DE102018122539A1 - System und Verfahren zum Anfahren eines isolierten DC-DC-Leistungswandlers mit hoher Dichte - Google Patents

System und Verfahren zum Anfahren eines isolierten DC-DC-Leistungswandlers mit hoher Dichte Download PDF

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Abhiman Ananthakrishna Hande
Jouni Timo Uusitalo
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Abstract

Ein DC-DC-Leistungswandler weist einen Transformtor mit einer Primärseite und einer Sekundärseite und eine an die Primärseite des Transformators elektrisch gekoppelte Primärschaltung auf. Die Primärschaltung weist einen primären Mikrocontroller auf, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes Erregersignal erzeugt, mit dem ein Teil der Primärschaltung erregt wird. Der DC-DC-Leistungswandler weist auch eine an die Sekundärseite des Transformators elektrisch gekoppelte Sekundärschaltung auf. Die Sekundärschaltung weist einen sekundären Mikrocontroller auf, der kommunikativ an den primären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er einen Befehl für den primären Mikrocontroller bereitstellt, der dazu führt, dass der primäre Mikrocontroller die Steuerung der Primärschaltung auf den sekundären Mikrocontroller überträgt, und wobei der sekundäre Mikrocontroller ferner so ausgebildet ist, dass er ein zweites Erregersignal für den Teil der Primärschaltung bereitstellt.

Description

  • HINTERGRUND
  • Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System und ein Verfahren zum Anfahren eines DC-DC-Leistungswandlers und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Anfahren eines isolierten DC-DC-Leistungswandlers mit hoher Eingangsspannung oder hoher Dichte und mit einer Sekundärseitensteuerung, bei dem ein innerhalb der Primärschaltung des Wandlers angeordneter primärer Mikrocontroller eine Anfahrsequenz initiiert und ein innerhalb einer Sekundärschaltung des Wandlers angeordneter sekundärer Mikrocontroller nach der Beendigung der Anfahrsequenz die Steuerung des Wandlers übernimmt.
  • DC-DC-Leistungswandler werden in der gesamten Elektronikindustrie verwendet und sind dazu ausgelegt, eine Eingangsgleichspannung (DC-Spannung) in eine höhere oder niedrigere Ausgangsgleichspannung umzuwandeln. Derartige Wandler können auf einer einzelnen Leiterplatte (engl. Printed Circuit Board - PCB) hergestellt werden, wobei bei der Leiterplatte die Fläche der Platte mehreren Wandlerkomponenten zugewiesen werden kann. Viele auf einer Leiterplatte implementierte DC-DC-Leistungswandler weisen z.B. einen Vorspannungsgenerator auf, der dazu ausgebildet ist, eine Vorspannung für einen auf der Leiterplatte angebrachten Mikrocontroller bereitzustellen, z.B. um den Mikrocontroller einzuschalten.
  • Da sich die Elektronik-und Computerindustrie weiter entwickelt, sind DC-DC-Leistungswandler, die hohe Eingangsspannungen bearbeiten können, zunehmend gefragt, z.B. bei Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien, der Telekommunikation, im Kraftfahrzeug und dergleichen. Der Trend ging dahin, den physischen Platz, der derartigen Wandlern zugewiesen ist, zu reduzieren (dadurch kam der Begriff „mit hoher Dichte“ in Gebrauch). Isolierte Hochspannungs-DC-DC-Leistungswandler können jedoch üblicherweise eine Sekundärseitensteuerung (z.B. PMBus, I2C-Kommunikation, usw.) umfassen, was das Hinzufügen eines Sekundärseiten-Mikrocontrollers erfordern kann. Um den Sekundärseiten-Mikrocontroller anzutreiben, können auf der Leiterplatte, die den Wandler trägt, eine oder mehrere eingebaute isolierte Vorspannungsversorgungen (z.B. eine oder mehrere Offline-Flyback-Schaltungen) hinzugefügt werden. Diese Vorspannungsversorgungen arbeiten jedoch üblicherweise bei relativ hohen Spannungen und niedrigen Frequenzen, was zu im Wesentlichen größeren Formfaktoren der Vorspannungsversorgungen führt.
  • Viele typische Hochspannung-Flyback-Vorspannungsversorgungen weisen, neben anderen Komponenten, einen Hochspannungstransformator auf, der (z.B. im Vergleich zu einem Niederspannungstransformator) einen größeren Formfaktor hat. Der größere Formfaktor, der mit derartigen Vorspannungsversorgungen zusammenhängt, verbraucht wiederum auf einer den DC-DC-Wandler tragenden Leiterplatte mehr Platz als erwünscht. Das Hinzufügen von derartigen Vorspannungsversorgungen (z.B. von Vorspannungsversorgungen mit relativ großen Formfaktoren) kann wie oben beschrieben somit unerwünscht sein, da die Plattenfläche auf der Leiterplatte sehr kostbar ist und es wünschenswert ist, den DC-DC-Wandler so kompakt wie möglich zusammenzubauen.
  • KURZE BESCHREIBUNG
  • Bei einem Aspekt wird ein isolierter DC-DC Leistungswandler offenbart. Der DC-DC-Leistungswandler weist einen Transformtor mit einer Primärseite und einer Sekundärseite und eine an die Primärseite des Transformators elektrisch gekoppelte Primärschaltung auf. Die Primärschaltung weist mindestens einen Gate-Treiber, einen Vorspannungsgenerator und einen primären Mikrocontroller auf, der elektrisch an den Vorspannungsgenerator gekoppelt und so ausgebildet ist, dass er eine von dem Vorspannungsgenerator eingespeiste erste Vorspannung erhält, wobei der primäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er in Reaktion auf die erste Vorspannung ein erstes Erregersignal für den mindestens einen Gate-Treiber bereitstellt. Der DC-DC-Leistungswandler weist auch eine Sekundärschaltung auf, die elektrisch an die Sekundärseite des Transformators gekoppelt ist. Die Sekundärschaltung weist einen sekundären Mikrocontroller auf, der kommunikativ an den primären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er eine zweite Vorspannung erhält, und wobei der sekundäre Mikrocontroller ferner so ausgebildet ist, dass er in Reaktion auf die zweite Vorspannung ein zweites Erregersignal für den mindestens einen Gate-Treiber bereitstellt, und wobei der sekundäre Mikrocontroller ferner so ausgebildet ist, dass er einen Befehl für den primären Mikrocontroller bereitstellt, der dazu führt, dass der primäre Mikrocontroller die Steuerung der Primärschaltung auf den sekundären Mikrocontroller überträgt.
  • Bei einem weiteren Aspekt ist ein DC-DC-Leistungswandler offenbart. Der DC-DC-Leistungswandler weist einen Transformtor mit einer Primärseite und einer Sekundärseite und eine an die Primärseite des Transformators elektrisch gekoppelte Primärschaltung auf. Die Primärschaltung weist einen primären Mikrocontroller auf, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes Erregersignal erzeugt, mit dem ein Teil der Primärschaltung erregt wird. Der DC-DC-Leistungswandler weist auch eine Sekundärschaltung auf, die elektrisch an die Sekundärseite des Transformators gekoppelt ist. Die Sekundärschaltung weist einen sekundären Mikrocontroller auf, der kommunikativ an den primären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er einen Befehl für den primären Mikrocontroller bereitstellt, der dazu führt, dass der primäre Mikrocontroller die Steuerung der Primärschaltung auf den sekundären Mikrocontroller überträgt, und wobei der sekundäre Mikrocontroller ferner so ausgebildet ist, dass er ein zweites Erregersignal für den Teil der Primärschaltung bereitstellt.
  • Bei einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines DC-DC-Leistungswandlers offenbart. Das Verfahren umfasst das Erhalten einer ersten Vorspannung durch einen primären Mikrocontroller, der innerhalb einer Primärschaltung des DC-DC-Leistungswandlers angeordnet ist, das Erzeugen eines ersten Erregersignals, mit dem ein Teil der Primärschaltung erregt wird, durch den primären Mikrocontroller und in Reaktion auf die erste Vorspannung, das Erhalten eines Befehls, die Steuerung der Primärschaltung auf den sekundären Mikrocontroller zu übertragen, durch den primären Mikrocontroller und von einem sekundären Mikrocontroller, der innerhalb einer Sekundärschaltung des DC-DC-Leistungswandlers angeordnet ist, und das Übertragen eines zweiten Erregersignals zum dem Teil der Primärschaltung durch den sekundären Mikrocontroller.
  • Figurenliste
  • Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden beim Lesen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und anhand der beigefügten Zeichnungen besser verstanden, in denen identische Symbole in allen Zeichnungen identische Teile darstellen. In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften DC-DC-Wandlers; und
    • 2 ein Ablaufdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Betreiben des in 1 gezeigten DC-DC-Wandlers veranschaulicht;
    • 3 einen Graphen, der eine beispielhafte Kurve des Spannungsverhaltens veranschaulicht, die während einer Anfahrsequenz des in 1 gezeigten DC-DC-Wandlers erzeugt wird.
  • Sofern nichts anderes angegeben ist, sollen die hier bereitgestellten Zeichnungen Merkmale von Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulichen. Von diesen Merkmalen wird angenommen, dass sie bei vielen verschiedenen Systemen, eine oder mehrere Ausführungsformen der Offenbarung umfassen, anwendbar sind. Als solche sollen die Zeichnungen nicht alle herkömmlichen, von dem Fachmann bekannten Merkmale aufweisen, die für die Umsetzung der hier offenbarten Ausführungsformen erforderlich sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen wird auf mehrere Begriffe verwiesen, die mit den folgenden Bedeutungen zu definieren sind.
  • Die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ beinhalten Verweise in der Pluralform, sofern der Kontext nicht klar etwas anderes vorgibt.
  • „Optional“ bedeutet, dass das Ereignis oder der Umstand, das bzw. der anschließend beschrieben ist, auftreten kann oder nicht, und dass die Beschreibung Fälle umfasst, in denen das Ereignis auftritt, und Fälle, in denen es nicht auftritt.
  • Eine approximierende Ausdrucksweise, die hier in der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, kann angewandt werden, um jegliche quantitative Darstellung zu verändern, die in zulässiger Weise variieren kann, ohne zu einer Änderung der damit zusammenhängenden Basisfunktion zu führen. Dementsprechend ist ein durch einen Begriff oder durch Begriffe wie „etwa“ und „im Wesentlichen“ modifizierter Wert nicht auf den angegebenen genauen Wert zu beschränken. Zumindest in einigen Fällen kann die approximierende Ausdrucksweise der Genauigkeit eines Instruments zur Messung des Werts entsprechen. Hier und in der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen können Bereichsbegrenzungen kombiniert und/oder ausgetauscht werden, wobei derartige Bereiche ermittelt wurden und alle darin enthaltenen Unterbereiche umfassen, sofern der Kontext oder die Ausdrucksweise nichts anderes angibt.
  • Die hier verwendeten Begriffe „Prozessor“, „Controller“, „Mikrocontroller“, „Computer“ und damit verwandte Begriffe (z.B. „Verarbeitungsvorrichtung“, „Computervorrichtung“) sind nicht lediglich auf diejenigen integrierten Schaltungen beschränkt, die auf dem Gebiet als Computer bezeichnet werden, sondern beziehen sich im Allgemeinen auf einen Mikrocontroller, einen Mikrocomputer, einen programmierbaren logischen Controller (engl. Programmable Logic Controller - PLC), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl. Application Specific Integrated Circuit - ASIC) und auf weitere programmierbare Schaltungen, wobei diese Begriffe hier austauschbar sind. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst ein Speicher, ohne darauf beschränkt zu sein, ein computerlesbares Medium, etwa einen Direktzugriffsspeicher (engl. Random-Access Memory - RAM) und ein computerlesbares, nicht-flüchtiges Medium, etwa einen Flash-Speicher.
  • Der hier verwendete Begriff „nicht-flüchtige, computerlesbare Medien“ soll für jede greifbare, rechnergestützte Vorrichtung repräsentativ sein, die für die kurzfristige oder langfristige Speicherung von Informationen, wie etwa von computerlesbaren Befehlen, Datenstrukturen, Programmmodulen und Untermodulen oder weiterer Daten in einer beliebigen Vorrichtung in einem Verfahren oder in einer Technik implementiert ist. Die hier beschriebenen Verfahren können somit als ausführbare Befehle codiert sein, die in einem greifbaren, nicht flüchtigen, computerlesbaren Medium integriert sind, zu denen ohne Einschränkung eine Einschreibevorrichtung und/oder eine Speichervorrichtung gehören. Wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, bewirken derartige Befehle, dass der Prozessor zumindest einen Teil der hier beschriebenen Verfahren ausführt. Darüber hinaus umfasst der hier verwendete Begriff „nicht-flüchtige, computerlesbare Medien“ alle greifbaren, computerlesbaren Medien, zu denen ohne Einschränkung nicht-flüchtige Computerspeichervorrichtungen, zu denen ohne Einschränkung flüchtige und nicht-flüchtige Medien und abnehmbare und nicht-abnehmbare Medien, wie etwa Firmware, ein physischer und virtueller Speicher, CD-ROMs, DVDs und alle weiteren digitalen Quellen, wie etwa ein Netzwerk oder Internet, sowie noch zu entwickelnde digitale Mittel gehören, mit der einzigen Ausnahme eines flüchtigen, sich ausbreitenden Signals.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf einen Gleichstrom- (oder DC-DC-) Leistungswandler, der eine Anfahrsequenz vereinfacht, bei der ein primärer Mikrocontroller ein erstes Erregersignal erzeugt, das so konfiguriert ist, dass es den Wandler antreibt und eine sekundäre Vorspannung für einen sekundären Mikrocontroller bereitstellt, der bei der Beendigung der Anfahrsequenz mit dem primären Mikrocontroller kommuniziert, um die Steuerung des Wandlers zu übernehmen. Der sekundäre Mikrocontroller kann insbesondere so mit dem primären Mikrocontroller kommunizieren, dass der primäre Mikrocontroller die Erzeugung des ersten Erregersignals anhält, so dass der sekundäre Mikrocontroller ein zweites Erregersignal für einen oder mehrere Gate-Treiber bereitstellen kann, die ursprünglich von dem primären Mikrocontroller gespeist wurden. Darüber hinaus ermöglicht die hier beschriebene Anfahrsequenz des DC-DC-Wandlers das Ausschließen von separaten isolierten Vorspannungsgeneratoren, wie etwa von einer oder von mehreren Flyback- oder Flybuck-Schaltungen. Dadurch wird die Dichte des Wandlers verbessert, wie auch für Anwendungen mit hoher Eingangsspannung, bei denen große, niederfrequente Vorspannungsgeneratoren wie Offline-Flyback-Schaltungen verwendet werden.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften DC-DC-Leistungswandlers 100. Bei der beispielhaften Ausführungsform weist der Wandler 100 eine Primärschaltung 102, eine Sekundärschaltung 104 und einen Transformator 106 auf, der induktiv zwischen der Primärschaltung 102 und der Sekundärschaltung 104 gekoppelt ist. Der Transformator 106 weist insbesondere eine Primärseite 108 (oder Primärwicklung) auf, an die die Primärschaltung 102 elektrisch gekoppelt ist, sowie eine Sekundärseite 110 (oder Sekundärwicklung), an die die Sekundärschaltung 104 elektrisch gekoppelt ist. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben ist, kann der Wandler 100 als Aufwärts- und/oder als Abwärts-Leistungswandler ausgebildet sein. Als solcher kann der Transformator 106 alle geeigneten Wicklungsverhältnisse, z.B. alle geeigneten Aufwärts-oder Abwärts-Wicklungsverhältnisse aufweisen.
  • Der Wandler 100 weist auch eine Leistungsumwandlungsschaltung 112 auf. Wie hier beschrieben, ist die Leistungsumwandlungsschaltung 112 so ausgebildet, dass sie eine Eingangsgleichspannung (DC-Spannung) in eine Ausgangsgleichspannung, wie etwa eine niedrigere Ausgangsgleichspannung umwandelt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Leistungsumwandlungsschaltung 112 z.B. so ausgebildet, dass sie eine Eingangsgleichspannung von 380 Volt auf eine Ausgangsgleichspannung von 48 Volt abspannt. Bei anderen Ausführungsformen kann jedoch die Leistungsumwandlungsschaltung 112 so ausgebildet sein, dass sie jede andere Eingangsgleichspannung auf eine andere geeignete Ausgangsgleichspannung auf- oder abspannt. Dementsprechend kann der Wandler 100 als Aufwärts- und/oder Abwärts-DC-DC-Leistungswandler arbeiten und für den Betrieb auf einem Bereich von Eingangsgleichspannungen ausgebildet sein.
  • Die Leistungsumwandlungsschaltung 112 kann in jeder geeigneten Leistungsumwandlungstopologie eines isolierten DC-DC-Wandlers implementiert sein. Die Leistungsumwandlungsschaltung 112 kann z.B. als Gegentakt-, Halbbrücken-, Vollbrücken-, Vorwärts-, Flyback- oder in einer Resonanztopologie implementiert sein, wie etwa in einer Reihenparallelresonanztopologie (oder „LLC-„Topologie), zu denen beispielsweise Resonanzhalbrücken- oder Vollbrückenschaltungstopologien gehören. Als solche weist die Leistungsumwandlungsschaltung 112 den Transformator 106 auf, der zwischen der Primärschaltung 102 und der Sekundärschaltung 104 gekoppelt ist.
  • Insbesondere kann auf der Primärseite 108 des Transformators 106 die Leistungsumwandlungsschaltung 112 mehrere Schaltelemente 114 aufweisen, und an der Sekundärseite 110 des Transformators 106 kann die Leistungsumwandlungsschaltung 112 eine Gleichrichterschaltung 116 aufweisen. Bei der beispielhaften Ausführungsform können zu den Schaltelementen 114 z.B. ein oder mehrere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (engl. Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, „MOSFET“), ein oder mehrere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (engl. Insulated-Gate Bipolar Transistor, „IGBT“) und dergleichen gehören. Ebenso kann die Gleichrichterschaltung 116 in jeder geeigneten Leistungsgleichrichtungstopologie (z.B. mit Mittelabgriff, als Vollbrücke und dergleichen) ausgebildet sein und ein oder mehrere Schaltelemente 118, wie etwa einen oder mehrere MOSFETs, einen oder mehrere IGBTs und dergleichen aufweisen. Im Betrieb können die Schaltelemente 114 auf der Primärseite 108 des Transformators 106 eine Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung (AC-Spannung) umwandeln, und auf der Sekundärseite 110 des Transformators 106 kann die Gleichrichterschaltung 116 eine auf der Sekundärseite 110 eingeleitete Wechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung umwandeln.
  • Die Primärschaltung 102 kann (zusätzlich zu den Schaltelementen 114) auch einen oder mehrere Gate-Treiber 120, einen Eingangsspannungsbus 122, einen Vorspannungsgenerator 124 und einen primären Mikrocontroller 126 aufweisen. Die Gate-Treiber 120 sind zwischen dem primären Mikrocontroller 126 und den Schaltelementen 114 elektrisch gekoppelt und so ausgebildet, dass sie die Schaltelemente 114 erregen und antreiben. Dementsprechend können die Gate-Treiber 120 z.B. einen oder mehrere MOSFET-Treiber, einen oder mehrere IGBT-Treiber und dergleichen umfassen.
  • Zwischen dem Eingangsspannungsbus 122 und dem primären Mikrocontroller 126 ist ein Vorspannungsgenerator 124 gekoppelt und so ausgebildet, dass er während einer Anfahrsequenz eine Vorspannung zu dem primären Mikrocontroller 126 speist. Bei der beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Vorspannungsgenerator 124 um einen linearen Regler, wie etwa, ohne Einschränkung, um einen Low-Dropout-Regler, einen festen Regler, einen variablen Regler und/oder einen Reihenregler. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist darüber hinaus der Vorspannungsgenerator 124 kein sperriger Vorspannungsgenerator mit niedriger Frequenz (z.B. 50-100 kHz) wie eine Flyback-Vorspannungsschaltung.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann eine Vormagnetisierungswicklung 127 an die Primärseite 108 des Transformators 106 gekoppelt sein. Die Vormagnetisierungswicklung leitet eine Vorspannung von dem Vorspannungsgenerator 124 (z.B. einem linearen Regler) ab und stellt nach dem Einschalten eine Vorspannung für den primären Mikrocontroller 126 bereit. Durch die Aufnahme der Vormagnetisierungswicklung 127 wird die Gesamteffizienz des Vorspannungsgenerators 124 verbessert. Bei dem primären Mikrocontroller 126 handelt es sich außerdem um jeden geeigneten Mikrocontroller, wie etwa um einen Mikrocontroller mit einem Computerprozessor, der an ein greifbares, nicht flüchtiges computerlesbares Speichermedium gekoppelt und so ausgebildet ist, dass er die im computerlesbaren Speichermedium gespeicherten Befehle ausführt, um den DC-DC-Leistungsumwandlungsprozess wie hier beschrieben zu implementieren.
  • Auf der Sekundärseite 110 des Transformators 106 weist die Sekundärschaltung 104 (zusätzlich zur Gleichrichterschaltung 116) einen sekundären Mikrocontroller 128, einen Abwärts-Leistungswandler 130, einen oder mehrere Gate-Treiber 132 und einen Ausgangsspannungsbus 134 auf. Der Abwärts-Leistungswandler 130 kann jeden geeigneten, nicht isolierten DC-DC-Leistungswandler umfassen, wie etwa einen geeigneten Tiefsetzsteller und/oder einen geeigneten Low-Drop-Out- (LDO-) Wandler. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann der Abwärts-Leistungswandler 130 elektrisch zwischen der Sekundärseite 110 des Transformators 106 und dem sekundären Mikrocontroller 128 und/oder zwischen dem Ausgangsspannungsbus 134 des Wandlers 100 und dem sekundären Mikrocontroller 128 gekoppelt sein.
  • Die Gate-Treiber 132 sind elektrisch zwischen dem sekundären Mikrocontroller 128 und den Schaltelementen 118 gekoppelt und so ausgebildet, dass sie die Schaltelemente 118 erregen und antreiben. Dementsprechend können zu den Gate-Treibern 132 z.B. ein oder mehrere MOSFET-Treiber, ein oder mehrere IGBT-Treiber und dergleichen gehören. Außerdem handelt es sich bei dem sekundären Mikrocontroller 128 um jeden geeigneten Mikrocontroller, wie etwa um einen Mikrocontroller mit einem Computerprozessor, der an ein greifbares, nicht flüchtiges computerlesbares Speichermedium gekoppelt und so ausgebildet ist, dass er die im computerlesbaren Speichermedium gespeicherten Befehle ausführt, um den DC-DC-Leistungsumwandlungsprozess wie hier beschrieben zu implementieren.
  • Bei der beispielhaften Ausführungsform weist der Wandler 100 auch eine erste Trennschaltung 136 (etwa einen ersten digitalen Isolator oder einen ersten Optokoppler) auf, der zwischen dem sekundären Mikrocontroller 128 und den Gate-Treibern 120 gekoppelt ist, sowie eine zweite Trennschaltung 138 (etwa einen zweiten digitalen Isolator oder einen zweiten Optokoppler), der zwischen dem primären Mikrocontroller 126 und dem sekundären Mikrocontroller 128 gekoppelt ist. Die erste Trennschaltung 136 und die zweite Trennschaltung 138 können eine elektrische Isolierung zwischen der Primärschaltung 102 und der Sekundärschaltung 104 schaffen.
  • 2 ist ein Ablaufdiagramm, das einen beispielhaften Prozess 200 zum Betreiben eines (in 1 gezeigten) DC-DC-Wandlers 100 veranschaulicht. 3 ist ein Graph 300, der eine beispielhafte Kurve des Spannungsverhaltens veranschaulicht, die während einer Anfahrsequenz des (in 1 gezeigten) DC-PC-Leistungswandlers 100 erzeugt wird.
  • Dementsprechend und in Kombination mit den 2 und 3 kann der Prozess 200 eine Anfahrsequenz zum Initialisieren des Wandlers 100 aus einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand umfassen. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann der primäre Mikrocontroller 126 eine Vorspannung von dem Vorspannungsgenerator 124 erhalten (Schritt 202). Die Vorspannung kann zum Speisen des primären Mikrocontrollers 126 ausreichend sein. Die für den primären Mikrocontroller 126 bereitgestellte Vorspannung kann z.B. etwa 3,3 Volt betragen. Darüber hinaus kann der primäre Mikrocontroller 126 ein EIN-Signal 140 und/oder ein Eingangsspannungssignal 142 empfangen, wobei eines dieser Signale oder beide Signale dazu führen kann bzw. können, dass der primäre Mikrocontroller 126 eingeschaltet wird und/oder eine Anfahrsequenz initiiert. Der primäre Mikrocontroller 126 kann ein Eingangsspannungserfassungssignal 142 periodisch messen oder abtasten, etwa in Reaktion auf eine von dem primären Mikrocontroller 126 erzeugte Zeitgeber-Unterbrechung.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann der primäre Mikrocontroller 126 eine Temperatur des Wandlers 100 und/oder eine Temperatur eines Teils des Wandlers 100 bestimmen. Wenn die gemessene Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Betriebstemperaturbereichs liegt, kann der primäre Mikrocontroller 126 die Anfahrsequenz initiieren. Wenn jedoch die gemessene Temperatur außerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs liegt, kann der primäre Mikrocontroller 126 die Anfahrsequenz aufschieben, etwa bis die gemessene Temperatur in den vorgegebenen Bereich fällt.
  • Sobald der primäre Mikrocontroller 126 eingeschaltet und betriebsbereit ist, kann der primäre Mikrocontroller 126 ein erstes Erregersignal 302 erzeugen, das von dem primären Mikrocontroller 126 für die Gate-Treiber 120 bereitgestellt werden kann (Schritt 204). Das erste Erregersignal 302 kann aus einer Reihe von konstanten Einschaltzeitimpulsen mit fester Frequenz bestehen und die Gate-Treiber 120 erregen, die wiederum die Leistungswandlerschaltung 112 antreiben. Somit kann der primäre Mikrocontroller 126 zum Initialisieren der Leistungsumwandlungsschaltung 112 arbeiten, woraufhin eine (nicht gezeigte) Ausgangswechselspannung auf der Sekundärseite 110 des Transformators 106 eingeleitet werden kann.
  • Auf der Sekundärseite des Transformators 106 (z.B. innerhalb der Sekundärschaltung 104) kann die Ausgangswechselspannung dazu vorgesehen sein, den Leistungswandler 130 abzuspannen, der die Ausgangswechselspannung gleichrichten und auf eine Ausgangsgleichspannung 304 von etwa 3,3 Volt abspannen kann, die sich zum Speisen des sekundären Mikrocontrollers 128 eignet. Alternativ kann die Spannung aus dem Ausgangsspannungsbus 134 des Wandlers 100 dazu vorgesehen sein, den Leistungswandler 130 abzuspannen, wodurch die Ausgangsspannung des Wandlers 100 auf eine Ausgangsgleichspannung 304 abgespannt wird, die sich zum Speisen des sekundären Mikrocontrollers 128 eignet. Diese Ausgangsgleichspannung 304 kann dem sekundären Mikrocontroller 128 als Vorspannung zugeführt werden. Der Abwärts-Leistungswandler 130 kann somit eine Vorspannung, etwa eine Ausgangsgleichspannung 304, zum Speisen des sekundären Mikrocontrollers 128 erzeugen (Schritt 206).
  • Sobald er eingeschaltet ist, kann der sekundäre Mikrocontroller 128 etwa über die zweite Trennschaltung 138 mit dem primären Mikrocontroller 126 kommunizieren,. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann die Kommunikation zwischen dem primären Mikrocontroller 126 und dem sekundären Mikrocontroller 128 jede geeignete serielle Kommunikationsschaltung und/oder jedes geeignete Kommunikationsprotokoll, etwa einen universellen asynchronen Sender/- Empfänger- (engl. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter - UART) Schaltung umfassen. Dementsprechend kann der sekundäre Mikrocontroller 126 einen (nicht gezeigten) Befehl für den primären Mikrocontroller 126 bereitstellen, der dazu führt, dass der primäre Mikrocontroller 126 die Steuerung der Primärschaltung 102 auf den sekundären Mikrocontroller 128 überträgt (Schritt 208).
  • In Reaktion auf das Empfangen des Befehls, die Steuerung zu übertragen, kann der primäre Mikrocontroller 126 die Erzeugung des ersten Erregersignals 304 anhalten (Schritt 210). Der primäre Mikrocontroller 126 kann insbesondere abgeschaltet werden und/oder in einen Allzweckeingabe-/ausgabezustand (engl. General Purpose Input/Output - GPIO) eintreten, in dem der primäre Mikrocontroller 126 kein erstes Erregersignal 304 für die Gate-Treiber 120 bereitstellt. Für den Fall, dass der primäre Mikrocontroller 126 sich abschaltet, können von dem Wandler 100 zusätzliche Energieeinsparungen erreicht werden.
  • Nachdem der primäre Mikrocontroller 126 die Steuerung übertragen hat, kann der sekundäre Mikrocontroller 128 ein Erregersignal 306 erzeugen, das als (nicht gezeigtes) zweites Erregersignal zu den Gate-Treibern 120 und als (nicht gezeigtes) drittes Erregersignal zu den Gate-Treibern 132 geleitet oder für diese bereitgestellt werden kann (Schritt 212). Das zweite Erregersignal und das dritte Erregersignal können pulsweitenmodulierte (PWM-) und/oder pulsfrequenzmodulierte (PFM-) Signale umfassen. Darüber hinaus kann das zweite Erregersignal durch die erste Trennschaltung 136 geleitet und innerhalb der Primärschaltung 102 für die Gate-Treiber 120 bereitgestellt werden. Das dritte Erregersignal kann für die Gate-Treiber 132 bereitgestellt werden, die in Reaktion auf das Empfangen des dritten Erregersignals die Schaltelemente 118 erregen und antreiben.
  • Der primäre Mikrocontroller 126 kann somit den Betrieb des Wandlers 100 z.B. über eine Anfahrsequenz initiieren, bei der der primäre Mikrocontroller 126 das erste Erregersignal 304 für die Gate-Treiber 120 bereitstellt, bis der sekundäre Mikrocontroller 128 eingeschaltet wird. Sobald der sekundäre Mikrocontroller 128 eingeschaltet ist, kommuniziert der sekundäre Mikrocontroller 128 mit dem primären Mikrocontroller 126, um einen Befehl zur Übertragung der Steuerung der Primärschaltung 102 (z.B. einen Befehl, die Erzeugung des ersten Erregersignals 304 anzuhalten) bereitzustellen. In Reaktion darauf hält der primäre Mikrocontroller 126 die Erzeugung des ersten Erregersignals 304 an, und der sekundäre Mikrocontroller 128 übernimmt die Steuerung der Primärschaltung 102, wodurch der sekundäre Mikrocontroller 128 ein (von dem Erregersignal 306 abgeleitetes) zweites Erregersignal für die Gate-Treiber 120 innerhalb der Primärschaltung 102 bereitstellt. Mit anderen Worten übernimmt nach der Beendigung der Anfahrsequenz der sekundäre Mikrocontroller 128 die Steuerung des Wandlers 100. Wie in 3 gezeigt, kann außerdem während der Erzeugung des ersten Erregersignals 304 eine Ausgangsspannung 308 des Wandlers 100 von dem primären Mikrocontroller 126 und nach dem Abschalten des primären Mikrocontrollers 126 weiterhin von dem sekundären Mikrocontroller 128 erzeugt werden.
  • Der sekundäre Mikrocontroller 128 kann darüber hinaus so konfiguriert sein, dass er mit einem externen System, etwa mit einer elektrischen Last kommuniziert, die an den Ausgangsbus 134 des Wandlers 100 gekoppelt ist. Der sekundäre Mikrocontroller 128 kann z.B. ein PRES-Signal 144, ein PGOOD-Signal 146, ein SDA-Signal 148, ein SCL-Signal 150, ein ALERT-Signal 152, ein ADDR0-Signal 154 und/oder ein ADDR1-Signal 156 senden und/oder empfangen. Jedes der Signale 144 bis 156 kann Zustandsinformationen und/oder andere Informationen umfassen, die mit dem Wandler 100 zusammenhängen. Das PRES-Signal 144 kann z.B. einen Hinweis liefern, ob der Wandler 100 in seiner Aufnahme vorhanden ist, das PGOOD-Signal 146 kann einen Hinweis liefern, ob der Wandler 100 Leistung bereitstellt (z.B. ausgibt) (z.B. ob der Wandler 100 eingeschaltet oder ausgeschaltet ist), das SDA-Signal 148 und das SCL-Signal 150 können Hinweise liefern, die mit einer seriellen Datenleitung (engl. Serial Data Line - SDA) und/oder einer seriellen Taktleitung (engl. Serial Clock Line - SCL) zusammenhängen, das ALERT-Signal 152 kann einen Hinweis über Alarmbedingungen liefern, die mit dem Wandler 100 zusammenhängen, und das ADDR0-Signal 154 und das ADDR1-Signal 156 können von dem externen System für die direkte Kommunikation mit dem sekundären Mikrocontroller 128 verwendet werden.
  • Ausführungsformen des DC-DC-Leistungswandlers vereinfachen somit eine Anfahrsequenz, bei der ein primärer Mikrocontroller ein erstes Erregersignal erzeugt, das so ausgebildet ist, dass es die Wandlerschaltung antreibt, und bei der ein sekundärer Mikrocontroller bei der Beendigung der Anfahrsequenz mit dem primären Mikrocontroller kommuniziert, um die Steuerung der Wandlerschaltung zu übernehmen. Der sekundäre Mikrocontroller kann insbesondere so mit dem primären Mikrocontroller kommunizieren, dass der primäre Mikrocontroller dazu gebracht wird, die Erzeugung des ersten Erregersignals anzuhalten, so dass der sekundäre Mikrocontroller ein zweites Erregersignal für eine oder mehrere Gate-Treiber bereitstellen kann, die ursprünglich von dem primären Mikrocontroller gespeist wurden. Darüber hinaus ermöglicht die hier beschriebene Anfahrsequenz des DC-DC-Wandlers das Ausschließen von separaten isolierten Vorspannungsgeneratoren, etwa von Flyback- oder Flybuck-Schaltungen. Dadurch wird die Dichte des Wandlers verbessert, wie auch für Anwendungen mit hoher Eingangsspannung, bei denen andernfalls große, niederfrequente Vorspannungsgeneratoren wie Offline-Flyback-Schaltungen verwendet werden.
  • Zu den beispielhaften technischen Auswirkungen des hier beschriebenen DC-DC-Leistungswandlers gehören z.B.: (a) das Wegfallen bei dem Wandler einer Stufe zum Auslegen von separaten Vorspannungsschaltungen; (b) eine Anfahrsequenz, die eine Handshake-Sequenz von zwei Mikrocontrollern auf jeder Seite der Isolationsbegrenzung beinhaltet (primärer Mikrocontroller, der an eine Primärseite eines Wandlertransformators gekoppelt ist, und sekundärer Mikrocontroller, der auf einer Sekundärseite des Wandlertransformators liegt); und (c) das Ermöglichen einer isolierten DC-DC-Umwandlung mit hoher Dichte bei Anwendungen, die eine Sekundärseitensteuerung erfordern.
  • Beispielhafte Ausführungsformen eines DC-DC-Leistungswandlers und dazugehöriger Komponenten sind oben ausführlich beschrieben. Der Wandler ist auch nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, vielmehr können Komponenten des Systems und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und separat von anderen hier beschrieben Komponenten und/oder Schritten verwendet werden. Die Ausgestaltung von hier beschriebenen Komponenten kann z.B. auch in Kombination mit anderen Prozessen verwendet werden und ist nicht auf die Umsetzung mit den hier beschriebenen Systemen und damit zusammenhängenden Verfahren beschränkt. Die beispielhafte Ausführungsform kann vielmehr zusammen mit vielen Anwendungen, in denen eine DC-DC-Leistungsumwandlung erwünscht ist, implementiert und verwendet werden.
  • Auch wenn spezifische Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung möglicherweise in einigen Zeichnungen gezeigt und in anderen nicht gezeigt sind, erfolgt dies lediglich aus praktischen Gründen. Entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung kann auf jegliches Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit einem beliebigen Merkmal einer weiteren Zeichnung verwiesen und/oder dieses beansprucht werden.
  • Bei der vorliegenden schriftlichen Beschreibung werden Beispiele einschließlich der besten Methode verwendet, um die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu offenbaren und um es auch einem Fachmann zu ermöglichen, die Offenbarung umzusetzen wie auch alle Vorrichtungen oder Systeme herzustellen und zu verwenden und alle beinhalteten Methoden auszuführen. Der patentfähige Umfang der hier beschriebenen Ausführungsformen wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele, die der Fachmann in Betracht zieht, umfassen. Solche weiteren Beispiele sollen im Erfindungsumfang liegen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Ausdrucksweise der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unerheblichen Unterschieden zur wörtlichen Ausdrucksweise der Ansprüche enthalten.

Claims (21)

  1. DC-DC-Leistungswandler, der Folgendes aufweist: einen Transformtor mit einer Primärseite und einer Sekundärseite; eine an die Primärseite des Transformators elektrisch gekoppelte Primärschaltung, wobei die Primärschaltung Folgendes aufweist: mindestens einen Gate-Treiber; einen Vorspannungsgenerator; und einen primären Mikrocontroller, der elektrisch an den Vorspannungsgenerator gekoppelt und so ausgebildet ist, dass er eine von dem Vorspannungsgenerator eingespeiste erste Vorspannung erhält, wobei der primäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er in Reaktion auf die erste Vorspannung ein erstes Erregersignal für den mindestens einen Gate-Treiber bereitstellt; eine an die Sekundärseite des Transformators elektrisch gekoppelte Sekundärschaltung, wobei die Sekundärschaltung Folgendes aufweist: einen sekundären Mikrocontroller, der kommunikativ an den primären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er eine zweite Vorspannung erhält, wobei der sekundäre Mikrocontroller ferner so ausgebildet ist, dass er in Reaktion auf die zweite Vorspannung ein zweites Erregersignal für den mindestens einen Gate-Treiber bereitstellt, wobei der sekundäre Mikrocontroller ferner so ausgebildet ist, dass er einen Befehl für den primären Mikrocontroller bereitstellt, der dazu führt, dass der primäre Mikrocontroller die Steuerung der Primärschaltung auf den sekundären Mikrocontroller überträgt.
  2. DC-DC-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Sekundärschaltung ferner einen Abwärtswandler aufweist, der elektrisch zwischen i) der Sekundärseite des Transformators und dem sekundären Mikrocontroller und/oder ii) zwischen einem Ausgangsspannungsbus des DC-DC-Leistungswandlers und dem sekundären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der Abwärtswandler so eingerichtet ist, dass er die zweite Vorspannung erzeugt.
  3. DC-DC-Leistungswandler nach Anspruch 1 oder 2, der ferner eine erste Trennschaltung aufweist, die zwischen dem primären Mikrocontroller und dem sekundären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er das zweite Erregersignal durch die erste Trennschaltung zu dem mindestens einen Gate-Treiber leitet.
  4. DC-DC-Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine zweite Trennschaltung aufweist, die zwischen dem primären Mikrocontroller und dem sekundären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er den Befehl zur Übertragung der Steuerung der Primärschaltung durch die zweite Trennschaltung leitet.
  5. DC-DC-Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundärschaltung ferner eine Gleichrichterschaltung aufweist, die elektrisch zwischen der Sekundärseite des Transformators und einem Ausgangsspannungsbus gekoppelt ist.
  6. DC-DC-Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine an den Vorspannungsgenerator gekoppelte Vormagnetisierungswicklung aufweist.
  7. DC-DC-Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Erregersignal eine Folge aus konstanten Einschaltzeitimpulsen mit fester Frequenz ist und das zweite Erregersignal aus i) pulsweitenmodulierten (PWM-) Signalen und/oder aus ii) pulsfrequenzmodulierten (PFM-) Signalen besteht.
  8. DC-DC-Leistungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Vorspannungsgenerator um einen linearen Regler handelt, der aus der aus einem Low-Dropout-Regler, einem festen Regler, einem variablen Regler und einem Reihenregler bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  9. DC-DC-Leistungswandler, der Folgendes aufweist: einen Transformtor mit einer Primärseite und einer Sekundärseite; eine an die Primärseite des Transformators elektrisch gekoppelte Primärschaltung, wobei die Primärschaltung Folgendes aufweist: einen primären Mikrocontroller, der so ausgebildet ist, dass er ein erstes Erregersignal erzeugt, mit dem ein Teil der Primärschaltung erregt wird; und eine an die Sekundärseite des Transformators elektrisch gekoppelte Sekundärschaltung, wobei die Sekundärschaltung Folgendes aufweist: einen sekundären Mikrocontroller, der kommunikativ an den primären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er einen Befehl für den primären Mikrocontroller bereitstellt, der dazu führt, dass der primäre Mikrocontroller die Steuerung der Primärschaltung auf den sekundären Mikrocontroller überträgt, wobei der sekundäre Mikrocontroller ferner so ausgebildet ist, dass er ein zweites Erregersignal für den Teil der Primärschaltung bereitstellt.
  10. DC-DC-Leistungswandler nach Anspruch 9, wobei die Sekundärschaltung ferner einen Abwärtswandler aufweist, der elektrisch zwischen der Sekundärseite des Transformators und dem sekundären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der Abwärtswandler so ausgebildet ist, dass er eine in die Sekundärseite des Transformators eingeleitete Ausgangsspannung auf eine Vorspannung abspannt.
  11. DC-DC-Leistungswandler nach Anspruch 9 oder 10, der ferner eine erste Trennschaltung aufweist, die zwischen dem primären Mikrocontroller und dem sekundären Mikrocontroller gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er das zweite Erregersignal durch die erste Trennschaltung zu dem Teil der Primärschaltung leitet.
  12. DC-DC-Leistungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, der ferner eine zweite Trennschaltung aufweist, die zwischen dem primären Mikrocontroller und dem sekundären gekoppelt ist, wobei der sekundäre Mikrocontroller so ausgebildet ist, dass er den Befehl zur Übertragung der Steuerung der Primärschaltung durch die zweite Trennschaltung leitet.
  13. DC-DC-Leistungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Sekundärschaltung ferner eine Gleichrichterschaltung aufweist, die elektrisch zwischen der Sekundärseite des Transformators und einem Ausgangsspannungsbus gekoppelt ist.
  14. DC-DC-Leistungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 13, der ferner einen Vorspannungsgenerator und eine Vormagnetisierungswicklung aufweist, wobei der Vorspannungsgenerator über die Vormagnetisierungswicklung elektrisch an den primären Mikrocontroller gekoppelt ist.
  15. DC-DC-Leistungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das erste Erregersignal eine Folge aus konstanten Einschaltzeitimpulsen mit fester Frequenz ist und das zweite Erregersignal aus i) pulsweitenmodulierten (PWM-) Signalen und/oder aus ii) pulsfrequenzmodulierten (PFM-) Signalen besteht.
  16. Verfahren zum Betreiben eines DC-DC-Leistungswandlers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erhalten einer ersten Vorspannung durch einen primären Mikrocontroller, der innerhalb einer Primärschaltung des DC-DC-Leistungswandlers angeordnet ist; Erzeugen eines ersten Erregersignals, mit dem ein Teil der Primärschaltung erregt wird, durch den primären Mikrocontroller und in Reaktion auf die erste Vorspannung; Erhalten eines Befehls, die Steuerung der Primärschaltung auf den sekundären Mikrocontroller zu übertragen, durch den primären Mikrocontroller und von einem sekundären, der innerhalb einer Sekundärschaltung des DC-DC-Leistungswandlers angeordnet ist; und Übertragen eines zweiten Erregersignals zum dem Teil der Primärschaltung durch den sekundären Mikrocontroller.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Erhalten einer Vorspannung von einem an eine Sekundärseite eines Transformators gekoppelten, nicht isolierten Abwärtswandler durch den sekundären Mikrocontroller umfasst, wobei der Transformator zwischen der Primärschaltung und der Sekundärschaltung gekoppelt ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Leiten des zweiten Erregersignals zu dem Teil der Primärschaltung durch einen zwischen der Primärschaltung und der Sekundärschaltung gekoppelten ersten digitalen Isolator durch den sekundären Mikrocontroller umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, das ferner das Leiten des Befehls zur Übertragung der Steuerung der Primärschaltung durch einen zwischen der Primärschaltung und der Sekundärschaltung gekoppelten zweiten digitalen Isolator durch den sekundären Mikrocontroller umfasst.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, das ferner das Leiten des zweiten Erregersignals zu dem Teil der Primärschaltung durch einen zwischen der Primärschaltung und der Sekundärschaltung gekoppelten ersten Optokoppler durch den sekundären Mikrocontroller umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, das ferner das Leiten des Befehls zur Übertragung der Steuerung der Primärschaltung durch einen zwischen der Primärschaltung und der Sekundärschaltung gekoppelten zweiten Optokoppler durch den sekundären Mikrocontroller umfasst.
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