DE102019201760A1 - Halbbrücke mit Leistungshalbleitern - Google Patents

Abstract

Halbbrücke umfassend- einen in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter,- eine Steuerung für die Leistungshalbleiter,- eine Leitung, die von dem Verbindungsknoten der Leistungshalbleiter ausgeht,- eine Einrichtung zur Bestimmung eines ersten Stromwerts, der der Strom durch den ersten Leistungshalbleiter oder durch die Leitung ist, und eines zweiten Stromwerts, der der Strom durch den zweiten Leistungshalbleiter oder durch die Leitung ist, wobei die Steuerung ausgestaltet ist,- bei Durchschreiten des ersten Stromwerts durch einen Schwellwert in einer ersten Richtung einen ersten Abschaltzeitpunkt und einen ersten Einschaltzeitpunkt zu bestimmen,- bei Erreichen des ersten Abschaltzeitpunkts den ersten Leistungshalbleiter abzuschalten und bei Erreichen des ersten Einschaltzeitpunkts den zweiten Leistungshalbleiter einzuschalten,- bei Durchschreiten des zweiten Stromwerts durch den Schwellwert in einer zweiten Richtung einen zweiten Abschaltzeitpunkt und einen zweiten Einschaltzeitpunkt zu bestimmen,- bei Erreichen des zweiten Abschaltzeitpunkts den zweiten Leistungshalbleiter abzuschalten und bei Erreichen des zweiten Einschaltzeitpunkts den ersten Leistungshalbleiter einzuschalten.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Halbbrücke mit einem in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter und einer Steuerung für die Leistungshalbleiter sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
• In leistungselektronischen Schaltungen wie beispielsweise Umrichtern oder Schaltnetzteilen kommen als eine der wichtigsten Grundschaltungen in nahezu jeder Topologie Halbbrücken zum Einsatz. Halbbrücken umfassen einen ersten und zweiten Leistungshalbleiter, beispielsweise MOSFETs, die in Serie geschaltet sind. Die beiden außenliegenden Anschlüsse der Leistungshalbleiter bilden einen ersten und zweiten Anschluss der Halbbrücke und können beispielsweise an einer Gleichspannung angeschlossen sein. Der Verbindungsknoten der beiden Leistungshalbleiter bildet einen dritten Anschluss der Halbbrücke und ist über eine Leitung beispielsweise mit einer Last verbunden. Leistungsfluss und Strom in der Leitung können sowohl zur Halbbrücke hin als auch von ihr weg gerichtet sein.
• Halbbrücken haben häufig induktive Lasten. Die induktive Last kann dabei ein dediziertes induktives Bauteil wie beispielsweise eine Drossel als auch eine parasitäre Induktivität sein, beispielsweise die Streuinduktivität eines Transformators oder die Leitungsinduktivität. Häufig ist die induktive Last eine Mischung beider Elemente. Um gewünschte Strom- und/oder Spannungsverläufe zu erhalten, müssen die Leistungshalbleiter der Halbbrücke mit hoher Frequenz und ggfs. unterschiedlichen Einschaltzeiten abwechselnd eingeschaltet werden. Ein gleichzeitiges Einschalten muss dabei vermieden werden, um keinen Kurzschluss zu erzeugen. Dadurch ergibt sich eine näherungsweise rechteckförmige Schaltspannung über einen jeweiligen Schalter und ein annähernd dreieckförmiger Strom in der Ausgangsleitung, dessen Frequenz der Schaltfrequenz entspricht.
• Die Schaltzeiten für die Leistungshalbleiter müssen so eingestellt werden, dass sich ein gewünschter Strom in der Ausgangsleitung ergibt, wobei in der Regel der Mittelwert des Stroms als Regelgröße gewünscht ist. Üblicherweise werden eine feste Schaltfrequenz f = 1/T und eine feste Totzeit t_db, also die Zeit zwischen dem Abschalten eines Leistungshalbleiters und dem Einschalten des anderen Leistungshalbleiters, gewählt. Die Totzeit tdb wird dabei nur so lang wie nötig gewählt, um einen Kurzschluss der Halbbrücke sicher ausschließen zu können. Die Einschaltzeiten der beiden Schalter werden dann meist über einen Tastgrad d zu t_{ON_S1} = d * T - t_db und t_{ON_S2} = (1 - d) * T - tdb bestimmt. Der Regler stellt den Tastgrad so, dass sich der gewünschte Mittelwert für den Strom in der Leitung ergibt.
• Bei realen Leistungshalbleitern entstehen Schaltverluste, die die Effizienz des Systems verringern und zur Erwärmung der Leistungshalbleiter führen. Die Schaltverluste werden üblicherweise in Kauf genommen und durch teils aufwendige Kühlung abgeführt. Jeder Schaltvorgang erzeugt zudem eine schnelle Änderung der Schaltspannung, die über parasitäre Kapazitäten ungewollte Einkopplungen und damit Störungen in anderen Schaltungsteilen und der Umgebung verursacht. Sehr hohe Schaltfrequenzen, wie sie bei neueren Wide-Bandgap-Halbleitern (GaN oder SiC) erreicht werden können, sind vorteilhaft für die Baugröße und Gewicht von Induktivitäten und Kapazitäten, die häufig als Filter und Energiespeicher verwendet werden müssen, führen aber zu erhöhten Anforderungen bezüglich der Regelung, der Schaltverluste und der EMV.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Halbbrücke anzugeben, die die eingangs genannten Nachteile verringert. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb der Halbbrücke anzugeben. Diese Aufgaben werden durch eine Halbbrücke mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Halbbrücke umfasst einen in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter und eine Steuerung für die Leistungshalbleiter sowie eine Leitung, die von dem Verbindungsknoten der Leistungshalbleiter ausgeht. Ferner weist die Halbbrücke eine Einrichtung auf zur Bestimmung eines ersten Stromwerts, der der Strom durch den ersten Leistungshalbleiter oder durch die Leitung ist, und eines zweiten Stromwerts, der der Strom durch den zweiten Leistungshalbleiter oder durch die Leitung ist.
• Die Steuerung ist ausgestaltet, bei Durchschreiten des ersten Stromwerts durch einen Schwellwert in einer ersten Richtung einen ersten Abschaltzeitpunkt und einen ersten Einschaltzeitpunkt zu bestimmen und bei Erreichen des ersten Abschaltzeitpunkts den ersten Leistungshalbleiter abzuschalten und bei Erreichen des ersten Einschaltzeitpunkts den zweiten Leistungshalbleiter einzuschalten. Schließlich ist die Steuerung ausgestaltet, bei Durchschreiten des zweiten Stromwerts durch den Schwellwert in einer zweiten Richtung einen zweiten Abschaltzeitpunkt und einen zweiten Einschaltzeitpunkt zu bestimmen und bei Erreichen des zweiten Abschaltzeitpunkts den zweiten Leistungshalbleiter abzuschalten und bei Erreichen des zweiten Einschaltzeitpunkts den ersten Leistungshalbleiter einzuschalten.
• Das Verfahren zur Steuerung einer Halbbrücke mit einem in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter umfasst folgende Schritte:
• - Bestimmen eines ersten Stromwerts, der der Strom durch den ersten Leistungshalbleiter oder in einer vom Verbindungsknoten der Leistungshalbleiter ausgehenden Leitung ist, und eines zweiten Stromwerts, der der Strom durch den zweiten Leistungshalbleiter oder in der Leitung ist,
• - Bestimmen eines ersten Abschaltzeitpunkts und eines ersten Einschaltzeitpunkts bei Durchschreiten des ersten Stromwerts durch einen Schwellwert in einer ersten Richtung,
• - Abschalten des ersten Leistungshalbleiters bei Erreichen des ersten Abschaltzeitpunkts,
• - Einschalten des zweiten Leistungshalbleiters bei Erreichen des ersten Einschaltzeitpunkts,
• - Bestimmen eines zweiten Abschaltzeitpunkts und eines zweiten Einschaltzeitpunkts bei Durchschreiten des zweiten Stromwerts durch den Schwellwert in einer zweiten Richtung,
• - Abschalten des zweiten Leistungshalbleiters bei Erreichen des zweiten Abschaltzeitpunkts,
• - Einschalten des ersten Leistungshalbleiters bei Erreichen des zweiten Einschaltzeitpunkts.
• Die erste Richtung und die zweite Richtung sind dabei zweckmäßig verschiedene Richtungen. Das Durchschreiten des Stromwerts durch den Schwellwert bezeichnet dabei, dass der Stromwert von einer Seite des Schwellwerts zur anderen Seite wechselt, d.h. vor Durchschreiten kleiner und nach Durchschreiten größer als der Schwellwert ist oder umgekehrt. Ist der Schwellwert 0 A, so wechselt der Stromwert bei Durchschreiten das Vorzeichen.
• Die Stromflussrichtung in der Leitung kann weg von den Leistungshalbleitern gerichtet sein, was hierin als positiver Stromfluss betrachtet wird oder zu den Leistungshalbleitern gerichtet sein, was als negativer Stromfluss betrachtet wird. Die Einrichtung zur Messung des Stroms kann nahe an der Halbbrücke in der Leitung vorgesehen sein. Alternativ kann die Einrichtung auch in einer Rückleitung von einer Last zu einem der Außenanschlüsse der Leistungshalbleiter angeordnet sein, womit trotz der anderen Platzierung der Strom in der Leitung gemessen wird. Insbesondere kann also zwischen dem Ort der Strommessung und der Halbbrücke eine induktive Last oder ein Teil einer induktiven Last angeordnet sein. Die Einrichtung zur Bestimmung der Stromwerte kann aber auch zwei Teile aufweisen, wovon ein erster Teil den Strom des ersten Leistungshalbleiters ermittelt und wovon ein zweiter Teil den Strom des zweiten Leistungshalbleiters ermittelt.
• Mit anderen Worten wird also nicht eine feste Schaltfrequenz gewählt, die die Schaltzeitpunkte der Leistungshalbleiter festlegt, sondern die Schaltung der Leistungshalbleiter wird anhand von gemessenen Stromwerten und dem Schwellwert für den Strom vorgenommen.
• Vorteilhaft ermöglicht das eine direkte Wahl des Mittelwerts für den Strom und eine direkte Wahl des Rippelstroms. Der gewünschte Mittelwert des Stroms wird durch die Steuerung innerhalb nur einer Periode umgesetzt. Insbesondere bei großen Schaltfrequenzen kann dies als P-Verhalten angesehen werden, was die Regelung enorm vereinfacht. Bei digitalen Regelungen ist es durch dieses Verfahren außerdem möglich, die Regelfrequenz deutlich unter der Schaltfrequenz zu halten. Bei den bisherigen Verfahren würde das zu Schwierigkeiten führen, weil dort meist ein komplexeres Zeitverhalten vorliegt. Das Verfahren macht es somit überhaupt erst möglich, Systeme mit sehr hohen Schaltfrequenzen (mehrere 100 kHz bis in den Megahertz-Bereich) auch ohne große Rechenleistung, beispielsweise mit einfachen und kostengünstigen Mikrocontrollern, zu regeln. Zusätzlich ist dieses Verfahren sehr robust bei wechselnden Ein- und Ausgangsspannungen und schafft damit weitreichende Möglichkeiten beim Systemdesign. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei dieser Halbbrücke der Rippelstrom unabhängig vom Arbeitspunkt gewählt werden kann, was mit bisherigen Verfahren nicht möglich war.
• Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Halbbrücke ist, dass der Strom auch bei Änderungen des Stromverhaltens, beispielsweise durch Laständerungen, im Bereich des Schwellwerts und damit bei dem mittleren Stromwert bleibt, der als Sollwert vorgegeben ist, da das Schaltverhalten der Leistungshalbleiter sich durch die Strommessung an das Stromverhalten anpasst. Dasselbe gilt auch bei Änderungen der Vorgabewerte. Wird beispielsweise der Sollwert für den mittleren Strom angehoben, kann die Lage eines oder beider Abschaltzeitpunkte verändert werden, sodass der Strom eine verlängerte Zeit ansteigt und somit einen höheren Maximalwert erreicht. Dadurch wird bei unverändertem Stromminimum der mittlere Stromwert erhöht.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Halbbrücke und das Verfahren noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
• - Der Schwellwert kann 0 A betragen oder einen anderen Wert des Stroms wie beispielsweise 1 A. Der Schwellwert wird bevorzugt bei der Berechnung der Einschaltzeitpunkte und Abschaltzeitpunkte berücksichtigt. Der Schwellwert ist bevorzugt für die Betriebsdauer der Halbbrücke unvariierbar festgelegt. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, den Vergleich der Stromwerte mit dem Schwellwert direkt bei einem Messshunt vorzunehmen und lediglich das digitale Ergebnis des Vergleichs zu einem Modulator zurückzuleiten. Die Weitergabe eines digitalen Signals ist einfacher als die eines analogen Signals, speziell wenn die verschiedenen Komponenten, d.h. der Messshunt und der Modulator oder andere Teile der Steuerung auf verschiedenem Potential sind.
• - Die Steuerung kann ausgestaltet sein, den ersten Abschaltzeitpunkt für den ersten Leistungshalbleiter aus dem Zeitpunkt des Durchschreitens des Schwellwerts in der ersten Richtung und einer ersten Zeitdauer zum Erreichen eines ersten Stromextremwerts zu bestimmen, bevorzugt durch Addition der Zeitwerte. Der erste Stromextremwert kann ein Strommaximum oder ein Stromminimum sein, je nachdem ob die erste Richtung einen steigenden Strom oder einen fallenden Stromwert symbolisiert. Die erste Zeitdauer repräsentiert dabei den Stromanstieg oder Stromabfall in der Zeit, in der der erste Leistungshalbleiter eingeschaltet ist und der zweite Leistungshalbleiter abgeschaltet ist, bis zum Erreichen des gewünschten Stromextremwerts.
• - Die Steuerung kann ausgestaltet sein, den Einschaltzeitpunkt für den zweiten Leistungshalbleiter aus dem ersten Abschaltzeitpunkt und einer ersten Totzeit zu bestimmen. Zweckmäßig wird diese erste Totzeit zu den anderen Zeiten addiert, so dass die Leistungshalbleiter mit Sicherheit nicht gleichzeitig eingeschaltet sind und somit ein Kurzschluss vermieden wird. Es ist auch möglich, für den ersten Abschaltzeitpunkt die erste Totzeit von der Summe aus dem Zeitpunkt des Durchschreitens des Schwellwerts und der ersten Zeitdauer abzuziehen und als ersten Einschaltzeitpunkt die Summe aus dem Zeitpunkt des Durchschreitens des Schwellwerts und der ersten Zeitdauer zu verwenden, was nur einer Verschiebung der beiden ersten Zeitpunkte gleichkommt.
• - Die Steuerung kann ausgestaltet sein, den zweiten Abschaltzeitpunkt für den zweiten Leistungshalbleiter aus dem Zeitpunkt des Durchschreitens des Schwellwerts in der zweiten Richtung und einer zweiten Zeitdauer zum Erreichen eines zweiten Stromextremwerts zu bestimmen, bevorzugt durch Addition der Zeitwerte. Ist der erste Stromextremwert ein Stromminimum, dann ist der zweite Stromextremwert ein Strommaximum und umgekehrt. Die zweite Zeitdauer repräsentiert dabei den Stromanstieg oder Stromabfall in der Zeit, in der der zweite Leistungshalbleiter eingeschaltet ist und der erste Leistungshalbleiter abgeschaltet ist, bis zum Erreichen des gewünschten Stromextremwerts.
• - Die Steuerung kann ausgestaltet sein, den Einschaltzeitpunkt für den ersten Leistungshalbleiter aus dem zweiten Abschaltzeitpunkt und einer zweiten Totzeit zu bestimmen. Zweckmäßig wird diese zweite Totzeit zu den anderen Zeiten addiert, so dass die Leistungshalbleiter mit Sicherheit nicht gleichzeitig eingeschaltet sind und somit ein Kurzschluss vermieden wird. Ansonsten gilt das bereits für die ersten Zeitpunkte Beschriebene.
• - Die Steuerung kann ausgestaltet sein, die erste Zeitdauer zum Erreichen des ersten Stromextremwerts aus einem festlegbaren Soll-Strommittelwert, einem festlegbaren Soll-Rippelstrom, dem Schwellwert, einem Last-Induktivitätswert in der Leitung und der Spannung über die einzelnen Leistungshalbleiter zu bestimmen. In gleicher Weise kann die zweite Zeitdauer zum Erreichen des zweiten Stromextremwerts aus dem Soll-Strommittelwert, dem Soll-Rippelstrom, dem Schwellwert, einem Last-Induktivitätswert in der Leitung und der Spannung über die einzelnen Leistungshalbleiter bestimmt werden. Der Soll-Strommittelwert und der Soll-Rippelstrom können dabei von einem übergeordneten System als Soll-Werte vorgegeben sein. Die Steuerung bestimmt daraus die anderen nötigen Werte wie die Zeitdauern und regelt die Leistungshalbleiter, um die Soll-Werte zu erfüllen. Vorteilhaft müssen dann vom übergeordneten System nur für den Betrieb relevante Werte vorgegeben werden, während die Steuerung daraus die richtigen Regelwerte erzeugt.
• - Die Steuerung kann einen ersten Komparator umfassen, dem als erstes Eingangssignal der gemessene Stromwert zugeführt wird, wobei in diesem Fall von einer Messung von nur einem Stromwert in der vom Verbindungspunkt der beiden Leistungshalbleiter ausgehenden Leitung ausgegangen wird. Dieser Stromwert repräsentiert die Ströme durch beide Leistungshalbleiter. Als zweites Eingangssignal wird dem ersten Komparator der Schwellwert zugeführt. Dieser liegt vorteilhaft fest. Der Ausgang des Komparators kann in einem Modulator zu Steuersignalen für die Leistungshalbleiter gewandelt werden. Es ergibt sich ein einfacher Aufbau, da anstelle eines analogen Messsignals des Stroms oder einer variablen Schwellwertvorgabe nur ein Komparator benötigt wird, der auf einen festliegenden Schwellwert vergleicht. Das digitale Ausgangssignal genügt dann zur Regelung. Dadurch ist der Hardwareaufwand deutlich niedriger und es ergeben sich weniger Probleme mit Laufzeiten und Verzögerungen durch die Messung. Außerdem muss nur das digitale Ausgangssignal potenzialgetrennt übertragen werden, wenn die Strommessung auf einem anderen Potenzial als der Controller sitzt.
• - Die Steuerung kann alternativ einen ersten und zweiten Komparator umfassen. Dabei wird dem ersten Komparator der Strom durch den ersten Leistungshalbleiter als erstes Eingangssignal zugeführt und dem zweiten Komparator wird der Strom durch den zweiten Leistungshalbleiter als erstes Eingangssignal zugeführt. Der Schwellwert wird beiden Komparatoren als zweites Eingangssignal zugeführt. In dieser Variante wird bei jedem der Komparatoren lediglich eine der Schaltflanken zur Steuerung der Halbbrücke verwendet. Beispielsweise wird beim ersten Komparator ein Durchschreiten des Schwellwerts in der ersten Richtung detektiert und beim zweiten Komparator ein Durchschreiten des Schwellwerts in der zweiten Richtung. Die jeweils andere Richtung wird zweckmäßig nicht beachtet.
• - Die Steuerung kann ausgestaltet sein, einen Mindestwert für den Rippelstrom zu verwenden. Mit anderen Worten kann die Steuerung erzwingen, dass ein Mindestabstand zwischen einem sich ergebenden Strommaximum und Stromminimum eingehalten wird, wobei dieser Mindestabstand dem Mindestwert für den Rippelstrom entspricht. Dadurch wird erreicht, dass die sich durch den Abstand zwischen den Schwellwerten ergebende Schaltfrequenz, die bei sinkendem Rippelstrom ansteigt, nicht zu hoch wird. Ein Mindestwert für den Rippelstrom ergibt einen Mindestwert für die erste und zweite Zeitdauer zum Erreichen eines ersten oder zweiten Stromextremwerts, die nicht unterschritten werden kann und somit eine Begrenzung der tatsächlichen Schaltfrequenz.
• - Die Steuerung kann die Totzeiten so einstellen, dass ein spannungsfreies Anschalten der Leistungshalbleiter passiert. Hierdurch wird eine erhebliche Reduzierung der Schaltverluste erreicht. Weiterhin wird auch eine erhebliche Verbesserung der EMV-Eigenschaften erreicht, da ein resonanter Umschwingvorgang stattfindet. Die Flanken der Schaltspannung werden dadurch deutlich flacher und abgerundet. Das Spektrum einer solchen Schaltspannung zeigt erheblich niedrigere Amplituden in den Oberschwingungen.
• - Die Steuerung kann dazu die Totzeiten berechnen oder aus einer gespeicherten Wertetabelle auswählen. Die Berechnung kann beispielsweise aus der summierten Ausgangskapazität der Leistungshalbleiter, der Induktivität in der Ausgangsleitung und der Spannung an Eingang und Ausgang der Halbbrücke passieren. Alternativ kann die Halbbrücke Mittel zur Messung der Spannung über den ersten und zweiten Leistungshalbleiter aufweisen. Eine Schaltung kann dann anhand der gemessenen Spannung erfolgen, was ein sicheres resonantes Schalten ermöglicht.
• - Erste und zweite Totzeit sind zweckmäßig voneinander verschieden, da das Umladen der Kapazitäten der Leistungshalbleiter bei unterschiedlichen absoluten Strömen stattfindet und damit unterschiedlich lange dauert.
• Vorteilhaft werden durch die Anpassung der Totzeiten die Schaltverluste fast völlig eliminiert. Dadurch kann die Effizienz von Systemen mit der Halbbrücke deutlich gesteigert werden. Mit neuen Wide-Bandgap-Halbleitern, also beispielsweise Schaltern auf GaN- oder SiC-Basis können dadurch deutlich höhere Schaltfrequenzen als bisher erreicht werden. Die gleichzeitig verbesserten EMV-Eigenschaften verringern den Filteraufwand deutlich und ermöglichen dadurch einen kompakteren und kostengünstigeren Aufbau.
• Die Halbbrücke und das Verfahren betreffen die Leistungselektronik. Die von den Leistungshalbleitern schaltbare Leistung beträgt wenigstens 10 W, insbesondere wenigstens 100 W oder wenigstens 1 kW. Die geschaltete Spannung beträgt wenigstens 50 V, insbesondere wenigstens 100 V oder wenigstens 300 V.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Halbbrücke und des Verfahrens gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter und vereinfachter Form
• 1 einen elektrischen Wandler,
• 2 einen Stromkreisausschnitt mit einer Halbbrücke mit einer ersten Variante einer Ansteuerschaltung,
• 3 ein Schaltschema und Stromverlauf,
• 4 die Halbbrücke mit einer zweiten Variante der Ansteuerschaltung,
• 5 die Halbbrücke mit einer dritten Variante der Ansteuerschaltung,
• 6 ein simuliertes Schaltverhalten.
• 1 zeigt ein Schaltbild für einen elektrischen Wandler 10, in dem ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung eingesetzt wird. Der Wandler 10 entspricht in seinem Aufbau einer Zusammenschaltung eines Aufwärtswandlers und eines Inverswandlers, wobei die jeweiligen Ausgänge in Reihe geschaltet sind. Der Wandler 10 hat einen ersten und zweiten Eingangsanschluss 11A, 11B für die Eingangsspannung, wobei der erste Eingangsanschluss 11A als positiver Pol zu verwenden ist. Weiterhin weist der Wandler 10 einen ersten und zweiten Ausgangsanschluss 13A, 13B auf, wobei der erste Ausgangsanschluss 13A ebenfalls typischerweise den positiven Pol darstellt. Der Wandler 10 weist weiterhin drei elektrische Knotenpunkte 12A, 12B, 12C auf, anhand derer der Aufbau beschrieben wird.
• Der erste Knotenpunkt 12A ist direkt mit dem zweiten Eingangsanschluss 11B verbunden und weiterhin mit Masse verbunden. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11A und dem zweiten Knotenpunkt 12B ist eine erste Induktivität L1 angeordnet. Zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 13A und dem zweiten Knotenpunkt 12B ist ein erster Halbleiterschalter S1 angeordnet. Zwischen dem zweiten Knotenpunkt 12B und dem ersten Knotenpunkt 12A ist ein zweiter Halbleiterschalter S2 angeordnet.
• Zwischen dem ersten Ausganganschluss 13A und dem ersten Knotenpunkt 12A ist ein erster Kondensator C1 angeordnet, der den Ausgang des Aufwärtswandlers darstellt, der aus dem ersten Halbleiterschalter S1, dem zweiten Halbleiterschalter S2 und der ersten Induktivität L1 gebildet ist.
• Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 11A und dem dritten Knotenpunkt 12C ist ein dritter Halbleiterschalter S3 angeordnet. Zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 13B und dem dritten Knotenpunkt 12C ist ein vierter Halbleiterschalter S4 angeordnet. Zwischen dem dritten Knotenpunkt 12C und dem ersten Knotenpunkt 12A ist eine zweite Induktivität L2 angeordnet.
• Zwischen dem zweiten Ausganganschluss 13B und dem ersten Knotenpunkt 12A ist ein zweiter Kondensator C2 angeordnet, der den Ausgang des Inverswandlers darstellt, der aus dem vierten Halbleiterschalter S4, dem dritten Halbleiterschalter S3 und der zweiten Induktivität L2 gebildet ist.
• Die Halbleiterschalter S1...4 im Wandler 10 sind in diesem Beispiel GaN-Schalter. Es können aber auch andere Schalter wie MOSFETs oder IGBTs verwendet werden.
• Im Betrieb der Schaltung erzeugt der Aufwärtswandler eine positive Spannung am ersten Kondensator C1. Diese positive Spannung ist prinzipbedingt mindestens so groß wie die Eingangsspannung an den Eingangsanschlüssen 11A, 11B. Der Inverswandler wiederum erzeugt eine negative Spannung am zweiten Ausgangsanschluss 13B relativ zum ersten Knotenpunkt 12A. Durch die Serienschaltung der beiden Kondensatoren C1, C2 ist die Ausgangsspannung zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 13A, 13B dem Betrag nach die Summe der Beträge der beiden erzeugten Spannungen. Somit ist das Übersetzungsverhältnis, das sich bei einer gegebenen Ein- und Ausgangsspannung ergibt, für den Aufwärtswandler und den Inverswandler jeweils halbiert.
• Zusätzlich kann der Wandler 10 auch so betrieben werden, dass die Zielspannungen an den Kondensatoren C1, C2 nicht mehr DC-Spannungen, sondern andere Wellenformen, also allgemein Mischspannungen sind. Hierzu ist eine in den Figuren nicht gezeigte Steuerungseinrichtung vorhanden, die ausgestaltet ist, den ersten bis vierten Halbleiterschalter S1...S4 so zu schalten, dass sich der gewünschte Spannungsverlauf an den Kondensatoren C1, C2 ergibt.
• Ein solcher gewünschter Spannungsverlauf kann beispielsweise in einer Folge von Halbwellen bestehen oder in einer DC-Spannung mit einer zusätzlichen Modulation. Da sich weiterhin die erzeugten Spannungen am ersten und zweiten Kondensator C1, C2 zur Ausgangsspannung addieren, kann auch bei einer Mischspannung eine hohe Amplitude bei moderatem Übersetzungsverhältnis für den Wandler erreicht werden. Für die Folge von Halbwellen können beispielsweise sowohl der Aufwärtswandler als auch der Inverswandler einen phasen- und amplitudengleichen Halbwellenverlauf erzeugen. Dann addieren sich die Amplituden der Halbwellen in der Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen 13A, 13B.
• Der Wandler 10 weist zwei Halbbrücken auf, die jeweils direkt mit einer Induktivität verbunden sind: Die Halbbrücke aus dem ersten und zweiten Halbleiterschalter S1, S2 ist mit der ersten Induktivität L1 verbunden und die Halbbrücke aus dem dritten und vierten Halbleiterschalter S3, S4 ist mit der zweiten Induktivität L1 verbunden.
• 2 zeigt einen stark vereinfachten Ausschnitt aus einem Stromkreis 100 mit einer Halbbrücke 102, die beispielsweise dem Paar aus erstem und zweitem Halbleiterschalter S1, S2 und/oder dem Paar aus drittem und viertem Halbleiterschalter S3, S4 der 1 entspricht. Die Halbbrücke 102 kann Teil des Wandlers 10 oder eines beliebigen anderen Stromrichters, beispielsweise eines Umrichters, Gleichrichters, Netzteils oder eines anderen Wandlers sein oder für sich allein realisiert sein. Die Halbbrücke 102 umfasst zwei in Serie geschaltete Leistungshalbleiter 108, 110 wie beispielsweise MOSFETs. Häufig ist die Halbbrücke 102 mit den Außenanschlüssen 104, 106 an eine Gleichspannung 114 angeschlossen, beispielsweise an den Zwischenkreis eines Umrichters. Der Mittelanschluss 112 zwischen den Leistungshalbleitern 108, 110 ist mit einer induktiven Last 116 verbunden. Die induktive Last 116 steht stellvertretend für alle Sorten von Lasten, die auch nur teilweise induktiv sein können und für solche Aufbauten, in denen der induktive Teil der Last beispielsweise durch eine Leitungsinduktivität zustande kommt. Die induktive Last 116 kann also ebenso gut ein dediziertes Bauteil sein wie ein parasitäres Element oder beides zusammen.
• Die Ansteuerung der Leistungshalbleiter 108, 110 wird durch eine Steuereinheit 120 vorgenommen. Die Steuereinheit 120 umfasst einen digitalen Controller 122, einen ersten Komparator 124 und einen Modulator 128. Es ist möglich, dass diese Elemente Teile eines einzelnen Mikrocontrollers sind und somit als ein einzelner Baustein aufgebaut sind. Ebenso können diese Elemente aber auch teilweise oder vollständig als separate Bauteile vorliegen. Ferner umfasst die Steuereinheit 120 eine Strommessvorrichtung 130, die den vom Mittelanschluss 112 ein- oder ausgehenden Strom als Signal 131 erfasst. Die Strommessvorrichtung 130 ist dabei nur beispielhaft zwischen der Halbbrücke und der induktiven Last 116 angeordnet. Sie kann auch hinter der induktiven Last 116 oder in der Rückleitung nahe dem unteren Anschluss der Halbbrücke 102 angeordnet sein.
• In diesem Ausführungsbeispiel wird der erste Komparator 124 konzeptionell als Teil der Steuereinheit 120 angesehen, ist aber in der wirklichen Schaltung bevorzugt direkt bei der Strommessvorrichtung 130 angeordnet. Da der Schwellwert festgelegt ist, benötigt der Komparator 124 abgesehen vom Stromsignal, das in direkter Nähe vorliegt, kein variierbares analoges Signal als Eingangsgröße, das über eine größere Strecke übertragen werden muss. Das Ausgangssignal, das eine im Vergleich zum Strommess-Eingang lange Strecke übertragen werden muss, ist ein digitales Signal, dessen Übertragung auch über Potentialunterschiede vergleichsweise unproblematisch ist.
• Der erste Komparator erhält als Eingangssignale das Signal 131 für den gemessenen Strom und einen Schwellwert 132 für den Strom. Beispielhaft ist der Schwellwert 132 in dieser Ausführung 0 A. In anderen Ausführungen kann der Schwellwert ein von 0 A verschiedener Wert sein wie beispielsweise 1 A oder 10 A. Der Schwellwert 132 ist fest vorgegeben, kann aber in anderen Aufbauvarianten auch über einen D/A-Wandler vom Controller 122 zur Verfügung gestellt werden. Ein entsprechender Vorgabe-Wert kann von außen, beispielsweise durch eine übergeordnete Umrichter-Steuerung vorgegeben sein oder vom Controller 122 selbst bestimmt werden. Das Ausgangssignal des ersten Komparators 124 wird in den Modulator 128 eingespeist. Dabei kann der erste Komparator 124 zur Vermeidung von Oszillationen und zur Erhöhung der Störfestigkeit mit einer Hysterese versehen werden. Das gilt auch für alle nachfolgend beschriebenen Komparatoren.
• Der Controller 122 speist ferner Werte für eine erste Zeitdauer 140 zur Erreichung eines Strommaximums 214 und eine zweite Zeitdauer 142 zur Erreichung eines Stromminimums 216 in den Modulator 128 ein. Der Modulator 128 setzt diese Werte sowie gespeicherte Werte für anzuwendende Totzeiten in Ansteuersignale für die Leistungshalbleiter 108, 110 um, die an den jeweiligen Gatetreiber weitergegeben werden.
• Durch den Vergleich des gemessenen Stroms 131 mit dem Schwellwert 132 und die Weitergabe in den Modulator 128 wird erreicht, dass bei Durchschreiten des Schwellwerts 132 durch den Strom 131 nach Verstreichen der ersten Zeitdauer 140 der aktive Leistungshalbleiter 108, 110 abgeschaltet wird und nach Abwarten der Totzeit zur Verhinderung eines Kurzschlusses in der Halbbrücke 102 der andere jeweils Leistungshalbleiter 108, 110 eingeschaltet wird. Bei Durchschreiten des Schwellwerts 132 durch den Strom 131 in der anderen Richtung wird nach Verstreichen der zweiten Zeitdauer 142 der aktive Leistungshalbleiter 108, 110 abgeschaltet und nach Abwarten der Totzeit der andere Leistungshalbleiter 108, 110 eingeschaltet.
• Ein sich ergebendes Schaltschema mit einem Schaltverlauf 202 für den oberen Leistungshalbleiter 108, einem Schaltverlauf 204 für den unteren Leistungshalbleiter 110, einem Spannungsverlauf 206 über den unteren Leistungshalbleiter 110 ist zusammen mit einem sich ergebenden vereinfachten Stromverlauf 208 in 3 dargestellt. Die Totzeiten 210, 212, die nach dem Abschalten eines jeweiligen Leistungshalbleiters 108, 110 verstreichen, sind dabei stark verlängert für bessere Erkennbarkeit. 3 zeigt, dass der sich ergebende Stromverlauf näherungsweise dreieckig ist. Zu einem ersten Zeitpunkt 218 weist der Strom 208 einen Nulldurchgang auf, durchschreitet also den Schwellwert von 0 A. Ab dem ersten Zeitpunkt lässt der Modulator 128 die erste Zeitdauer 140 zur Erreichung eines Strommaximums 214 verstreichen und schaltet dann den oberen Leistungshalbleiter 108 ab. Nach dem weiteren Verstreichen der ersten Totzeit 210 wird dann der untere Leistungshalbleiter 110 eingeschaltet. Der dann fallende Strom 208 zeigt beim zweiten Zeitpunkt 220 einen weiteren Nulldurchgang, diesmal in Richtung zu negativem Strom hin. Nach Verstreichen der zweiten Zeitdauer 142 zur Erreichung eines Stromminimums 216 wird der untere Leistungshalbleiter abgeschaltet und nach dem weiteren Verstreichen der zweiten Totzeit 212 der erste Leistungshalbleiter eingeschaltet, wonach sich der Schaltzyklus wiederholt.
• Die beiden Zeitdauern 140, 142 werden dabei errechnet. Dazu ermittelt der Controller 122 zuerst das Strommaximum 214 und das Stromminimum 216 aus dem Soll-Strommittelwert und dem Soll-Rippelstrom, die beispielsweise vom übergeordneten System vorgegeben werden. Die Summe aus dem Soll-Strommittelwert und dem Soll-Rippelstrom ergibt das Strommaximum 214 und die Differenz ergibt das Stromminimum 216. Der Schwellwert 132 kann der Einfachheit halber bei 0 A liegen oder bei anderen Stromwerten, muss aber zwischen dem Strommaximum 214 und dem Stromminimum 216 liegen, damit der Strom den Schwellwert 132 überhaupt durchschreitet. Der Schwellwert 132 kann in bestimmten Ausführungsformen variabel sein und als Signal an die Komparatoren 124, 126 ausgegeben werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn der Schwellwert 132 festliegt und somit bei den Komparatoren als feste Eingangsgröße ohne Signallaufzeiten oder ähnliche Nachteile und mit besonders geringem Beschaltungsaufwand realisiert wird.
• Wenn Strommaximum 214 und Stromminimum 216 bestimmt sind, errechnen sich die Zeitdauern 140, 142 wie folgt: $$\mathrm{\Delta }{t}_1=\frac{I_{PH}\cdot L}{U_1-U2}$$

  

  $$\mathrm{\Delta }{t}_2=\frac{-I_{PL}\cdot L}{U_2}$$

  

  wobei Δt₁ die erste Zeitdauer 140 und Δt₂ die zweite Zeitdauer 142 ist, I_PH das Strommaximum 214 und I_PL das Stromminimum 216, L der Wert der Induktivität 116, U₁ die Spannung zwischen dem oberen und unteren Anschluss der Halbbrücke 102, also die Spannung über beide Leistungshalbleiter 108, 110 und U₂ die Spannung zwischen dem Potentialpunkt 112 und dem unteren Anschluss der Halbbrücke 102, also die Spannung über den unteren Leistungshalbleiter 110 ist.
• Wird ein von 0 A verschiedener Schwellwert I_S verwendet, muss in der Berechnung der Zeitdauern 140, 142 I_PH durch (I_PH-I_S) ersetzt werden und I_PL durch (I_PL-I_S). Damit stehen dem Modulator 128 alle benötigten Informationen zur Verfügung, um die Schaltzeitpunkte wie oben beschrieben zu bestimmen und entsprechend die Schaltsignale zu generieren.
• Durch Ausnutzung der Induktivität des Messshunts oder durch eine analoge Addition der Ableitung des gemessenen Stroms 131 vor der Zuführung des Strommesswerts an die Komparatorschaltung lassen sich zudem Signallaufzeiten des Modulators 128 kompensieren. Hierdurch ist die Realisierung durch vergleichsweise kostengünstige Komparator- und Modulatorschaltungen möglich.
• 4 zeigt wieder einen Ausschnitt aus einem Stromkreis 100 mit der Halbbrücke 102, aber mit einem veränderten Aufbau. In diesem Aufbau ist eine erste Einrichtung zur Strommessung 302 für den oberen Leistungshalbleiter 108 und eine zweite Einrichtung zur Strommessung 304 für den unteren Leistungshalbleiter 110 vorhanden. Das Signal 303 der ersten Einrichtung zur Strommessung 302 wird an den ersten Komparator 124 als Eingangswert weitergegeben und das Signal 305 der zweiten Einrichtung zur Strommessung 304 an einen zweiten Komparator 126. Der jeweils zweite Eingangswert für beide Komparatoren 124, 126 ist der Schwellwert 132, also beispielsweise 0. Die Einrichtung zur Strommessung 130 der 1 kann also in diesem Aufbau entfallen.
• Wie bei der Ausführung gemäß 2 sind auch hier die Komparatoren 124, 126 zwar dem Sinne nach Teil der Steuerung, aber in der Schaltung nahe bei dem jeweiligen Messshunt angeordnet. Wiederum entfällt dadurch die Leitung des analogen Stromsignals zum Komparator und nur das digitale Ergebnis des Vergleichs muss zum Modulator übertragen werden. Der Schwellwert 132 ist wiederum bevorzugt durch eine feste Beschaltung auf beispielsweise 0 festgelegt, was ebenfalls direkt beim Komparator geschehen kann und keine Leitung eines analogen Signals erfordert.
• Der Modulator 128 bestimmt in diesem Ausführungsbeispiel wieder die Schaltzeitpunkte für den oberen und unteren Leistungshalbleiter 108, 110. Dazu wird eine positive Flanke des Ausgangssignals des ersten Komparators 124 als erster Zeitpunkt verwendet, an den sich die erste Zeitdauer 140 bis zum Erreichen des Strommaximums 214 anschließt. Eine negative Flanke des Ausgangssignals des zweiten Komparators 126 hingegen wird als zweiter Zeitpunkt verwendet, an den sich die zweite Zeitdauer 142 bis zum Erreichen des Stromminimums 216 anschließt.
• Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung der Schaltung ist, dass der Stromwert 303, 305 beispielsweise über den Leitendwiderstand des jeweiligen Schalters 108,110 erfasst werden kann und somit keine zusätzliche Hardware wie beispielsweise ein Messshunt in den Leistungsteil eingebracht werden muss und somit keine zusätzlichen Verluste oder andere Schwierigkeiten entstehen. Des Weiteren können in diesem Fall die ohnehin notwendigen Gate-Versorgungen für die Leistungshalbleiter 108, 110 genutzt werden, um auch die Komparatoren zu versorgen.
• In dem Wandler 10 der 1 können Halbbrücken 102 mit ihren jeweiligen Steuerungen 120 besonders vorteilhaft verwendet werden, wenn der erzeugte Spannungsverlauf eine Wellenform ist, beispielsweise die Folge von Sinus-Halbwellen. Die Halbbrücken erzeugen diese dann nicht in der sonst üblichen Pulsweitenmodulation mit fest vorgegebener Schaltfrequenz, aber laufend angepasstem Tastgrad. Vielmehr wird der Strommittelwert, der zum Momentanwert der Halbwellenform passt, laufend angepasst. Die Steuerung 120 legt zum Strommittelwert passende Werte für den Schwellwert 132 und die Zeitdauern 140, 142 fest, wobei zumindest die Zeitdauern 140, 142 damit ebenfalls laufend variieren. Die richtige Spannung ergibt sich durch die Schaltung der Leistungshalbleiter 108, 110, die im Wandler 10 der 1 dem Paar aus erstem und zweitem Halbleiterschalter S1, S2 und/oder dem Paar aus drittem und viertem Halbleiterschalter S3, S4 entsprechen, wobei die Schaltung dem Schwellwert folgt und somit die richtige Spannung automatisch erreicht.
• In einer nicht in den Figuren gezeigten Alternative werden die Totzeiten 210, 212 nicht mehr im Modulator fest hinterlegt, sondern vielmehr vom Controller 122 vorgegeben. Die Totzeiten 210, 212 können damit vom Controller 122 verändert und der Betriebssituation angepasst werden. Eine solche Anpassung kann dazu verwendet werden, die Schaltverluste zu reduzieren, indem ein resonantes Umladen der Ausgangskapazitäten der Leistungshalbleiter 108, 110 erlaubt wird.
• Hierzu wird bei einem positiven Mittelwert des Stroms das Stromminimum 216 auf einen negativen Wert gesetzt, also auf einen Wert mit einem anderen Vorzeichen als der Mittelwert. Ist der Mittelwert des Stroms negativ, wird das Strommaximum 214 auf einen positiven Wert gesetzt, also wiederum auf einen Wert mit einem anderen Vorzeichen als der Mittelwert. In beiden Fällen müssen die Stromextremwerte ausreichen, um ein Umladen der Ausgangskapazitäten der Leistungshalbleiter 108, 110 zuzulassen.
• Die für das Umladen nötigen Werte können in ausreichender Näherung wie folgt berechnet werden: $$\left|I_{PL,min}\right|=\sqrt{\frac{C}{L}\cdot \left({\left(U_1-U_2\right)}^2-U_2^2\right)}$$

  
• Dabei bezeichnen:
• I_PL,min einen Minimalbetrag für das Stromminimum 216
• L den Wert der Induktivität 116 in der Ausgangsleitung U₁ die Spannung über die beiden Leistungshalbleiter 108, 110, also zwischen dem oberen Außenanschluss 104 des oberen Leistungshalbleiters 108 und dem unteren Außenanschluss 106 des unteren Leistungshalbleiters 110
• U₂ die Spannung 117
• C die summierte Ausgangskapazität der Leistungshalbleiter 108, 110, also $$C=C_{OSS,S1}+C_{OSS,S2}$$
  
  und $$\left|I_{PH,min}\right|=\sqrt{\frac{C}{L}\cdot \left(U_2^2-{\left(U_1-U_2\right)}^2\right)}$$
  
  Dabei bezeichnet I_PH,min einen Minimalbetrag für das Strommaximum 214
• Hat der Term unter der Wurzel einen Wert < 0, wird der jeweilige Schwellwert auf 0 gesetzt.
• Die Totzeiten 210, 212 können auf verschiedene Weise vom Controller 122 bestimmt werden. Die geeignete Bestimmung der Totzeiten 210, 212 ermöglicht das spannungsfreie Einschalten der Leistungshalbleiter 108, 110. Zum einen können die Totzeiten 210, 212 berechnet werden oder aus einer vorab bestimmten und gespeicherten Tabelle (Look-Up) ausgelesen werden.
• Für eine Berechnung der Totzeiten 210, 212 können beispielsweise folgende Formeln verwendet werden: $$t_{db\mathrm{1,}min}=\sqrt{LC}\cdot arccos\left(\frac{U_2}{U_2-U_1}\right)$$

  
• Dabei bezeichnen:
• t_db1,min die minimale Totzeit 210 für den oberen Leistungshalbleiter 108
• L den Wert der Induktivität 116 in der Ausgangsleitung
• U₁ die Spannung über die beiden Leistungshalbleiter 108, 110, also zwischen dem oberen Außenanschluss 104 des oberen Leistungshalbleiters 108 und dem unteren Außenanschluss 106 des unteren Leistungshalbleiters 110
• U₂ die Spannung 117
• C die summierte Ausgangskapazität der Leistungshalbleiter 108, 110
$$t_{db\mathrm{2,}min}=\sqrt{LC}\cdot \left(\pi -arccos\left(\frac{U_1-U_2}{U_2}\right)\right)$$

• Dabei bezeichnet:
• t_db1,min die minimale Totzeit 212 für den unteren Leistungshalbleiter 110 Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine bauliche Anpassung vorzunehmen, die in 5 dargestellt ist. Im Aufbau gemäß 5 umfasst die Schaltung je eine Spannungsmesseinrichtung 402, 404 für jeden der Leistungshalbleiter 108, 110. Die Signale 403, 405 der Spannungsmesseinrichtungen 402, 404 werden einem dritten und vierten Komparator 406, 408 in der Steuereinrichtung 420 zugeführt. Als jeweils zweites Eingangssignal für den dritten und vierten Komparator 406, 408 wird eine feste geringe Spannung, beispielsweise 1 V, verwendet. Die Ausgangssignale des dritten und vierten Komparators 406, 408 werden dem Modulator 128 zugeführt und von diesem verwendet, um als Einschaltzeitpunkt für den jeweiligen Leistungshalbleiter 108, 110 den Zeitpunkt zu verwenden, an dem die Spannung über den Leistungshalbleiter 108, 110 gering ist, also beispielsweise 1 V. Bei kleinen Verzögerungszeiten im System aus Komparatoren 124, 406, 408 und Modulator 128 kann es auch sinnvoll sein, mit einem Wert von 0 V oder einer negativen Spannung zu vergleichen.
• 6 zeigt den Verlauf der Spannung 206, des Stroms 207 und der Einschaltzeiten 502a, b für den ersten und zweiten Leistungshalbleiter 108, 110 als Ergebnis einer Simulation. Die Schaltflanken der Spannung 206 sind erkennbar abgeflacht. Hier werden die Ausgangskapazitäten vor dem Einschalten des jeweiligen Leistungshalbleiters 108, 110 umgeladen. Dadurch erfolgt das Einschalten spannungsfrei. Die flacheren Flanken der Schaltspannung bedeuten deutlich niedrigere Amplituden der Oberschwingungen und sorgen somit auch für bessere EMV-Eigenschaften des Aufbaus.
• Da bei sehr kleinen Stromrippelwerten die Schaltfrequenz sehr groß werden kann, ist es vorteilhaft, einen minimalen Wert für den Stromrippel zu realisieren. Der Controller 122 ist ausgestaltet, diesen minimalen Wert umzusetzen und einzuhalten. Dadurch wird die Schaltfrequenz auf ein gewünschtes Maximum begrenzt.
• Bezugszeichenliste

10

elektrischer Wandler

11A, B

Eingangsanschlüsse

12A...C

elektrische Knotenpunkte

13A, B

Ausgangsanschlüsse

Uin

Eingangsspannung

S1...4

Halbleiterschalter

C1, C2

erste, zweite Kapazität

L1, L2

erste, zweite Induktivität

100

Stromkreis

102

Halbbrücke

104, 106

Außenanschlüsse

108, 110

oberer und unterer Leistungshalbleiter

112

Mittelanschluss

114

Gleichspannung

116

induktive Last

120

Steuerung

122

Controller

124, 126

Komparator

128

Modulator

130

Strommessvorrichtung

131

Strommesssignal

132

Schwellwert

140, 142

erste, zweite Zeitdauer zum Erreichen eines Stromextremwerts

202, 204

Schaltzustände

206

Spannung

207, 208

Strom

210, 212

erste, zweite Totzeit

214, 216

Strommaximum, Stromminimum

218, 220

erster, zweiter Zeitpunkt

302, 304

Einrichtungen zur Strommessung

303, 305

Strommesssignale

402, 404

Einrichtungen zur Spannungsmessung

403, 405

Spannungsmesssignale

420

Steuerung

406, 408

Komparatoren

Claims (15)

1. Halbbrücke (102) umfassend - einen in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter (108, 110, S1...4), - eine Steuerung (120, 420) für die Leistungshalbleiter (108, 110, S1...4), - eine Leitung, die von dem Verbindungsknoten (12B, 12C, 112) der Leistungshalbleiter (108, 110, S1...4) ausgeht, - eine Einrichtung (130, 302, 304) zur Bestimmung eines ersten Stromwerts (131, 303), der der Strom durch den ersten Leistungshalbleiter (108) oder durch die Leitung ist, und eines zweiten Stromwerts (131, 305), der der Strom durch den zweiten Leistungshalbleiter (110) oder durch die Leitung ist, wobei die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, - bei Durchschreiten des ersten Stromwerts durch einen Schwellwert (132) in einer ersten Richtung einen ersten Abschaltzeitpunkt und einen ersten Einschaltzeitpunkt zu bestimmen, - bei Erreichen des ersten Abschaltzeitpunkts den ersten Leistungshalbleiter (108) abzuschalten und bei Erreichen des ersten Einschaltzeitpunkts den zweiten Leistungshalbleiter (110) einzuschalten, - bei Durchschreiten des zweiten Stromwerts durch den Schwellwert in einer zweiten Richtung einen zweiten Abschaltzeitpunkt und einen zweiten Einschaltzeitpunkt zu bestimmen, - bei Erreichen des zweiten Abschaltzeitpunkts den zweiten Leistungshalbleiter (110) abzuschalten und bei Erreichen des zweiten Einschaltzeitpunkts den ersten Leistungshalbleiter (108) einzuschalten.
2. Halbbrücke (102) nach Anspruch 1, bei der die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, als Schwellwert (132) 0 A zu verwenden.
3. Halbbrücke (102) nach Anspruch 1, bei der die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, als Schwellwert (132) einen von 0 A verschiedenen Wert des Stroms zu verwenden.
4. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, den Abschaltzeitpunkt für den ersten Leistungshalbleiter (108) aus dem Zeitpunkt (218) des Durchschreitens des Schwellwerts in der ersten Richtung und einer Zeitdauer (140) zum Erreichen eines ersten Stromextremwerts (214, 216) zu bestimmen und den Einschaltzeitpunkt für den zweiten Leistungshalbleiter (110) aus dem Abschaltzeitpunkt für den ersten Leistungshalbleiter (108) und einer ersten Totzeit (210) zu bestimmen.
5. Halbbrücke (102) nach Anspruch 4, bei der die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, den Abschaltzeitpunkt für den zweiten Leistungshalbleiter (110) aus dem Zeitpunkt (220) des Durchschreitens des Schwellwerts (132) in der zweiten Richtung und einer Zeitdauer (142) zum Erreichen eines zweiten Stromextremwerts (214, 216) zu bestimmen und den Einschaltzeitpunkt für den ersten Leistungshalbleiter (108) aus dem Abschaltzeitpunkt für den zweiten Leistungshalbleiter (110) und einer zweiten Totzeit (212) zu bestimmen.
6. Halbbrücke (102) nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, die Zeitdauer (140) zum Erreichen des ersten Stromextremwerts (214, 216) aus einem festlegbaren Soll-Strommittelwert, einem festlegbaren Soll-Rippelstrom, dem Schwellwert (132), einem Last-Induktivitätswert in der Leitung und der Spannung über die einzelnen Leistungshalbleiter (108, 110, S1...4) zu bestimmen.
7. Halbbrücke (102) nach Anspruch 6, bei der die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, die Zeitdauer (142) zum Erreichen des zweiten Stromextremwerts (214, 216) aus dem Soll-Strommittelwert, dem Soll-Rippelstrom, dem Schwellwert (132), einem Last-Induktivitätswert in der Leitung und der Spannung über die einzelnen Leistungshalbleiter (108, 110, S1...4) zu bestimmen.
8. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer ersten Spannungsmesseinrichtung (402) zur Erfassung der Spannung über den ersten Leistungshalbleiter (108) und einer zweiten Spannungsmesseinrichtung (404) zur Erfassung der Spannung über den zweiten Leistungshalbleiter (110).
9. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem ersten Komparator (124), dem als Eingangssignale der gemessene Strom (131, 303, 305) und der Schwellwert (132) zugeführt sind.
10. Halbbrücke (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem ersten und zweiten Komparator (124, 126), wobei dem ersten Komparator (124) der Strom durch den ersten Leistungshalbleiter (108) und der Schwellwert (132) zugeführt werden und wobei dem zweiten Komparator (126) der Strom durch den zweiten Leistungshalbleiter (110) und der Schwellwert (132) zugeführt werden.
11. Halbbrücke (102) nach Anspruch 10, derart ausgestaltet, dass eine Schaltflanke des ersten Komparators (124) zur Bestimmung Zeitpunkts (218) des Durchgangs durch den Schwellwert (132) in der ersten Richtung verwendet wird und eine Schaltflanke des zweiten Komparators (126) zur Bestimmung des Zeitpunkts (220) des Durchgangs durch den Schwellwert (132) in der zweiten Richtung verwendet wird.
12. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (120, 420) einen digitalen Controller (122) umfasst, der den Schwellwert (132, 134) über einen D/A-Wandler an den oder die Komparatoren (124, 126) weitergibt.
13. Halbbrücke (102) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, die Totzeiten (210, 212) so einzustellen, dass ein spannungsfreies Einschalten der Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4) passiert.
14. Halbbrücke (102) nach Anspruch 13, bei der die Steuerung (120, 420) ausgestaltet ist, die Totzeiten (210, 212) zu berechnen oder aus einer gespeicherten Wertetabelle auszuwählen.
15. Verfahren zur Steuerung einer Halbbrücke (102) mit einem in Serie geschalteten ersten und zweiten Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4), mit den Schritten: - Bestimmen eines ersten Stromwerts (131, 303), der der Strom durch den ersten Leistungshalbleiter (108) oder in einer vom Verbindungsknoten (112) der Leistungshalbleiter (108, 110, S1, S2, S3, S4) ausgehenden Leitung ist, und eines zweiten Stromwerts (131, 305), der der Strom durch den zweiten Leistungshalbleiter (110) oder in der Leitung ist, - Bestimmen eines ersten Abschaltzeitpunkts und eines ersten Einschaltzeitpunkts bei Durchschreiten des ersten Stromwerts (131, 303) durch einen Schwellwert (132) in einer ersten Richtung, - Abschalten des ersten Leistungshalbleiters (108) bei Erreichen des ersten Abschaltzeitpunkts, - Einschalten des zweiten Leistungshalbleiters (110) bei Erreichen des ersten Einschaltzeitpunkts, - Bestimmen eines zweiten Abschaltzeitpunkts und eines zweiten Einschaltzeitpunkts bei Durchschreiten des zweiten Stromwerts (131, 305) durch den Schwellwert (132) in einer zweiten Richtung, - Abschalten des zweiten Leistungshalbleiters (110) bei Erreichen des zweiten Abschaltzeitpunkts, - Einschalten des ersten Leistungshalbleiters (108) bei Erreichen des zweiten Einschaltzeitpunkts.

Images