haupttreiberausgang 560 ist mit dem Gate eines Haupt-FET 114 gekoppelt.
  • Entsprechend der Beispielausführungsform ist die Hauptsteuerschaltung 524 so konfiguriert, dass sie den Haupttreiberausgang 560 als Reaktion auf das Messsignal von dem Messeingang 556 durchsetzt (und somit den Haupt-FET 114 leitend setzt). Die Beispiel-Hauptsteuerschaltung 524 wird weiterhin so konfiguriert, dass sie den Haupttreiberausgang 560 auf der Basis des Rückführsignals, das auf dem Rückführeingang 558 empfangen wird, nicht durchsetzt.
  • Die Beispiel-Modulationsschaltung 542 ist so konfiguriert, dass sie das Messsignal überwacht (das sich zu einem einen Negativstrom anzeigenden Signal proportional verhält), das an dem Messeingang 546 empfangen wird. Darüber hinaus ist die Modulationsschaltung 542 so konfiguriert, dass sie das Taktsignal überwacht und dazu konfiguriert ist, die Taktfrequenz des Taktsignals zu regeln, indem sie das Modulationssignal 548 ändert, das auf der Basis des Taktsignals zu dem Modulationsausgang geliefert wird. Beispielsweise ist die Modulationsschaltung 542 so konfiguriert, dass sie die Frequenz des Taktsignals erhöht, wenn das Messsignal darauf hinweist, dass ein überschüssiger Negativstrom vorliegt. Als Gegenstück ist die Modulationsschaltung 542 so konfiguriert, dass sie die Frequenz des Taktsignals verringert, wenn das Messsignal darauf hinweist dass ein unzureichender Negativstrom vorliegt.
  • 6 zeigt ein Zeitdiagramm mit verschiedenen Signalen gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Insbesondere zeigt das Diagramm 600 eine Taktsignalspannung als eine Zeitfunktion, das Diagramm 602 ein Klemmentreibersignal als Zeitfunktion, das Diagramm 604 zeigt ein Haupttreibersignal als Zeitfunktion und Diagramm 606 zeigt eine Schaltknotenspannung als Zeitfunktion. Die verschiedenen Diagramme 600-606 werden geschichtet angezeigt, sodass die Zeitachse in jedem Diagramm übereinstimmt.
  • Im Hinblick auf 5 und 6 gemeinsam. Betrachten wir zunächst die Zeit „t1“ in der 6. Direkt vor dem Zeitpunkt „t1“ wird das Klemmentreibersignal angesprochen (hier, hoch angesprochen) und die Spannung an dem Schaltknoten 112 fällt, vermutlich darauf hinweisend, dass der elektrische Strom in der Primärschaltung 102 die Richtung als Teil der Resonanz geändert hat (z. B. elektrischer Strom IN wie in 2C gezeigt). Zum Zeitpunkt „t1“ wird das Taktsignal angesprochen (hier, hoch angesprochen), und als Reaktion darauf deaktiviert die Klemmensteuerschaltung 526 das Klemmentreibersignal (wodurch der Klemmen-FET 118 nicht leitend wird). Der elektrische Stromfluss in der Primärschaltung 102 und somit die Spannung am Schaltknoten 112 beginnt somit wie angezeigt abzunehmen.
  • Die Hauptsteuerschaltung 524 ist ausgelegt und konstruiert, um den Haupttreiberausgang 560 anzusprechen und so den Haupt-FET 114 an einem Null-Volt-Schaltpunkt oder Null-Strom-Schaltpunkt leitend zu machen. Da jedoch eine parasitäre Kapazität in der Primärschaltung 102 auftritt und insbesondere durch die parasitäre Kapazität des Haupt-FET 114 selbst tritt nicht notwendigerweise eine Null-Volt-Schaltung des Haupt-FET 114 auf, wenn die Spannung auf dem Schaltknoten 112 Null erreicht. Stattdessen tritt eine Null-Volt-Schaltung auf, nachdem die parasitäre Kapazität (in 5 als Kondensator 510 dargestellt) entladen wurde. In den beispielhaften Zeitdiagrammen in 6 ist die Spitzennegativspannung 608 zum Zeitpunkt „t2“ die Negativspannung (und der dazugehörige Negativstrom), die verwendet wird, um den Kondensator 510 zu entladen. Einmal entladen, wechselt das Beispielsystem in den Energiespeichermodus.
  • Das Zeitfenster für die Null-Volt-Schaltung ist jedoch klein, unter Umständen im Bereich von Nanosekunden. Unter Berücksichtigung der Laufzeitverzögerungen für Signale in der Steuerung 500 erschweren die Signallaufzeitverzögerungen in der Steuerung 500 dann, wenn eine Schaltung direkt einen Null-Volt-Schaltpunkt erkannt hat, das hinreichend schnelle Ansprechen des Haupttreiberausgangs 560 für die gewünschte Null-Volt-Schaltung. Daher kann in einigen Beispielausführungsformen die Steuerung 500 und insbesondere die Hauptsteuerschaltung 524 eine vorausschauende Null-Volt-Schaltung durchführen. Das bedeutet, dass in dem Zeitraum zwischen „t1“ und „t2“ die Hauptsteuerschaltung 524 die Spannung am Schaltknoten 112 misst (über die Spannungsmessschaltung 528). Während die Spannung an dem Schaltknoten 112 unter einen vorbestimmten Spannungsgrenzwert 610 fällt (z. B. 12 Volt), löst die Hauptsteuerschaltung 524 den Prozess zum Ansprechen des Haupttreiberausgangs 560 aus, wobei das Ansprechen tatsächlich zum Zeitpunkt „t2“ in 6 eintritt. Etwas anders ausgedrückt, spricht die Hauptsteuerschaltung 524 den Haupttreiberausgang 560 als Reaktion darauf an, dass das Messsignal an dem Messeingang 556 unter einen vorbestimmten Spannungsgrenzwert fällt, der nicht Null beträgt, und wo der vorherbestimmte Spannungsgrenzwert anzeigt, dass danach eine Null-Volt-Schaltbedingung eintreten wird.
  • Dennoch tritt der Stromrichter 100 in den Energiespeichermodus ein (wie im Hinblick auf 2A erläutert), sobald der Haupttreiberausgang 560 angesprochen wird (zum Zeitpunkt „t2“), wodurch der Haupt-FET 114 aktiviert wird. In dem Beispielzeitdiagramm wird das Haupttreibersignal des Diagramms 604 zwischen dem Zeitpunkt „t2“ und dem Zeitpunkt „t3“ angesprochen. Die Hauptsteuerschaltung 524 beendet das Ansprechen des Haupttreiberausgangs 560 auf der Basis eines Rückführsignals an dem Rückführeingang 558 der Sekundärschaltung 104. Der beispielhafte Stromrichter 100 tritt so in den Rücklaufmodus ein (wie im Zusammenhang mit 2B erläutert).
  • In der vorstehenden Erläuterung des Rücklaufmodus (in Zusammenhang mit 2B) wird der Klemmen-FET 118 als leitend gezeigt; jedoch wird in Beispielsystemen der Klemmen-FET 118 für einen endlichen Zeitraum nachdem der Haupt-FET 114 nicht leitend gesetzt wurde, leitend gesetzt. Das bedeutet, die Beispiel-Klemmensteuerschaltung 526 ist so ausgelegt und konstruiert, dass sie den Klemmentreiberausgang 554 anspricht und so den Klemmen-FET 118 an einem Null-Volt-Schaltpunkt oder Null-Strom-Schaltpunkt leitend macht. Jedoch wiederum aufgrund der Kapazität in der Primärschaltung 102 und insbesondere in dem Klemmenkondensator 120 und der parasitären Kapazität des Haupt-FET 118 selbst (in 5 als Kondensator 512 dargestellt) tritt eine Null-Volt-Schaltung des Haupt-FET 118 nicht auf, wenn die Spannung auf dem Schaltknoten 112 Null erreicht. Stattdessen tritt eine Null-Volt-Schaltung des Klemmen-FET 118 dann auf, wenn die Spannung am Schaltknoten 112 der Spannung am Klemmenkondensator 120 entspricht. In etwas anderen Worten tritt eine Null-Volt-Schaltung des Klemmen-FET 118 dann auf, wenn die Bodydiode 508 gerade damit beginnt, während des Rücklaufmodus des Stromrichters 100 zu leiten.
  • Dennoch ist das Zeitfenster für die Null-Volt-Schaltung des Klemmen-FET 118 klein, unter Umständen im Bereich von Nanosekunden. Wie oben erläutert, erschweren unter Berücksichtigung der Laufzeitverzögerungen für Signale in der Steuerung 500 die Signallaufzeitverzögerungen in der Steuerung 500 dann, wenn eine Schaltung direkt einen Null-Volt-Schaltpunkt erkannt hat, das hinreichend schnelle Ansprechen des Klemmentreiberausgangs 554 für die gewünschte Null-Volt-Schaltung. Daher kann in einigen Beispielausführungsformen die Steuerung 500 und insbesondere die Klemmensteuerschaltung 526 eine vorausschauende Null-Volt-Schaltung durchführen. Das bedeutet, dass in dem Zeitraum nach „t3“ die Klemmensteuerschaltung 526 die Spannung am Schaltknoten 112 mithilfe des Messeingangs 552 misst (über die Spannungsmessschaltung 528). Während die Spannung an dem Schaltknoten 112 über einen vorbestimmten Spannungsgrenzwert 612 ansteigt (z. B. 2 Volt), löst die Klemmensteuerschaltung 526 den Prozess zum Ansprechen des Klemmentreiberausgangs 554 aus, wobei das Ansprechen tatsächlich zum Zeitpunkt „t4“ in 6 eintritt. Etwas anders ausgedrückt spricht die Klemmensteuerschaltung 526 den Klemmentreiberausgang 554 als Reaktion darauf an, dass das Messsignal an dem Messeingang 552 über einen vorbestimmten Spannungsgrenzwert ansteigt, der nicht Null beträgt, und wo der vorherbestimmte Spannungsgrenzwert anzeigt, dass danach eine Null-Volt-Schaltbedingung eintreten wird. Dennoch wird der Klemmentreiberausgang 554 angesprochen (zum Zeitpunkt „t4“) und so der Klemmen-FET 118 aktiviert. In dem Beispielzeitdiagramm wird das Klemmentreibersignal des Diagramms 602 zwischen dem Zeitpunkt „t4“ und dem Zeitpunkt „t6“ angesprochen. Die Klemmensteuerschaltung 526 beendet die Ansprache des Klemmentreiberausgangs 554 als Reaktion auf ein Ansprechen auf das Taktsignal, das an dem Takteingang 550 empfangen wird. Man kann sagen, dass der Resonanzenergieübertragungsmodus dann beginnt, wenn in der Primärschaltung 102 ein Negativstrom entwickelt wird, wie zum Zeitpunkt „t5“ (d.h. wenn die Spannung am Schaltknoten 112 zu sinken beginnt).
  • Weiterhin mit Bezug auf 5 und 6 überwacht in Beispielsystemen die Modulationsschaltung 542 auch das Messsignal über den Messeingang 546. Die Modulationsschaltung 542 regelt den Taktzeitraum (oder die Taktfrequenz als Umkehrung des Zeitraums) des Taktsignals durch Modulieren oder Ändern des Modulationssignals, das zum Modulationsausgang 548 treibt. In Beharrungszuständen (z. B. stationärer Last und konstanter VIN) erreicht die Modulationsschaltung 542 eine Null-Volt-Schaltung des Haupt-FET 114. Genauer gesagt, regelt die Modulationsschaltung 542 den Negativstrom zum Ausgleich der Überlegungen zur Senkung der Magnetisierungs- und Kernverluste im Transformator (insbesondere bei Niedriglasten), während dennoch ein ausreichender Negativstrom erzielt wird, um eine Null-Volt-Schaltung des Haupt-FET 114 umzusetzen. So steuert die Modulationsschaltung 542 den Taktzeitraum T des beispielhaften Taktsignals in Diagramm 600. Beispielsweise erhöht die Modulationsschaltung 542 die Frequenz des Taktsignals (d.h. verkürzt den Taktzeitraum T), wenn das Messsignal daraufhinweist, dass ein überschüssiger Negativstrom vorliegt. In einigen Beispielsystemen erhöht die Modulationsschaltung 542 die Frequenz des Taktsignals in jedem Zyklus um einen Wert, der sich proportional zum überschüssigen Negativstrom verhält. In anderen Fällen erhöht die Modulationsschaltung 542 die Frequenz des Taktsignals in jedem Zyklus um einen vorbestimmten Wert. In diesem Zusammenhängt verringert die Modulationsschaltung 542 die Taktfrequenz (d.h. verlängert den Taktzeitraum T), wenn das Messsignal darauf hinweist, dass ein unzureichender Negativstrom vorliegt. In einigen Beispielsystemen verringert die Modulationsschaltung 542 die Frequenz des Taktsignals um einen Wert, der sich proportional zum unzureichenden Negativstrom verhält. In anderen Fällen verringert die Modulationsschaltung 542 die Frequenz des Taktsignals um einen vorbestimmten Wert.
  • Bevor wir uns Beispielschaltungen im Hinblick auf die Regelung zuwenden, wird festgehalten, dass die Beispielausführungsformen das Gleichgewicht zwischen der Reduzierung oder Minimierung der Magnetisierungs- und Kernverluste im Transformator erzielen und ausreichenden Negativstrom aufweisen, um eine Null-Volt-Schaltung am Haupt-FET 114 in Beharrungszuständen umzusetzen; jedoch kann in Zeiträumen, in denen sich die Last ändert (oder die Eingangsspannung VIN gleich bleibt), die Null-Volt-Schaltung bei jeder und jeglicher Aktivierung des Haupt-FET 114 ausbleiben.
  • Kehren wir zurück zu 5, die Regelung des Negativstroms gemäß der Beispielausführungsformen basiert auf der Zeitplanung für die Spannung am Schaltknoten 112 wie durch Beispiel-Zeitgeber gemessen. Daher umfasst die Steuerung 500 in einigen Ausführungsformen einen Referenz-Zeitgeber 562, der auf dem Halbleitersubstrat 522 definiert wird. Der Referenz-Zeitgeber 562 definiert einen Auslösereingang 564, einen Rücksetzeingang 566 und einen Zeitgeberausgang 568. Der Auslösereingang 564 ist mit dem Taktsignal gekoppelt, und der Rücksetzeingang 566 ist mit dem Haupttreiberausgang 560 gekoppelt. Die Beispielsteuerung 500 umfasst weiterhin einen Maximal-Zeitgeber 570, der auf dem Halbleitersubstrat 522 definiert ist. Der Maximal-Zeitgeber 570 definiert einen Auslösereingang 572, einen Rücksetzeingang 574 und einen Zeitgeberausgang 576. Der Auslösereingang 572 des Maximal-Zeitgebers 570 ist mit dem Taktsignal gekoppelt. Der Rücksetzeingang 574 des Maximal-Zeitgebers 570 ist mit dem Haupttreiberausgang 560 gekoppelt.
  • Die Beispiel-Zeitgeber 562 und 570 sind mit der Modulationsschaltung 542 gekoppelt, um die Modulationsschaltung 542 zur Regelung des Negativstroms zu ermöglichen. Insbesondere verfügt die Modulationsschaltung 542 über einen ersten Zeitgebereingang 578, der mit dem Zeitgeberausgang 568 des Referenz-Zeitgebers 562 gekoppelt ist, und die Modulationsschaltung 542 verfügt über einen zweiten Zeitgebereingang 580, der mit dem Zeitgeberausgang 576 des Maximal-Zeitgebers 570 gekoppelt ist. Die Beispiel-Modulationsschaltung 542 ist so konfiguriert, dass sie die Taktfrequenz des Oszillators erhöht, wenn das einen Negativstrom anzeigende Signal (d.h., das Messsignal) unter einen vorherbestimmten Spannungsgrenzwert fällt (z. B. den vorherbestimmten Spannungsgrenzwert 610 (6)), bevor der Zeitgeberausgang 568 des Referenz-Zeitgebers 562 angesprochen wird. In diesem Zusammenhang ist die Beispiel-Modulationsschaltung 542 in Beispielsystemen so konfiguriert, dass sie die Taktfrequenz des Oszillators senkt, wenn das einen Negativstrom anzeigende Signal (d.h., das Messsignal) unter den vorherbestimmten Spannungsgrenzwert fällt (z. B. den vorherbestimmten Spannungsgrenzwert 610 (6)), bevor der Zeitgeberausgang 568 des Referenz-Zeitgebers 562 angesprochen wird. Darüber hinaus ist die Modulationsschaltung 542 so konfiguriert, dass sie eine nicht-lineare Änderung der Taktfrequenz des Oszillators durchführt, wenn das einen Negativstrom anzeigende Signal nicht unter den vorbestimmten Grenzwert fällt, bevor der Zeitgeberausgang 576 des Maximal-Zeitgebers 570 durchgesetzt wird.
  • 7 zeigt ein Zeitdiagramm mit verschiedenen Signalen gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Insbesondere zeigt Diagramm 700 einen Satz co-geplotteter Spannungen auf dem Schaltknoten 112 als Zeitfunktion, Diagramm 702 zeigt das Zeitgeberausgangsignal des Referenz-Zeitgebers 562 (5) als Zeitfunktion, Diagramm 704 zeigt das Zeitgeberausgangssignal des Maximal-Zeitgebers 570 (5) als Zeitfunktion, Diagramm 706 zeigt das Treibersignal auf dem Haupttreiberausgang 560 als Zeitfunktion und Diagramm 708 zeigt ein Verhältnis einer Änderungsmenge der Taktfrequenz im Verhältnis zur Zeitplanung der Spannung am Schaltknoten, die unter den vorherbestimmten Spannungsgrenzwert fällt (angezeigt als „ZVS Grenzwert“ in 7).
  • Mit gleichzeitigem Verweis auf 5 und 7 und insbesondere Diagramm 700. Diagramm 700 zeigt vier Beispielspannungen, die am Schaltknoten 112 als Zeitfunktion gemessen werden. Die durchgezogene Linie 710 zeigt eine sinkende Schaltknotenspannung als Zeitfunktion und das Überschreiten des ZVS-Grenzwerts zum Zeitpunkt „t3“. Zu Erklärungszwecken ist zu bedenken, dass der Fall einer Schaltknoten-Spannung, die durch die durchgezogene Linie 710 dargestellt wird, die ideale Situation für das Erzielen der Null-Volt-Schaltung für den Haupt-FET 114 ist. In etwas anderen Worten stellt der Fall der Schaltknoten-Spannung, die durch die durchgezogene Linie 710 dargestellt wird, eine Situation dar, in der die Taktfrequenz präzise die richtige Menge eines Negativstroms ermöglicht, um eine Null-Volt-Schaltung des Haupt-FET 114 zu erlauben. In Beispielsystemen produziert der Referenz-Zeitgeber 562 das Zeitgeberausgangssignal, das durch Diagramm 702 dargestellt wird. Der Zeitgeber beginnt aufgrund der Ansprache des Taktsignals (nicht dargestellt) bei „t0“ und der Zeitgeber läuft zum Zeitpunkt „t3“ aus. Einen endlichen Zeitraum, nachdem die Schaltknoten-Spannung den ZVS-Grenzwert über- oder unterschreitet, wird der Haupttreiberausgang angesprochen (zum Zeitpunkt „t4“). Daher über- oder unterschreitet in der Beispielsituation die Schaltknoten-Spannung den ZVS-Grenzwert gleichzeitig mit dem Auslaufen des Referenz-Zeitgebers (z. B. innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters, das um das Auslaufen des Referenzzeitraums besteht), und mit Verweis auf Diagramm 708 nimmt die Modulationsschaltung 542 keine Änderung an der Taktfrequenz vor.
  • Betrachten wir nun Diagramm 700 erneut und insbesondere die gestrichelte Linie 712. Zur Erklärungszwecken ist anzunehmen, dass der Fall einer Schaltknoten-Spannung, wie sie von der gestrichelten Linie 712 dargestellt wird, eine Situation ist, in der der Negativstrom zu hoch ist (d.h. es besteht ein überschüssiger Negativstrom). Da die Hauptsteuerschaltung 524 den Haupttreiberausgang 560 nach einem bestimmten Zeitraum anspricht, nachdem die Schaltknoten-Spannung unter den ZVS-Grenzwert gefallen ist, wird dann, wenn der Negativstrom zu hoch ist, der Haupt-FET 114 voraussichtlich nicht zum Null-Volt-Schaltungspunkt geschaltet, und voraussichtlich wird der Haupt-FET 114 mit einer negativen Spannung über den FET und seine Bodydiode 506 leitend geschaltet. Mit etwas anderen Worten stellt der Fall der von der gestrichelten Linie 712 dargestellten Schaltknoten-Spannung eine Situation dar, in der die Taktfrequenz zu einem Schalten des Haupt-FET 114 führt, die zu spät ist, um eine Null-Volt-Schaltung zu erzielen. Wie vorher, produziert der Referenz-Zeitgeber 562 das Zeitgeberausgangssignal, das durch Diagramm 702 dargestellt wird. Der Zeitgeber beginnt aufgrund der Ansprache des Taktsignals (nicht dargestellt) bei „t0“ und der Zeitgeber läuft zum Zeitpunkt „t3“ aus. Da die Schaltknoten-Spannung zum Zeitpunkt „t1“ den ZVS-Grenzwert über- oder unterschritten hat, spricht die Hauptsteuerschaltung 524 den Haupttreiberausgang um einen endlichen Zeitraum später an (zum Zeitpunkt „t2“). In der Beispielsituation über- oder unterschreitet die Schaltknoten-Spannung daher den ZVS-Grenzwert vor dem Ablaufen des Referenz-Zeitgebers, und mit Verweis auf Diagramm 708 erhöht die Modulationsschaltung 542 die Frequenz auf der Basis von oder proportional dazu, wie früh der ZVS-Grenzwert im Verhältnis zum Auslaufen des Referenz-Zeitgebers zum Zeitpunkt „t3“ überquert wurde. Betrachten wir nun Diagramm 700 erneut und insbesondere die Strich-Punkt-Linie 714. Zur Erklärungszwecken ist anzunehmen, dass der Fall einer Schaltknoten-Spannung, wie sie von der Strich-Punkt-Linie 714 dargestellt wird, eine Situation ist, in der der Negativstrom zu gering ist (d.h. es besteht ein unzureichender Negativstrom). Da die Hauptsteuerschaltung 524 den Haupttreiberausgang 560 nach einem bestimmten Zeitraum anspricht, nachdem die Schaltknoten-Spannung unter den ZVS-Grenzwert gefallen ist, wird dann, wenn der Negativstrom zu gering ist, der Haupt-FET 114 voraussichtlich nicht zum Null-Volt-Schaltungspunkt geschaltet, und voraussichtlich wird der Haupt-FET 114 mit einer positiven Spannung über den FET leitend geschaltet (d.h. die parasitäre Kapazität dargestellt durch den Kondensator 510 ist nicht vollständig entladen). Mit etwas anderen Worten stellt der Fall der von der Strich-Punkt-Linie 714 dargestellten Schaltknoten-Spannung eine Situation dar, in der die Taktfrequenz zu einem Schalten des Haupt-FET 114 führt, die zu früh ist, um eine Null-Volt-Schaltung zu erzielen. Wie vorher, produziert der Referenz-Zeitgeber 562 das Zeitgeberausgangssignal, das durch Diagramm 702 dargestellt wird. Der Zeitgeber beginnt aufgrund der Ansprache des Taktsignals (nicht dargestellt) bei „t0“ und der Zeitgeber läuft zum Zeitpunkt „t3“ aus. Da die Schaltknoten-Spannung zum Zeitpunkt „t5“ den ZVS-Grenzwert über- oder unterschritten hat, spricht die Hauptsteuerschaltung 524 den Haupttreiberausgang um einen endlichen Zeitraum später an (zum Zeitpunkt „t6“). In der Beispielsituation über- oder unterschreitet die Schaltknoten-Spannung daher den ZVS-Grenzwert nach dem Ablaufen des Referenz-Zeitgebers, und mit Verweis auf Diagramm 708 verringert die Modulationsschaltung 542 die Frequenz auf der Basis von oder proportional dazu, wie spät der ZVS-Grenzwert im Verhältnis zum Auslaufen des Referenz-Zeitgebers zum Zeitpunkt „t3“ überquert wurde.
  • Betrachten wir nun Diagramm 700 erneut und insbesondere die Strich-Punkt-Punkt-Strich-Linie 716. Zur Erklärungszwecken ist anzunehmen, dass der Fall einer Schaltknoten-Spannung, wie sie von der Strich-Punkt-Punkt-Strich-Linie 716 dargestellt wird, eine Situation ist, in der der Negativstrom ebenfalls zu gering ist (d.h. es besteht ein unzureichender Negativstrom), sodass der ZVS-Grenzwert nicht überquert wird. In dieser Situation zwingt die Modulationsschaltung 542 den Haupt-FET 114 zum Zeitpunkt „t7“ zur Aktivierung, unabhängig von der Spannung über dem FET. Mit etwas anderen Worten, der Fall der Schaltknoten-Spannung, die von der Strich-Punkt-Punkt-Strich-Linie 716 dargestellt wird, ist eine Situation, in der die Taktfrequenz so weit verschoben ist, dass zur Beibehaltung einer Ausgangsspannung, die Steuerung 500 die Primärschaltung 102 zurück in den Energiespeichermodus zwingt. Der Maximal-Zeitgeber 570 steuert diesen Fall und produziert das Zeitgeberausgangssignal, das in Diagramm 704 dargestellt wird. Der Maximal-Zeitgeber 570 beginnt aufgrund der Ansprache des Taktsignals (nicht dargestellt) bei „t0“ und der Maximal-Zeitgeber läuft zum Zeitpunkt „t7“ aus. Da die Schaltknoten-Spannung zum Zeitpunkt „t7“ den ZVS-Grenzwert nicht gekreuzt hat, spricht die Hauptsteuerschaltung 524 den Haupttreiberausgang 560 an. Mit Verweis auf Diagramm 708, in der Situation, in der die Schaltknoten-Spannung den ZVS-Grenzwert nicht kreuzt, nimmt die Modulationsschaltung 542 eine nicht-lineare Änderung an der Taktfrequenz vor.
  • Die verschiedenen Ausführungsformen, die im Hinblick auf 7 erläutert wurden, nehmen Änderungen an der Taktfrequenz vor, und zwar auf der Basis dessen, wie lange davor oder danach die Schaltknoten-Spannung durch den ZVS-Grenzwert in Abhängigkeit zum Referenz-Zeitgeber 562 durchbricht. Andere Parameter können jedoch dazu verwendet werden, einen Wert zu steuern, um den die Taktfrequenz geändert wird. Kehren wir zu 5 zurück: wie zuvor erläutert, ist in einigen Fällen die Spannungsmessschaltung 528 mit dem Knoten zwischen dem Haupt-FET 114 und dem Messwiderstand 116 gekoppelt. In Zeiträumen, in denen der Haupt-FET 114 leitend ist, zeigt die Spannung an dem Messwiderstand den Stromfluss durch den Haupt-FET 114 an. In Zeiträumen, in denen der Haupt-FET 114 nicht leitend ist, und die Bodydiode 506 aufgrund der Spannung an dem Schaltknoten 112 in Sperrrichtung verläuft, ist die Spannung am Messwiderstand 506 effektiv Erde oder Masse. In Zeiträumen jedoch, in denen ein Negativstrom in der Primärschaltung 102 vorliegt, kann die Negativspannung an dem Schaltknoten 112 die Bodydiode 506 vorwärts richten, nachdem die parasitäre Kapazität, die durch den Kondensator 510 dargestellt wird, entladen ist, und es kommt so zu kleinen Negativspannungen am Messwiderstand 116. Gemäß alternativer Ausführungsformen modulieren die weiteren Beispielsysteme auf der Basis der an dem Messwiderstand 116 gemessenen Spannungen zusätzlich zu oder statt den Änderungen an der Taktfrequenz proportional dazu, wie kurz oder lang der Zeitraum ist zwischen dem Kreuzen des ZVS-Grenzwert und der Schaltknoten-Spannung im Verhältnis zum Referenz-Zeitgeber 562. Beispielsweise kann die Modulationsschaltung 542 Änderungen an der Taktfrequenz aufgrund der Spitzennegativspannung vornehmen, die am Messwiderstand 116 gemessen wurde (wobei eine Negativspannung darauf hindeutet, dass die Bodydiode 506 des Haupt-FET 114 nach vorwärts gerichtet ist). Ist die Spitzennegativspannung zu hoch, so erhöht die Modulationsschaltung 542 die Frequenz. Ist die Spitzennegativspannung zu gering (oder die Spannung wird nicht negativ), so verringert die Modulationsschaltung 542 die Frequenz.
  • Andere Beispielverfahren und -systeme können verwendet werden, um ein Signal zur Anzeige eines Stromflusses (insbesondere einen Negativstromfluss) durch die Primärwicklung zu messen. Beispielsweise kann der Klemmen-FET 118 ein SENSEFET-Markenprodukt sein, dass über ON Semiconductor verfügbar ist, wobei der Klemmen-FET einen zweiten FET auf dem gleichen Substrat einschließt, dessen geleiteter Strom ein kleiner Anteil des, jedoch proportional zu dem Strom durch den Primär-FET ist. In anderen Fällen kann der Zeilentransformator 106 eine oder mehrere Messwicklungen umfassen, die magnetisch mit dem Kern gekoppelt sind, und so kann eine Spannung auf der Messwicklung, oder ein Strom, der als durch die Messwicklung fließend gemessen wird, ein Signal zur Anzeige eines Stromflusses in der Primärwicklung sein.
  • 8 zeigt ein Verfahren gemäß zumindest einiger Ausführungsformen. Insbesondere beginnt das Verfahren (Block 800) und umfasst: die Aktivierung eines Haupt-FET und dadurch die Induzierung eines positiven Stromflusses in einer Primärwicklung, wobei der positive Stromfluss zu einem Betrieb eines Gleichrichters einer Sekundärschaltung (Block 802) in Sperrrichtung führt; Deaktivierung des Haupt-FET und dadurch Betrieb des Gleichrichters in der Sekundärschaltung in Vorwärtsrichtung und Bewirken eines Stromflusses in der Sekundärwicklung (Block 804), Aktivierung eines Klemmen-FET und dadurch Koppeln eines Klemmenkondensators mit einer Streuinduktivität des Transformators, wobei die Primärschaltung anfänglich einen positiven Stromfluss durch die Primärwicklung aufweist und dann einen negativen Stromfluss durch die Primärwicklung (Block 806); und Regelung des negativen Stromflusses durch die Primärwicklung (Block 808). Das Verfahren endet danach (Block 810).
  • Anschauliche Ausführungsformen im Hinblick auf Verfahren. Beispielsweise umfasst in einem Sperrstromrichter mit aktiver Klemme mit einer Primärschaltung mit einem Hauptfeldeffekttransistor (FET), einem Klemmen-FET und einer Primärwicklung eines Transformators, wobei der Stromrichter eine Sekundärschaltung umfassend eine Sekundärwicklung des Transformators und einen aktiven oder passiven Gleichrichter einschließt, ein Verfahren Folgendes: die Aktivierung eines Haupt-FET und dadurch die Induzierung eines positiven Stromflusses in der Primärwicklung, wobei der positive Stromfluss zu einem Betrieb des Gleichrichters einer Sekundärschaltung in Sperrrichtung führt; Deaktivierung des Haupt-FET und dadurch Betrieb des Gleichrichters in der Sekundärschaltung in Vorwärtsrichtung und Bewirken eines Stromflusses in der Sekundärwicklung, Aktivierung des Klemmen-FET und dadurch Koppeln eines Klemmenkondensators mit einer Streuinduktivität des Transformators, wobei die Primärschaltung anfänglich einen positiven Stromfluss durch die Primärwicklung aufweist und dann einen negativen Stromfluss durch die Primärwicklung; und Regelung des negativen Stromflusses durch die Primärwicklung.
  • Die Regelung des Negativstromflusses durch die Primärwicklung kann weiterhin umfassen: Deaktivieren des Klemmen-FET; Überwachen eines Signals, das auf einen Negativstrom hinweist, der durch eine Primärwicklung fließt; und Ändern einer Frequenz eines Oszillators, der ein Taktsignal zur Deaktivierung des Klemmen-FET bereitstellt, wobei die Änderung der Frequenz eine Reaktion auf das Signal darstellt, das auf einen negativen Stromfluss hinweist. Die Änderung der Oszillatorfrequenz kann weiterhin die Erhöhung der Frequenz des Oszillators umfassen, wenn das einen Negativstromfluss anzeigende Signal einen übermäßigen Negativstrom anzeigt. Die Erhöhung der Oszillatorfrequenz kann weiterhin zumindest einen der aus einer Gruppe bestehend aus Folgendem ausgewählten Vorgang umfassen: Erhöhen der Frequenz um einen Wert, der proportional zum übermäßigen Negativstrom liegt; und Erhöhen der Frequenz um einen vorherbestimmten Wert. Die Änderung der Oszillatorfrequenz kann weiterhin die Verringerung der Frequenz des Oszillators umfassen, wenn das einen Negativstromfluss anzeigende Signal einen unzureichenden Negativstrom anzeigt. Die Verringerung der Oszillatorfrequenz kann weiterhin zumindest einen der aus einer Gruppe bestehend aus Folgendem ausgewählten Vorgang umfassen: Verringern der Frequenz um einen Wert, der proportional zum unzureichenden Negativstrom liegt; und Verringern der Frequenz um einen vorherbestimmten Wert. Die Änderung der Oszillatorfrequenz kann weiterhin umfassen: Ändern eines Zeitgebers, der auf die Deaktivierung des Klemmen-FET reagiert; und Erhöhen der Oszillatorfrequenz, wenn das Signal zur Anzeige eines Negativstromflusses vor dem Auslaufen des Zeitgebers unter einen vorherbestimmten Grenzwert fällt. Die Änderung der Oszillatorfrequenz kann weiterhin umfassen: Aktivieren eines Zeitgebers, der auf die Deaktivierung des Klemmen-FET reagiert; und Verringern der Oszillatorfrequenz, wenn das Signal zur Anzeige eines Negativstromflusses nach dem Auslaufen des Zeitgebers unter einen vorherbestimmten Grenzwert fällt.
  • Die Überwachung des Signal zur Anzeige eines Negativstromflusses durch die Primärwicklung kann weiterhin mindestens einen der aus einer Gruppe ausgewählten Vorgänge umfassen: Überwachen der Spannung an einem Schaltknoten zwischen der Primärwicklung und dem Haupt-FET; Messen des Stromflusses in dem Primärkreislauf zwischen der Primärwicklung und dem Klemmenkondensator; Überwachen der Spannung an einem Messknoten zwischen dem Haupt-FET und einem Messwiderstand, der mit Erde oder Masse verbunden ist; Messen eines Stromflusses in einem Messtransistor des Klemmen-FET; Überwachen der Spannung auf einer Messwicklung des Transformators; und Messen des Stromflusses in einer Messwicklung des Transformators.
  • Die Regelung des Negativstromflusses durch die Primärwicklung kann weiterhin umfassen: Deaktivieren des Klemmen-FET; Aktivieren eines Zeitgebers, der auf die Deaktivierung der Klemmen-FET reagiert; Überwachen eines Signals zur Anzeige eines Negativstromflusses durch die Primärwicklung; und wenn das Signal zur Anzeige eines Negativstromflusses nicht unter einen vorherbestimmten Grenzwert fällt, bevor der Zeitgeber ausgelaufen ist, Aktivierung des Haupt-FET; und Vornehmen einer nicht-linearen Frequenzänderung an einem Oszillator, der ein Taktsignal bereitstellt.
  • Andere Beispielausführungsformen umfassen eine Halbleitereinrichtung zur Steuerung eines Sperrstromrichters mit aktiver Klemme, wobei die Halbleitereinrichtung Folgendes umfasst: ein Substrat aus einem Halbleitermaterial; einen auf dem Substrat definierten Oszillator, wobei der Oszillator über einen Taktausgang und einen Modulationseingang verfügt, und der Oszillator so konfiguriert ist, dass er ein Taktsignal mit einer Taktfrequenz an dem Taktausgang erzeugt, basierend auf einem Modulationssignal, das an dem Modulationseingang empfangen wird; eine Spannungsmessschaltung, der auf dem Substrat definiert ist, wobei die Spannungsmessschaltung so konfiguriert ist, dass sie ein Signal zur Anzeige eines Stromflusses durch eine Primärwicklung eines Transformators des Stromrichters koppelt, und die Spannungsmessschaltung dazu konfiguriert ist, ein Messsignal am Messausgang zu erzeugen; eine auf dem Substrat definierte Modulationsschaltung, wobei die Modulationsschaltung über einen Takteingang, einen Messeingang und einen Modulationsausgang verfügt; der Takteingang mit dem Taktsignal gekoppelt ist, der Messeingang mit dem Messsignal gekoppelt ist und der Modulationsausgang mit dem Modulationseingang des Oszillators gekoppelt ist; eine auf dem Substrat definierte Klemmensteuerschaltung, wobei die Klemmensteuerschaltung über einen Takteingang, einen Messeingang und einen Klemmentreiberausgang verfügt, der Takteingang der Klemmensteuerschaltung mit dem Taktsignal gekoppelt ist, der Messeingang der Klemmensteuerschaltung mit dem Messsignal gekoppelt ist und der Klemmentreiberausgang konfiguriert ist, um mit einem Gate eines Klemmenfeldeffekttransistors (FET) des Stromrichters gekoppelt zu werden; eine auf dem Substrat definierte Hauptsteuerschaltung, wobei die Hauptsteuerschaltung über einen Messeingang, einen Rückführeingang und einen Haupttreiberausgang verfügt, der Messeingang der Hauptsteuerschaltung mit dem Messsignal gekoppelt ist, der Rückführeingang so konfiguriert ist, dass er mit einem Rückführsignal von einer Sekundärseite des Stromrichters gekoppelt wird, und der Haupttreiberausgang konfiguriert ist, um mit einem Gate eines Haupt-FET des Stromrichters gekoppelt zu werden; die Hauptsteuerschaltung so konfiguriert ist, dass sie den Haupttreiberausgang anspricht, der auf das Messsignal reagiert, wenn es unter einen ersten vorherbestimmten Grenzwert fällt, und die Hauptsteuerschaltung weiterhin konfiguriert ist, um die Ansprache des Haupttreiberausgangs auf der Basis des Rückführungssignals aufzuheben; die Klemmensteuerschaltung dazu konfiguriert ist, den Klemmentreiberausgang anzusprechen, der auf den Anstieg des Messsignals über einen zweiten vorherbestimmten Grenzwert reagiert, nachdem der Haupttreiberausgang nicht mehr angesprochen wird, und die Klemmensteuerschaltung weiterhin dazu konfiguriert ist, den Klemmentreiberausgang als Reaktion auf die Ansprache des Taktsignals nicht mehr anzusprechen; und die Modulationsschaltung so konfiguriert ist, dass sie das Messsignal überwacht, und dazu konfiguriert ist, die Taktfrequenz des Taktsignals zu regeln, indem das Modulationssignal, das zu dem Modulationsausgang getrieben wird, aufgrund des Messsignals geändert wird.
  • Wenn die Modulationsschaltung die Taktfrequenz regelt, ist die Modulationsschaltung dazu konfiguriert, die Frequenz des Taktsignals zu erhöhen, wenn das Messsignal einen übermäßigen Negativstrom anzeigt. Wenn die Modulationsschaltung die Frequenz des Taktsignals erhöht, wird die Modulationsschaltung konfiguriert, um die Frequenz des Taktsignals um mindestens einen Faktor aus der Gruppe zu erhöhen wie folgt: Erhöhen der Frequenz um einen Wert, der proportional zum übermäßigen Negativstrom steht; und Erhöhen der Frequenz des Taktsignals um einen vorherbestimmten Wert. Wenn die Modulationsschaltung die Taktfrequenz regelt, ist die Modulationsschaltung weiter dazu konfiguriert, die Frequenz des Taktsignals zu verringern, wenn das Messsignal einen unzureichenden Negativstrom anzeigt. Wenn die Modulationsschaltung die Frequenz des Taktsignals verringert, wird die Modulationsschaltung konfiguriert, um die Frequenz des Taktsignals um mindestens einen Faktor aus der Gruppe zu verringern wie folgt: Verringern der Frequenz um einen Wert, der proportional zum übermäßigen Negativstrom steht; und Verringern der Frequenz des Taktsignals um einen vorherbestimmten Wert.
  • Die Halbleitereinrichtung kann weiterhin umfassen: einen ersten auf dem Substrat definierten Zeitgeber, wobei der erste Zeitgeber über einen Auslösereingang, einen Rücksetzeingang und einen Zeitgeberausgang verfügt, und der Auslösereingang mit dem Taktsignal gekoppelt ist, und der Rücksetzeingang mit dem Haupttreiberausgang gekoppelt ist; und die Modulationsschaltung über einen ersten Zeitgebereingang verfügt, der mit dem Zeitgeberausgang des ersten Zeitgebers gekoppelt ist; wobei dann, wenn die Modulationsschaltung die Taktfrequenz regelt, die Modulationsschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Taktfrequenz des Oszillators erhöht, wenn das einen Negativstrom durch die Primärwicklung anzeigende Signal unter einen vorherbestimmten Grenzwert fällt, bevor der Zeitgeberausgang des ersten Zeitgebers angesprochen wird. Wenn die Modulationsschaltung die Zeitgeberfrequenz regelt, ist die Modulationsschaltung so konfiguriert, dass sie die Taktfrequenz des Oszillators verringert, wenn das einen Negativstrom durch die Primärwicklung anzeigende Signal unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt, nachdem der Zeitgeberausgang des ersten Zeitgebers angesprochen wird. In einigen Fällen kann der Messeingang der Spannungsmessschaltung so konfiguriert werden, dass er mindestens eines der aus einer Gruppe ausgewählten Elemente umfasst: einen Schaltknoten zwischen der Primärwicklung und dem Haupt-FET; ein Strommessgerät, das konfiguriert ist, um den Stromfluss zwischen der Primärwicklung und dem Klemmenkondensator zu messen; einen Messknoten zwischen dem Haupt-FET und einem Sensorwiderstand, der mit Erde oder Masse gekoppelt ist; einen Messtransistor des Klemmen-FET; eine Messwicklung eines Zeilentransformators; und einen Stromsensor, der mit einer Messwicklung eines Zeilentransformators gekoppelt ist.
  • Die Halbleitereinrichtung kann weiterhin umfassen: einen zweiten auf dem Substrat definierten Zeitgeber, wobei der zweite Zeitgeber über einen Auslösereingang, einen Rücksetzeingang und einen Zeitgeberausgang verfügt, und der Auslösereingang des zweiten Zeitgebers mit dem Taktsignal gekoppelt ist, und der Rücksetzeingang des zweiten Zeitgebers mit dem Haupttreiberausgang gekoppelt ist; und die Modulationsschaltung über einen zweiten Zeitgebereingang verfügt, der mit dem Zeitgeberausgang des zweiten Zeitgebers gekoppelt ist; wobei dann, wenn die Modulationsschaltung die Taktfrequenz regelt, die Modulationsschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Taktfrequenz des Oszillators nicht linear verändert, wenn das einen Negativstrom durch die Primärwicklung anzeigende Signal nicht unter einen vorherbestimmten Grenzwert fällt, bevor der Zeitgeberausgang des zweiten Zeitgebers angesprochen wird.
  • Andere Beispielausführungsformen sind ein Sperrstromrichter mit aktiver Klemme, umfassend: eine Primärschaltung, umfassend: eine Primärwicklung eines Zeilentransformators mit einer ersten Polklemme, die mit einem Eingangsknoten gekoppelt ist, und einer zweiten Polklemme, die einen Schaltknoten definiert; einen Hauptfeldeffekttransistor (FET), der zwischen die Schaltknotenerde oder -masse der Primärschaltung gekoppelt ist; einen Klemmen-FET in Reihe mit einem Klemmenkondensator, wobei der Klemmen-FET und der Klemmenkondensator zwischen den Eingangsknoten und den Schaltknoten gekoppelt sind. Der Zeilentransformator kann weiterhin eine Sekundärschaltung einschließen, umfassend: eine Sekundärwicklung des Zeilentransformators; und einen Gleichrichter, der zwischen einer Polklemme der Sekundärschaltung und der Erde oder Masse der Sekundärschaltung gekoppelt ist; eine Steuerung, die einen Haupttreiberausgang definiert, der mit einem Gate des Haupt-FET gekoppelt ist, ein Klemmentreiberausgang, der mit einem Gate des Klemmen-FET gekoppelt ist, und eine Strommesseingang, der mit der Primärschaltung gekoppelt ist. Die Steuerung ist konfiguriert für: die Aktivierung des Haupt-FET und dadurch die Induzierung eines positiven Stromflusses in der Primärwicklung, wobei der positive Stromfluss zu einem Betrieb eines Gleichrichters einer Sekundärschaltung in Sperrrichtung führt; Deaktivierung des Haupt-FET und dadurch Betrieb des Gleichrichters in der Sekundärschaltung in Vorwärtsrichtung und Bewirken eines Stromflusses in der Sekundärwicklung, Aktivierung des Klemmen-FET und dadurch Koppeln eines Klemmenkondensators mit einer Streuinduktivität eines Transformators, wobei die Primärschaltung anfänglich einen positiven Stromfluss durch die Primärwicklung aufweist und dann einen negativen Stromfluss durch die Primärwicklung; und Regelung des negativen Stromflusses durch die Primärwicklung.
  • Die obenstehende Erläuterung ist zu Illustrationszwecken der Prinzipien und der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gedacht. Zahlreiche Variationen und Modifikationen werden für den Fachmann ersichtlich, sobald die vorstehende Offenbarung vollständig verstanden ist. Beispielsweise wurde der angesprochene Zustand für verschiedene Signale in der Spezifikation als Ansprache mit einer höheren Spannung erläutert; jedoch würde ein Fachmann mit branchenüblichen Fähigkeiten anhand dieser Offenbarung verstehen, dass verschiedene Signale ebenso niedrig angesprochen werden können (mit entsprechenden Hardwareänderungen und Zusätzen), ohne das die Betriebsgrundsätze der Beispielausführungsformen geändert würden. Während darüber hinaus in der Beispielschaltung in 6 VOUT in der Sekundärschaltung gemessen wird, kann die VOUT in anderen Beispielsystemen indirekt gemessen werden, wie durch die Messung der Spannung über eine Messwicklung, die magnetisch sowohl mit der Primärwicklung wie der Sekundärwicklung gekoppelt ist. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so interpretiert werden, dass sie alle solchen Variationen, Modifikationen und Äquivalente einschließen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62529613 [0001]

Claims (11)

  1. Es wird beansprucht:
  2. Verfahren in einem Sperrstromrichter mit aktiver Klemme einschließlich einer Primärschaltung mit einem Hauptfeldeffekttransistor (FET), einem Klemmen-FET und einer Primärwicklung eines Transformators, und wobei der Stromrichter eine Sekundärschaltung mit einer Sekundärwicklung des Transformators und einem aktiven oder passiven Gleichrichter einschließt, das Verfahren umfassend: Aktivieren des Haupt-FET und dadurch Induzieren eines positiven Stromflusses in der Primärwicklung, wobei der positive Stromfluss zu einem Betrieb des Gleichrichters der Sekundärschaltung in Sperrrichtung führt; Deaktivieren des Haupt-FET und damit Betreiben des Gleichrichters in der Sekundärschaltung in Vorwärtsrichtung und Bewirken eines Stromflusses in der Sekundärwicklung; Aktivieren des Klemmen-FET und dadurch Koppeln eines Klemmenkondensators mit einer Streuinduktivität des Transformators, wobei die Primärschaltung anfänglich einen positiven Stromfluss durch die Primärwicklung aufweist und dann einen negativen Stromfluss durch die Primärwicklung; und Regeln des negativen Stromflusses durch die Primärwicklung.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Regeln des negativen Stromflusses durch die Primärwicklung weiterhin umfasst: Deaktivieren des Klemmen-FET; Überwachen eines Signals, das auf einen negativen Stromfluss durch die Primärwicklung hinweist; und Ändern einer Frequenz eines Oszillators, der ein Taktsignal bereitstellt, um den Klemmen-FET zu deaktivieren, wobei das Ändern der Frequenz als Reaktion auf das Signal erfolgt, welches auf einen negativen Stromfluss hinweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ändern der Frequenz des Oszillators weiterhin das Erhöhen der Frequenz des Oszillators umfasst, wenn das auf einen negativen Stromfluss hinweisende Signal einen übermäßigen negativen Strom angibt; oder Verringern der Frequenz des Oszillators, wenn das auf den negativen Stromfluss hinweisende Signal einen unzureichenden negativen Strom anzeigt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Regeln des negativen Stromflusses durch die Primärwicklung weiterhin umfasst: Deaktivieren des Klemmen-FET; Aktivieren eines Zeitgebers, der auf die Deaktivierung des Klemmen-FET reagiert; Überwachen eines Signals, das auf einen negativen Stromfluss durch die Primärwicklung hinweist; und, falls das auf einen negativen Stromfluss hinweisende Signal vor dem Ablaufen des Zeitgebers nicht unter einen vorherbestimmten Grenzwert fällt, Aktivieren des Haupt-FET; und Durchführen einer nicht-linearen Frequenzänderung an einem Oszillator, der ein Taktsignal bereitstellt.
  6. Halbleitervorrichtung zur Steuerung eines Sperrstromrichters mit aktiver Klemme, wobei die Halbleitervorrichtung Folgendes umfasst: ein Substrat eines Halbleitermaterials; einen auf dem Substrat definierten Oszillator, wobei der Oszillator einen Taktausgang und einen modulierten Eingang aufweist, der Oszillator konfiguriert ist, um ein Taktsignal mit einer Taktfrequenz an dem Taktausgang zu erzeugen, das auf einem modulierten Signal beruht, das an dem modulierten Eingang empfangen wird; eine auf dem Substrat definierte Spannungsmessschaltung, die einen Messeingang und einen Messausgang aufweist, wobei der Messeingang konfiguriert ist, um ein auf einen Stromfluss durch eine Primärwicklung eines Transformators des Stromrichters hinweisendes Signal zu koppeln, und die Spannungsmessschaltung konfiguriert ist, um ein Messsignal an dem Messausgang zu erzeugen; eine Modulationsschaltung, die auf dem Substrat definiert ist, wobei die Modulationsschaltung über einen Takteingang, einen Messeingang und einen modulierten Ausgang verfügt, der Takteingang mit dem Taktsignal gekoppelt ist, der Messeingang mit dem Messsignal gekoppelt ist und der modulierte Ausgang mit dem modulierten Eingang des Oszillators gekoppelt ist; eine Klemmensteuerschaltung, die auf dem Substrat definiert ist, wobei die Klemmensteuerschaltung über einen Takteingang, einen Messeingang und einen Klemmentreiberausgang verfügt, der Takteingang der Klemmensteuerschaltung mit dem Taktsignal gekoppelt ist, der Messeingang der Klemmensteuerschaltung mit dem Messsignal gekoppelt ist, und der Klemmentreiberausgang so konfiguriert ist, dass er sich an ein Gate eines Klemmenfeldeffekttransistors (FET) des Stromwandlers koppelt; eine Hauptsteuerschaltung, die auf dem Substrat definiert ist, wobei die Hauptsteuerschaltung über einen Messeingang, einen Rückführungseingang und einen Haupttreiberausgang verfügt, der Messeingang der Hauptsteuerschaltung mit dem Messsignal gekoppelt ist, der Rückführungseingang so konfiguriert ist, dass er sich an ein Rückführungssignal einer Sekundärseite des Stromwandlers koppelt, und der Haupttreiberausgang so konfiguriert ist, dass er sich an ein Gate eines Haupt-FET des Stromrichters koppelt; die Hauptsteuerschaltung so konfiguriert ist, dass sie den Haupttreiberausgang in Reaktion darauf durchsetzt, dass das Messsignal unter einen ersten vorbestimmten Grenzwert fällt, und die Hauptsteuerschaltung weiter konfiguriert ist, um den Haupttreiberausgang auf der Basis des Rückführungssignals nicht durchzusetzen; die Klemmensteuerschaltung so konfiguriert ist, dass sie den Klemmentreiberausgang in Reaktion darauf durchsetzt, dass das Messsignal über einen zweiten vorbestimmten Grenzwert steigt, nachdem der Haupttreiberausgang nicht mehr durchgesetzt wird, und die Klemmensteuerschaltung weiter konfiguriert ist, um den Klemmentreiberausgang in Reaktion auf ein Durchsetzen des Taktsignals nicht durchzusetzen; und die Modulationsschaltung so konfiguriert ist, dass sie das Messsignal überwacht und dazu konfiguriert ist, die Taktfrequenz des Taktsignals zu regeln, indem sie das Modulationssignal, das zu dem Modulationsausgang geliefert wird, auf der Basis des Taktsignals ändert.
  7. System nach Anspruch 5, wobei dann, wenn die Modulationsschaltung die Taktfrequenz regelt, die Modulationsschaltung dazu konfiguriert ist, die Frequenz des Taktsignals zu erhöhen, wenn das Messsignal einen übermäßigen Negativstrom anzeigt.
  8. System nach Anspruch 6, wobei dann, wenn die Modulationsschaltung die Taktfrequenz regelt, die Modulationsschaltung weiter dazu konfiguriert ist, die Taktfrequenz zu verringern, wenn das Messsignal einen unzureichenden Negativstrom anzeigt.
  9. System nach Anspruch 5, ferner umfassend: einen ersten auf dem Substrat definierten Zeitgeber, wobei der erste Zeitgeber über einen Auslösereingang, einen Rücksetzeingang und einen Zeitgeberausgang verfügt, und der Auslösereingang mit dem Taktsignal gekoppelt ist, und der Rücksetzeingang mit dem Haupttreiberausgang gekoppelt ist; und die Modulationsschaltung über einen ersten Zeitgebereingang verfügt, der mit dem Zeitgeberausgang des ersten Zeitgebers gekoppelt ist; wobei dann, wenn die Modulationsschaltung die Taktfrequenz regelt, die Modulationsschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Taktfrequenz des Oszillators erhöht, wenn das einen Negativstrom durch die Primärwicklung anzeigende Signal unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt, bevor der Zeitgeberausgang des ersten Zeitgebers durchgesetzt wird.
  10. System nach Anspruch 5, ferner umfassend: einen zweiten auf dem Substrat definierten Zeitgeber, wobei der zweite Zeitgeber über einen Auslösereingang, einen Rücksetzeingang und einen Zeitgeberausgang verfügt, der Auslösereingang mit dem Taktsignal gekoppelt ist, und der Rücksetzeingang des zweiten Zeitgebers mit dem Haupttreiberausgang gekoppelt ist; die Modulationsschaltung über einen zweiten Zeitgebereingang verfügt, der mit dem Zeitgeberausgang des zweiten Zeitgebers gekoppelt ist; wobei dann, wenn die Modulationsschaltung die Taktfrequenz regelt, die Modulationsschaltung so konfiguriert ist, dass sie eine nicht-lineare Änderung der Taktfrequenz des Oszillators durchführt, wenn das einen Negativstrom durch die Primärwicklung anzeigende Signal nicht unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt, bevor der Zeitgeberausgang des zweiten Zeitgebers durchgesetzt wird.
  11. Sperrstromrichter mit aktiver Klemme, umfassend: eine erste Schaltung, die Folgendes umfasst: eine Primärwicklung eines Zeilentransformators mit einer ersten Polklemme, die mit einem Eingangsknoten gekoppelt ist, und einer zweiten Polklemme, die einen Schaltknoten definiert; einen Hauptfeldeffekttransistor (FET), der zwischen der Schaltknotenerdung oder der Masse der Primärschaltung gekoppelt ist; einen Klemmen-FET in Reihe mit einem Klemmenkondensator, wobei der Klemmen-FET und der Klemmenkondensator zwischen den Eingangsknoten und den Schaltknoten gekoppelt sind; eine zweite Schaltung, die Folgendes umfasst: eine Sekundärwicklung des Zeilentransformators; und einen Gleichrichter, der zwischen einer Polklemme der Sekundärwicklung und der Erdung oder Masse der zweiten Schaltung gekoppelt ist; eine Steuerung, die einen Haupttreiberausgang, der mit einem Gate des Haupt-FET gekoppelt ist, einen Klemmentreiberausgang, der mit einem Gate des Klemmen-FET gekoppelt ist, und einen Strommesseingang definiert, der mit der ersten Schaltung gekoppelt ist; wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Aktivieren des Haupt-FET und dadurch Induzieren eines positiven Stromflusses in der Primärwicklung, wobei der positive Stromfluss zu einem Betrieb des Gleichrichters der zweiten Schaltung in Sperrrichtung führt; Deaktivieren des Haupt-FET und damit Betreiben des Gleichrichters in der zweiten Schaltung in Vorwärtsrichtung und Bewirken eines Stromflusses in der Sekundärwicklung; Aktivieren des Klemmen-FET und dadurch Koppeln des Klemmenkondensators mit einer Streuinduktivität des Zeilentransformators, wobei die erste Schaltung anfänglich einen positiven Stromfluss durch die Primärwicklung aufweist und dann einen negativen Stromfluss durch die Primärwicklung; und Regeln des negativen Stromflusses durch die Primärwicklung.
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