DE102020108695B4

DE102020108695B4 - SWITCH ARRANGEMENT FOR SWITCHING ELECTRICAL CURRENTS AND PROCEDURE FOR OPERATING A SWITCH ARRANGEMENT

Info

Publication number: DE102020108695B4
Application number: DE102020108695.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Groene; Mathias Buenemann; Alexander Unru
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: DE102020108695A1; WO2021198208A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung (B) zum Schalten elektrischer Ströme mit einer Mehrzahl von zwischen einem ersten Anschluss (10) und einem zweiten Anschluss (12) parallel angeordneten Ästen (14, 16), wobei jeder Ast (14, 16) eine Reihenschaltung eines ersten Schalters (B1, B3) und eines zweiten Schalters (B2, B4) aufweist, und mit einer Treiberschaltung (TB), welche dazu eingerichtet ist, ein Schaltsignal (CB), das Einschaltphasen und Ausschaltphasen der Schalteranordnung (B) definiert, in individuelle, Einschalttakte der Schalter (B1, B2, B3, B4) definierende Taktsignale (CB1, CB2, CB3, CB4) derart umzuwandeln und den Schaltern (B1, B2, B3, B4) zuzuführen, dass die Schalteranordnung (B) die Einschaltphasen und Ausschaltphasen des Schaltsignals (CB) umsetzt, wobei eine Schaltfrequenz der Schalteranordnung (B) höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters (B1, B2, B3, B4). Ein Leistungswandler kann eine solche Schalteranordnung (B) aufweisen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schalteranordnung (B).The invention relates to a switch arrangement (B) for switching electrical currents with a plurality of branches (14, 16) arranged in parallel between a first connection (10) and a second connection (12), each branch (14, 16) being a series connection of a first switch (B1, B3) and a second switch (B2, B4), and with a driver circuit (TB) which is set up to convert a switching signal (CB) that defines the switch-on phases and switch-off phases of the switch arrangement (B) into individual To convert the switch-on cycles of the switches (B1, B2, B3, B4) defining cycle signals (CB1, CB2, CB3, CB4) and to supply them to the switches (B1, B2, B3, B4) in such a way that the switch arrangement (B) controls the switch-on and switch-off phases of the switching signal (CB), a switching frequency of the switch arrangement (B) being higher than an achievable clock frequency of an individual switch (B1, B2, B3, B4). A power converter can have such a switch arrangement (B). The invention also relates to a method for operating such a switch arrangement (B).

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung zum Schalten elektrischer Ströme, insbesondere zum hochfrequenten Schalten elektrischer Ströme in einem elektrischen Leistungswandler, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Schalteranordnung.The invention relates to a switch arrangement for switching electrical currents, in particular for high-frequency switching of electrical currents in an electrical power converter, and a method for operating a switch arrangement.

Eine solche Schalteranordnung und ein solches Verfahren kann beispielsweise zum Takten eines Gleichspannungswandlers oder einer Wechselrichter-Brücke in einem Verbraucher oder einer Energieerzeugungsanlage Anwendung finden.Such a switch arrangement and such a method can be used, for example, for clocking a DC voltage converter or an inverter bridge in a consumer or a power generation plant.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Aus dem Stand der Technik sind Leistungswandler zum Umwandeln elektrischer Leistung bekannt. Herkömmliche Leistungswandler weisen Schalteranordnungen mit einer Anzahl an Halbleiterschaltern auf. Bereits ein einzelner Halbleiterschalter kann in Verbindung mit einer Diode und einer Induktivität einen Gleichspannungswandler ausbilden, beispielsweise einen Hochsetzsteller. Mehrere Halbleiterschalter können insbesondere in einer Brückenanordnung angeordnet sein und eine Gleichrichter- oder Wechselrichterbrücke ausbilden, gegebenenfalls in Zusammenwirken mit einer Induktivität und/oder einer Zwischenkreis-Kapazität. Der beziehungsweise die Halbleiterschalter eines Leistungswandlers werden regelmäßig getaktet betrieben, wobei ein Tastverhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltdauer des Schalters beziehungsweise der Schalter variiert werden kann, beispielsweise um ein Spannungsübersetzungsverhältnis zwischen Anschlüssen des Leistungswandlers einzustellen.Power converters for converting electrical power are known from the prior art. Conventional power converters have switch arrangements with a number of semiconductor switches. Even a single semiconductor switch, in conjunction with a diode and an inductance, can form a DC voltage converter, for example a step-up converter. Several semiconductor switches can in particular be arranged in a bridge arrangement and form a rectifier or inverter bridge, possibly in cooperation with an inductance and / or an intermediate circuit capacitance. The semiconductor switch (s) of a power converter are operated regularly clocked, with a pulse duty factor between the switch-on and switch-off duration of the switch or switches being able to be varied, for example in order to set a voltage transformation ratio between the connections of the power converter.

Durch das Schalten der Schalter entsteht in der Regel eine taktfrequente Variation einer Spannung und/oder eines Stroms an den Anschlüssen des Leistungswandlers. Diese taktfrequente Variation ist meist unerwünscht und muss mit geeigneten Mitteln, insbesondere mit Filterbauteilen reduziert werden. Solche Filterbauteile, insbesondere Kondensatoren und/oder Drosseln können umso kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden, je höher die Frequenz der unerwünschten Variation ist. Daher ist es grundsätzlich erstrebenswert, die Halbleiterschalter eines Leistungswandlers mit möglichst hoher Frequenz zu takten, insbesondere im Bereich einiger Hundert Kilohertz bis einiger Megahertz.Switching the switches usually results in a clock frequency variation of a voltage and / or a current at the connections of the power converter. This clock frequency variation is mostly undesirable and must be reduced by suitable means, in particular with filter components. Such filter components, in particular capacitors and / or chokes, can be designed to be smaller and more cost-effective, the higher the frequency of the undesired variation. It is therefore fundamentally desirable to clock the semiconductor switches of a power converter with the highest possible frequency, in particular in the range of a few hundred kilohertz to a few megahertz.

Die Vorteile hoher Taktfrequenzen sind besonders deutlich, wenn passive Bauteile wie Drosseln und Kondensatoren im Vergleich zu Halbleiterschaltern teuer oder groß sind und eine geringere Dimensionierung daher Kosten- und Volumenvorteile mit sich bringt.The advantages of high clock frequencies are particularly clear when passive components such as chokes and capacitors are expensive or large compared to semiconductor switches and a smaller dimension therefore brings cost and volume advantages with it.

Das Schalten eines Halbleiterschalters im Betrieb eines Leistungswandlers erzeugt prinzipbedingt Verlustleistungen, die im Halbleiterschalter in Wärme umgewandelt werden. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen Schaltverlusten, die beim Ein- und Ausschalten auftreten, und Durchlassverlusten, die beim Durchleiten elektrischer Leistung entstehen. Durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz steigen die Schaltverluste, während die Durchlassverluste lediglich vom tatsächlich durchgeleiteten Strom abhängen. Die Schaltfrequenz kann daher bei einem gegebenen durchzuleitenden Strom nur soweit erhöht werden, wie die zusätzlich entstehende Verlustwärme aus dem Halbleiterschalter abgeführt werden kann, so dass der Halbleiterschalter nicht überhitzt. Tatsächlich wird in herkömmlichen Leistungswandlern mit IGBTs als Halbleiterschalter die maximal erlaubte Schaltfrequenz der IGBTs weitgehend ausgenutzt, so dass die Taktfrequenz derartiger Leistungswandler dadurch begrenzt ist.Switching a semiconductor switch while a power converter is in operation generates power losses, which are converted into heat in the semiconductor switch. A basic distinction must be made between switching losses that occur when switching on and off and transmission losses that occur when electrical power is passed through. Increasing the switching frequency increases the switching losses, while the conduction losses only depend on the current actually passed through. For a given current to be passed through, the switching frequency can therefore only be increased to the extent that the additional heat loss that occurs can be dissipated from the semiconductor switch, so that the semiconductor switch does not overheat. In fact, in conventional power converters with IGBTs as semiconductor switches, the maximum permitted switching frequency of the IGBTs is largely used, so that the clock frequency of such power converters is limited as a result.

Abhängig von der konkreten Halbleitertechnologie können Halbleiterschalter auf minimale Schaltverluste oder minimale Durchlassverluste optimiert werden. Beispielsweise können optimierte IGBTs sehr geringe Durchlassverluste aufweisen und daher hohe Ströme verlustarm durchleiten, während Gallium-Nitrid-basierte Halbleiterschalter (GaN-Schalter) auf vergleichsweise geringe Schaltverluste optimiert werden können. Andererseits weisen IGBTs vergleichsweise hohe Schaltverluste auf, die deren Schaltfrequenz begrenzen, während GaN-Schalter vergleichsweise hohe Durchlassverluste aufweisen, wodurch die maximal durchleitbaren Ströme begrenzt werden.Depending on the specific semiconductor technology, semiconductor switches can be optimized for minimal switching losses or minimal conduction losses. For example, optimized IGBTs can have very low on-state losses and therefore conduct high currents with little loss, while gallium-nitride-based semiconductor switches (GaN switches) can be optimized for comparatively low switching losses. On the other hand, IGBTs have comparatively high switching losses, which limit their switching frequency, while GaN switches have comparatively high forward losses, as a result of which the maximum currents that can be passed through are limited.

Die DE 10 2012 209 188 A1 offenbart Schalteranordnungen mit einer Anzahl an parallelen Ästen, in denen jeweils ein Transistor angeordnet ist, so dass die Laststrecken der Transistoren parallelgeschaltet sind und eine Laststrecke der Schalteranordnung bilden.the DE 10 2012 209 188 A1 discloses switch arrangements with a number of parallel branches, in each of which a transistor is arranged, so that the load paths of the transistors are connected in parallel and form a load path of the switch arrangement.

Aus der EP 1 304 802 A1 ist eine Multiplexer-Schaltung mit mehreren parallel geschalteten Datenpfaden bekannt, bei der jeder Datenpfad mehrere Transistoren aufweisen kann.From the EP 1 304 802 A1 a multiplexer circuit with a plurality of data paths connected in parallel is known, in which each data path can have a plurality of transistors.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schalteranordnung und ein verbessertes Verfahren zu deren Betrieb bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of providing an improved switch arrangement and an improved method for its operation.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe wird durch eine Schalteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by a switch arrangement with the features of claim 1 and by a method with the features of Claim 14 solved. Preferred embodiments are specified in the dependent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Eine Schalteranordnung zum Schalten elektrischer Ströme weist eine Mehrzahl von zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss parallel angeordneten Ästen auf, wobei jeder Ast eine Reihenschaltung eines ersten Schalters und eines zweiten Schalters aufweist. Ein Ast leitet damit durch, das heißt realisiert eine Durchleitphase, wenn beide Schalter dieses Astes in einem leitenden Zustand, das heißt eingeschaltet oder geschlossen sind.A switch arrangement for switching electrical currents has a plurality of branches arranged in parallel between a first connection and a second connection, each branch having a series connection of a first switch and a second switch. A branch thus passes through, that is to say realizes a pass-through phase, when both switches of this branch are in a conductive state, that is to say switched on or closed.

Die Schalteranordnung weist weiter eine Treiberschaltung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein Schaltsignal, welches Einschaltphasen und Ausschaltphasen der Schalteranordnung definiert, in individuelle Taktsignale für die ersten und zweiten Schalter der parallelen Äste umzuwandeln. Ein individuelles Taktsignal für einen der Schalter gibt dabei Einschalttakte dieses Schalters vor, das heißt Zeiträume, in denen der Schalter eingeschaltet ist. Die Umsetzung des Schaltsignals in Taktsignale für die Schalter erfolgt dabei so, dass die Schaltfrequenz der Schalteranordnung höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters, das heißt insbesondere höher als eine spezifizierte maximale Frequenz, mit der die einzelnen Schalter einen Nennstrom schalten können. Die Treiberschaltung führt die Taktsignale den Schaltern zu, um sie anzusteuern.The switch arrangement also has a driver circuit which is set up to convert a switching signal, which defines the switch-on phases and switch-off phases of the switch arrangement, into individual clock signals for the first and second switches of the parallel branches. An individual clock signal for one of the switches specifies the switch-on cycles of this switch, that is, periods of time in which the switch is switched on. The switching signal is converted into clock signals for the switches in such a way that the switching frequency of the switch arrangement is higher than an achievable clock frequency of an individual switch, i.e. in particular higher than a specified maximum frequency with which the individual switches can switch a rated current. The driver circuit feeds the clock signals to the switches in order to control them.

Optional kann das Taktsignal für einen individuellen Schalter dabei ebenfalls Ausschalttakte des Schalters umfassen, um Zeiträume vorzugeben, in denen der Schalter geöffnet ist.Optionally, the clock signal for an individual switch can also include switch-off cycles of the switch in order to specify periods of time in which the switch is open.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Schalter als Halbleiterschalter ausgeführt.In a particularly preferred embodiment, the switches are designed as semiconductor switches.

Die Schalteranordnung kann dabei als eine Art Schaltzelle betrachtet werden, die einzelne Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, zum Beispiel eines Leistungswandlers ersetzen kann. Eine Schaltzelle weist dabei die oben beschriebene Reihen-Parallelschaltung aus der Mehrzahl von Schaltern, insbesondere Halbleiterschaltern, auf. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter einer solchen Schaltzelle mit Taktsignalen für die einzelnen Schalter, kann mit einer gegebenen Taktfrequenz für die einzelnen Schalter eine effektive Schaltfrequenz der Durchleitung zwischen den Anschlüssen der Schaltzelle erreicht werden, die höher als die Taktfrequenz der einzelnen Schalter selbst ist. Anders ausgedrückt kann eine gewünschte Schaltfrequenz zwischen den Anschlüssen der Schaltzelle erreicht werden, indem die einzelnen Schalter selbst mit einer niedrigeren Taktfrequenz geschaltet werden.The switch arrangement can be viewed as a type of switching cell that can replace individual switches, in particular semiconductor switches, for example a power converter. A switching cell has the above-described series-parallel connection from the plurality of switches, in particular semiconductor switches. By appropriately controlling the switches of such a switching cell with clock signals for the individual switches, an effective switching frequency of the transmission between the terminals of the switching cell can be achieved with a given clock frequency for the individual switches, which is higher than the clock frequency of the individual switches themselves. In other words, a desired switching frequency between the connections of the switching cell can be achieved by switching the individual switches themselves with a lower clock frequency.

Eine Einschaltphase der Schalteranordnung wird realisiert, wenn zumindest ein Ast durchleitet. Bevorzugt wird eine Einschaltphase der Schalteranordnung realisiert, wenn genau ein Ast durchleitet. Eine Ausschaltphase der Schalteranordnung wird realisiert, indem keiner der parallelen Äste durchleitet. Zur Realisierung der Durchleitphasen der Äste steuert die Treiberschaltung die Schalter eines jeweiligen Astes geeignet an.A switch-on phase of the switch arrangement is implemented when at least one branch passes through. A switch-on phase of the switch arrangement is preferably implemented when exactly one branch passes through. A switch-off phase of the switch arrangement is implemented in that none of the parallel branches passes through. In order to implement the pass-through phases of the branches, the driver circuit controls the switches of a respective branch in a suitable manner.

Die Schaltzelle ist insbesondere dazu eingerichtet, „als ein Schalter zu wirken“, das heißt einen Laststrom zwischen ihren Anschlüssen herzustellen und zu unterbrechen beziehungsweise die Anschlüsse zu verbinden und zu trennen, insbesondere indem die Schalteranordnung eine Vorgabe umsetzt, die einer Treibereinheit der Schalteranordnung vorgegeben wird. Die Vorgabe kann dabei insbesondere ein Tastverhältnis umfassen. Eine Verbindung zwischen den äußeren Anschlüssen der Schalteranordnung besteht dann, wenn beide Schalter einer Reihenschaltung mindestens eines Astes leitend geschaltet sind, und der Laststrom über die Reihenschaltung dieses mindestens einen Astes fließt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Verbindung zwischen den Anschlüssen ausschließlich dadurch realisiert, dass beide Schalter einer Reihenschaltung genau eines Astes leitend geschaltet sind, und der Laststrom nur über die Reihenschaltung genau dieses einen Astes fließt.The switching cell is set up in particular to “act as a switch”, that is to say to establish and interrupt a load current between its connections or to connect and disconnect the connections, in particular by the switch arrangement implementing a specification that is given to a driver unit of the switch arrangement . The specification can in particular include a pulse duty factor. A connection between the external connections of the switch arrangement exists when both switches of a series connection of at least one branch are switched on and the load current flows via the series connection of this at least one branch. In a preferred embodiment, a connection between the connections is realized exclusively in that both switches of a series circuit are switched to be conductive in exactly one branch, and the load current only flows via the series circuit in precisely this one branch.

Die erfindungsgemäße Schalteranordnung umfasst insofern eine Parallelschaltung aus mindestens zwei Reihenschaltungen mit je mindestens zwei Schaltern, insbesondere Halbleiterschaltern. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Parallelschaltung genau zwei Reihenschaltungen mit jeweils genau zwei Schaltern, insbesondere Halbleiterschaltern, also insgesamt vier Schaltern, insbesondere vier Halbleiterschalter.The switch arrangement according to the invention thus comprises a parallel connection of at least two series connections each with at least two switches, in particular semiconductor switches. In a preferred embodiment, the parallel connection comprises exactly two series connections each with exactly two switches, in particular semiconductor switches, that is to say a total of four switches, in particular four semiconductor switches.

Dadurch, dass der von einer Schaltzelle geschaltete Strom in Einschaltphasen, sogenannten Durchlassphasen eines Astes, immer mindestens zwei Schalter passiert, treten für den Fall von Halbleiterschaltern zwar mindestens doppelt so hohe Durchlassverluste wie in einem einzelnen Halbleiterschalter auf. Dieser Nachteil wird jedoch in Kauf genommen und überwogen durch die Vorteile, die durch die Verdopplung der Taktfrequenz erzielt werden. Zudem können bevorzugt Halbleiterschalter verwendet werden, die auf minimale Durchlassverluste optimiert sind, beispielsweise IGBTs. Diese profitieren aufgrund ihrer relativ hohen Schaltverluste besonders davon, dass mittels der erfindungsgemäßen Schalteranordnung die Taktfrequenz in einem Leistungswandler erhöht werden kann, ohne die Schaltfrequenz der IGBTs selbst zu erhöhen. Im Übrigen verteilt sich die anfallende Verlustleistung einer Schaltzelle mit mehreren Halbleiterschaltern auf eine größere Fläche als bei einem äquivalenten einzelnen Halbleiterschalter, was eine verbesserte Wärmeableitung ermöglicht.Because the current switched by a switching cell always passes at least two switches in switch-on phases, so-called forward phases of a branch, conduction losses occur in the case of semiconductor switches at least twice as high as in a single semiconductor switch. However, this disadvantage is accepted and outweighed by the advantages that are achieved by doubling the clock frequency. In addition, semiconductor switches can preferably be used which are optimized for minimal conduction losses, for example IGBTs. Due to their relatively high switching losses, these particularly benefit from the fact that the clock frequency in a power converter can be increased by means of the switch arrangement according to the invention without the To increase the switching frequency of the IGBTs themselves. In addition, the resulting power loss of a switching cell with several semiconductor switches is distributed over a larger area than with an equivalent single semiconductor switch, which enables improved heat dissipation.

In einer Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Einschaltphasen der Schalteranordnung durch Durchleitphasen von unterschiedlichen Ästen der Mehrzahl von Ästen realisiert. Zur Realisierung der Durchleitphasen der Äste steuert die Treiberschaltung die Schalter geeignet an. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch die Parallelisierung der Äste die einzelnen Schalter auf den Ästen - gesteuert durch die Treiberschaltung - mit einer Frequenz geschaltet werden können, die deutlich unterhalb der Schaltfrequenz der gesamten Schalteranordnung liegt. Zudem wird die Belastung der Schalter paritätisch zwischen den Ästen aufgeteilt, so dass die einzelnen Schalter im Wesentlichen gleichmäßig altern.In one embodiment, successive switch-on phases of the switch arrangement are implemented by pass-through phases of different branches of the plurality of branches. The driver circuit controls the switches in a suitable manner in order to realize the through-phase of the branches. This embodiment offers the advantage that, due to the parallelization of the branches, the individual switches on the branches - controlled by the driver circuit - can be switched at a frequency which is well below the switching frequency of the entire switch arrangement. In addition, the load on the switches is shared equally between the branches, so that the individual switches age essentially evenly.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Treiberschaltung dazu eingerichtet, eine Durchleitphase eines Astes zu realisieren, indem der erste Schalter des Astes zunächst mit einem Einschaltsignal angesteuert wird und dann der zweite Schalter des Astes mit einem Einschaltsignal angesteuert wird. In Reaktion auf des Einschaltsignal schalten der erste und der zweite Schalter jeweils ein. Der Ast ist damit in der Durchleitphase. Die Treiberschaltung ist weiter eingerichtet, zur Beendigung der Durchleitphase den ersten Schalter des Astes mit einem Ausschaltsignal anzusteuern und danach den zweiten Schalter des Astes mit einem Ausschaltsignal anzusteuern. In Reaktion auf das Ausschaltsignal schalten der erste und der zweite Schalter jeweils aus. Die Durchleitphase ist dabei bereits mit dem Ausschalten des ersten Schalters beendet. In weiteren Ausführungsformen ist es möglich, dass das Ausschalten der Schalter nach einem vorgebbaren Zeitraum nach dem Einschalten erfolgt. Dies bedeutet, dass der Schalter nicht in Reaktion auf ein explizites Ausschaltsignal ausgeschaltet wird, sondern nach der vorgebbaren Zeitdauer nach dem Einschaltsignal.According to one embodiment, the driver circuit is set up to implement a pass-through phase of a branch in that the first switch of the branch is initially controlled with a switch-on signal and then the second switch of the branch is driven with a switch-on signal. In response to the turn-on signal, the first and second switches turn on, respectively. The branch is thus in the pass-through phase. The driver circuit is further designed to end the pass-through phase to control the first switch of the branch with a switch-off signal and then to control the second switch of the branch with a switch-off signal. In response to the turn-off signal, the first and second switches turn off, respectively. The pass-through phase is already ended when the first switch is switched off. In further embodiments it is possible for the switches to be switched off after a predeterminable period of time after they have been switched on. This means that the switch is not switched off in response to an explicit switch-off signal, but rather after the predefinable period of time after the switch-on signal.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Treiberschaltung dazu eingerichtet, zwei aufeinanderfolgende Durchleitphasen eines Astes zu realisieren, indem dem ersten Schalter des Astes zunächst ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter ein Einschaltsignal zugeführt wird. In Reaktion auf des Einschaltsignal schalten der erste und der zweite Schalter jeweils ein. Der Ast ist damit in der Durchleitphase. Die Treiberschaltung ist weiter eingerichtet, dem ersten Schalter des Astes daraufhin ein Ausschaltsignal zuzuführen. Der erste Schalter schaltet daraufhin aus und der Ast ist nicht mehr leitend. Die Durchleitphase ist beendet. Der zweite Schalter bleibt hierbei eingeschaltet. Bei der nächsten gewünschten Durchleitphase des Astes wird dann dem ersten Schalter ein Einschaltsignal zugeführt. Dann sind wieder beider Schalter des Astes eingeschaltet und der Ast in einer Durchleitphase. Zur Beendigung der Durchleitphase wird dann dem zweiten Schalter ein Ausschaltsignal zugeführt, worauf der zweite Schalter ausschaltet und die Durchleitphase des Astes beendet ist. Der erste Schalter kann hierbei eingeschaltet bleiben. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Frequenz des Taktsignals der einzelnen Schalter im Vergleich zur Schaltfrequenz der Schalteranordnung weiter reduzieren lässt. In weiteren Ausführungsformen ist es möglich, dass das Ausschalten der Schalter nach einem vorgebbaren Zeitraum nach dem Einschalten erfolgt. Dies bedeutet, dass der Schalter nicht in Reaktion auf ein explizites Ausschaltsignal geöffnet wird, sondern nach der vorgebbaren Zeitdauer nach dem Einschaltsignal.According to one embodiment, the driver circuit is set up to implement two successive pass-through phases of a branch by first supplying a switch-on signal to the first switch of the branch and then supplying a switch-on signal to the second switch. In response to the turn-on signal, the first and second switches turn on, respectively. The branch is thus in the pass-through phase. The driver circuit is also set up to then feed a switch-off signal to the first switch of the branch. The first switch then switches off and the branch is no longer conductive. The pass-through phase has ended. The second switch remains switched on. At the next desired pass-through phase of the branch, a switch-on signal is then fed to the first switch. Then both switches of the branch are switched on again and the branch is in a pass-through phase. To end the pass-through phase, a switch-off signal is then fed to the second switch, whereupon the second switch switches off and the pass-through phase of the branch is ended. The first switch can remain switched on. The advantage of this embodiment is that the frequency of the clock signal of the individual switches can be further reduced compared to the switching frequency of the switch arrangement. In further embodiments it is possible for the switches to be switched off after a predeterminable period of time after they have been switched on. This means that the switch is not opened in response to an explicit switch-off signal, but rather after the predefinable period of time after the switch-on signal.

In einer Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Durchleitphasen eines einzelnen Astes dadurch realisiert, dass die Schaltreihenfolgen des ersten und des zweiten Schalters getauscht werden. Dadurch werden die beiden Schalter wechselweise eingeschaltet, während der jeweils andere bereits eingeschaltet ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Taktfrequenz der einzelnen Schalter im Vergleich zur Schaltfrequenz der Schalteranordnung weiter reduzierbar ist.In one embodiment, successive pass-through phases of an individual branch are implemented in that the switching sequences of the first and second switches are swapped. As a result, the two switches are switched on alternately, while the other is already switched on. The advantage of this embodiment is that the clock frequency of the individual switches can be further reduced compared to the switching frequency of the switch arrangement.

In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die einzelnen Schalter der Schalteranordnung die gleiche Taktfrequenz auf. Bevorzugt sind die einzelnen Schalter auch weitgehend baugleich untereinander. Dadurch lässt sich die Anzahl der zu verwendenden unterschiedlichen Bauteile verringern. Bei Anwendung in zum Beispiel einem Leistungswandler lässt sich die Schaltfrequenz der Anwendung, zum Beispiel des Leistungswandlers, damit insbesondere mit durchlassoptimierten Halbleiterschaltern verdoppeln, indem ein zum Beispiel bei maximal zulässiger Taktfrequenz betriebener Halbleiterschalter durch eine Schaltzelle mit vier untereinander weitgehend baugleichen Halbleiterschaltern ersetzt wird. Die vier untereinander weitgehend baugleichen Halbleiterschalter können in einer Ausführungsform wiederum weitgehend baugleich mit dem Halbleiterschalter sein, den sie ersetzen können.In one embodiment of the invention, the individual switches of the switch arrangement have the same clock frequency. The individual switches are preferably also largely structurally identical to one another. This allows the number of different components to be used to be reduced. When used in, for example, a power converter, the switching frequency of the application, for example the power converter, can thus be doubled, in particular with semiconductor switches optimized for transmission, by replacing a semiconductor switch operated at the maximum permissible clock frequency with a switching cell with four semiconductor switches that are largely identical to one another. The four semiconductor switches that are largely identical to one another can, in one embodiment, be largely identical to the semiconductor switch that they can replace.

In einer Ausführungsform der Schalteranordnung mit vier Halbleiterschaltern kann eine Ansteuerung der Schaltanordnung derart eingerichtet werden, dass die von der Treiberschaltung generierten Taktsignale für die Halbleiterschalter dieselbe Taktfrequenz aufweisen, wobei die Taktsignale jedoch jeweils um ein Viertel der Taktperiode also um 90 Grad gegeneinander versetzt sind. Mit einer solchen Ansteuerung wirken die Halbleiterschalter der Schaltanordnung derart zusammen, dass eine Spannung beziehungsweise ein Strom zwischen den äußeren Anschlüssen der Schaltanordnung mit einer Schaltfrequenz geschaltet wird, die das Doppelte der Taktfrequenz der einzelnen Halbleiterschalter beträgt.In one embodiment of the switch arrangement with four semiconductor switches, the switching arrangement can be controlled in such a way that the clock signals generated by the driver circuit for the semiconductor switches have the same clock frequency, but the clock signals are offset from one another by a quarter of the clock period, i.e. 90 degrees. With such a control, the semiconductor switches of the switching arrangement interact in such a way that a voltage or a current is switched between the outer connections of the switching arrangement with a switching frequency which is twice the clock frequency of the individual semiconductor switches.

Auf diese Weise kann eine Taktfrequenz von zum Beispiel einer Wechselrichter-Brücke erreicht werden, die doppelt so hoch ist wie die der Wechselrichter-Brücke vor Ersetzung der ursprünglichen Schalter. Analog dazu kann der konstruktive Aufwand für die erforderlichen Filterbauteile im Wesentlichen halbiert werden.In this way, a clock frequency of, for example, an inverter bridge can be achieved that is twice as high as that of the inverter bridge before the original switch was replaced. Similarly, the design effort for the necessary filter components can be essentially halved.

Durch Hinzufügen weiterer Reihenschaltungen zur Parallelschaltung in einer Schalteranordnung kann die Schaltfrequenz weiter proportional erhöht werden, ohne die Taktfrequenz der einzelnen Schalter der Schalteranordnung zu verändern. Es sollte lediglich ein Phasenversatz zwischen den Ansteuersignalen der einzelnen Schalter, also den Taktsignalen, vorgesehen werden, der zum Beispiel der Schaltperiode geteilt durch die Anzahl der parallel geschalteten Reihenschaltungen entspricht.By adding further series connections for parallel connection in a switch arrangement, the switching frequency can be increased further proportionally without changing the clock frequency of the individual switches in the switch arrangement. Only a phase offset should be provided between the control signals of the individual switches, that is to say the clock signals, which corresponds, for example, to the switching period divided by the number of series connections connected in parallel.

Alternativ oder zusätzlich können die parallel geschalteten Reihenschaltungen der Schalteranordnung auch jeweils mehr als zwei Schalter umfassen. Hierdurch kann die Taktfrequenz der einzelnen Schalter weiter reduziert beziehungsweise die Schaltfrequenz der Schalteranordnung bei gegebener Taktfrequenz weiter erhöht werden.As an alternative or in addition, the series connections of the switch arrangement connected in parallel can also each comprise more than two switches. As a result, the clock frequency of the individual switches can be further reduced or the switching frequency of the switch arrangement can be increased further at a given clock frequency.

In einer Ausführungsform weisen die Taktsignale zur Ansteuerung der einzelnen Schalter das gleiche Tastverhältnis auf. Dies bietet - insbesondere bei baugleichen Schaltern - den Vorteil, dass alle Schalter gleichmäßig belastet werden.In one embodiment, the clock signals for controlling the individual switches have the same pulse duty factor. This has the advantage - especially with identical switches - that all switches are evenly loaded.

Für den Fall der Ausführung der Schalter mit Halbleiterschaltern ist die gesamte Anzahl der Schaltvorgänge der einzelnen Halbleiterschalter einer Schalteranordnung im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Halbleiterschalters mit entsprechender Taktfrequenz geringer, zum Beispiel nur etwa halb so groß, was positive Auswirkungen auf die Lebenszeit der Halbleiterschalter haben kann. Zudem werden Schalt- und Durchlassverluste im Betrieb auf die Halbleiterschalter der Schalteranordnung verteilt statt in einem einzelnen Halbleiterschalter anzufallen, so dass die Temperatur der Halbleiterschalter der Schalteranordnung bei einer gegebenen Taktfrequenz geringer ausfällt als die Temperatur eines herkömmlichen einzelnen Halbleiterschalter, wenn dieser mit derselben Taktfrequenz denselben Strom schalten würde. Diese Reduktion der effektiven Temperaturbelastung der einzelnen Halbleiterschalter der Schalteranordnung ermöglicht es, mit der Schalteranordnung höhere Leistungen als mit einem entsprechenden einzelnen Halbleiterschalter zu schalten.If the switches are designed with semiconductor switches, the total number of switching operations of the individual semiconductor switches in a switch arrangement is lower than when using a single semiconductor switch with a corresponding clock frequency, for example only about half as large, which can have a positive effect on the service life of the semiconductor switch . In addition, switching and conduction losses during operation are distributed to the semiconductor switches of the switch arrangement instead of occurring in a single semiconductor switch, so that the temperature of the semiconductor switches of the switch arrangement at a given clock frequency is lower than the temperature of a conventional individual semiconductor switch if it has the same current at the same clock frequency would switch. This reduction in the effective temperature load on the individual semiconductor switches of the switch arrangement makes it possible to switch higher powers with the switch arrangement than with a corresponding individual semiconductor switch.

In einer vorteilhaften Ausführung kann die Schalteranordnung in einem Schaltmodul baulich zusammengefasst sein. Das Schaltmodul kann insbesondere hinsichtlich Bauform und elektrischen Anschlüssen kompatibel zu konventionellen Schaltmodulen ausgeführt sein, so dass die erfindungsgemäße Schalteranordnung eine konventionelle Schalteranordnung ersetzen kann, die nur eine geringere Schaltfrequenz erlaubt oder in der erheblich teurere Schaltertypen eingesetzt werden, um eine gewünschte Schaltfrequenz erreichen zu können.In an advantageous embodiment, the switch arrangement can be structurally combined in a switch module. The switch module can be designed to be compatible with conventional switch modules, in particular with regard to design and electrical connections, so that the switch arrangement according to the invention can replace a conventional switch arrangement that only allows a lower switching frequency or in which considerably more expensive switch types are used in order to be able to achieve a desired switching frequency.

Ein Leistungswandler kann ein Schaltelement aufweisen, welches eine solche erfindungsgemäße Schalteranordnung umfasst. Das Schaltelement kann dabei in einer an sich bekannten Topologie anstelle eines einzelnen herkömmlichen Halbleiterschalters angeordnet sein. Beispielsweise in einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandlers) oder einer Wechselrichterbrücke können einzelne oder alle Halbleiterschalter durch Schaltelemente mit erfindungsgemäßen Schalteranordnungen ersetzt werden. Dadurch kann eine höhere Schaltfrequenz erzielt werden, selbst wenn die Halbleiterschalter der ersetzenden Schaltelemente von demselben Typ sind wie die ersetzten Halbleiterschalter, das heißt ohne eine andere Schaltertechnologie verwenden zu müssen. Wenn beispielsweise die sinnvoll einstellbare Taktfrequenz eines bekannten Gallium-Nitrit-Halbleiterschaltern (GaN-Schalter) in einem Leistungswandler maximal etwa 150 kHz beträgt, lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Schalteranordnung eine Schaltfrequenz des Leistungswandlers von etwa 300 kHz erzielen, ohne die Topologie der zugrunde liegenden Wandlerschaltung zu ändern; es müssen lediglich Schaltelements mit Schalteranordnungen aus je vier GaN-Schaltern anstelle der einzelnen GaN-Schalter des Wechselrichters eingesetzt werden.A power converter can have a switching element which comprises such a switch arrangement according to the invention. The switching element can be arranged in a topology known per se instead of a single conventional semiconductor switch. For example, in a DC / DC converter or an inverter bridge, individual or all semiconductor switches can be replaced by switching elements with switch arrangements according to the invention. As a result, a higher switching frequency can be achieved even if the semiconductor switches of the switching elements to be replaced are of the same type as the semiconductor switches being replaced, that is to say without having to use a different switch technology. For example, if the sensible adjustable clock frequency of a known gallium-nitrite semiconductor switch (GaN switch) in a power converter is a maximum of around 150 kHz, a switching frequency of the power converter of around 300 kHz can be achieved with a switch arrangement according to the invention, without the topology of the underlying converter circuit to change; it is only necessary to use switching elements with switch arrangements each consisting of four GaN switches instead of the individual GaN switches of the inverter.

Eine Schalteranordnung mit vier Halbleiterschaltern ermöglicht eine Schaltfrequenz, die das Doppelte der Taktfrequenz der Halbleiterschalter der Schalteranordnung beträgt. Es ist auch möglich, dass eine Schalteranordnung acht Halbleiterschalter umfasst. Hierfür sind dann zum Beispiel vier Äste mit jeweils einem ersten und einem zweiten Schalter in Reihe vorgesehen. Mit einer Schalteranordnung mit acht Halbleiterschaltern kann dann zum Beispiel eine Schaltfrequenz erzielt werden, die das Vierfache der Taktfrequenz der einzelnen Halbleiterschalter der Schalteranordnung beträgt. Analog zum vorgenannten Beispiel kann dadurch mit einer Schalteranordnung aus GaN-Schaltern eine Taktfrequenz von etwa 600 kHz erzielt werden, während die einzelnen GaN-Schalter der Schalteranordnung lediglich mit den erlaubten 150 kHz angesteuert werden.A switch arrangement with four semiconductor switches enables a switching frequency that is twice the clock frequency of the semiconductor switches of the switch arrangement. It is also possible that a switch arrangement comprises eight semiconductor switches. For this purpose, for example, four branches, each with a first and a second switch, are provided in series. With a switch arrangement with eight semiconductor switches, it is then possible, for example, to achieve a switching frequency which is four times the clock frequency of the individual semiconductor switches of the switch arrangement. Analogous to the aforementioned example, a clock frequency of approximately 600 kHz can be achieved with a switch arrangement of GaN switches, while the individual GaN switches of the switch arrangement are only controlled at the permitted 150 kHz.

Der Leistungswandler kann dabei eine Steuereinheit aufweisen, die mit einem Steuereingang des Schaltelements verbunden ist. Ein am Steuereingang des Schaltelements anliegenden Schaltsignal wird von der Treiberschaltung des Schaltelements verarbeitet. Die Treiberschaltung gibt dann die Taktsignale aus, mit denen die einzelnen Schalter des Schaltelements angesteuert werden.The power converter can have a control unit with a control input of the switching element is connected. A switching signal present at the control input of the switching element is processed by the driver circuit of the switching element. The driver circuit then outputs the clock signals with which the individual switches of the switching element are controlled.

Ein Verfahren zum Betrieb einer Schalteranordnung wird bevorzugt in der Treiberschaltung des Schaltelements ausgeführt. Dabei wird zunächst das Schaltsignal für die Schalteranordnung empfangen und in Taktsignale für die einzelnen Schalter umgewandelt. Die Taktsignale geben zumindest die Einschalttakte der Schalter vor und werden den Schaltern zugeführt. Die Schalter werden gemäß der Taktsignale angesteuert, wobei die Schalteranordnung die Einschaltphasen und die Ausschaltphasen des Schaltsignals umsetzt und wobei eine Schaltfrequenz der Schalteranordnung höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters.A method for operating a switch arrangement is preferably carried out in the driver circuit of the switching element. First, the switching signal for the switch arrangement is received and converted into clock signals for the individual switches. The clock signals specify at least the switch-on clocks of the switches and are fed to the switches. The switches are controlled according to the clock signals, the switch arrangement converting the switch-on phases and the switch-off phases of the switching signal, and a switching frequency of the switch arrangement being higher than an achievable clock frequency of an individual switch.

In einer Ausführungsform weisen die Taktsignale jeweils die gleichen Tastverhältnisse auf. Die Taktsignale sind bevorzugt gegeneinander phasenverschoben, das heißt die periodisch wiederkehrenden Elemente, insbesondere die Einschalttakte, der Taktsignale sind innerhalb der Periode zeitlich versetzt angeordnet. Die Verschiebung, das heißt der Phasenversatz hängt dabei vom Tastverhältnis des Schaltsignals ab. In einem möglichen Ausführungsbeispiel sind die Taktsignale von zwei Schaltern eines Astes jeweils um die Hälfte der Schaltperiode also um 180 Grad gegeneinander versetzt.In one embodiment, the clock signals each have the same duty cycles. The clock signals are preferably phase-shifted with respect to one another, that is to say the periodically recurring elements, in particular the switch-on clocks, of the clock signals are arranged offset in time within the period. The shift, i.e. the phase offset, depends on the pulse duty factor of the switching signal. In one possible embodiment, the clock signals from two switches of a branch are each offset by half the switching period, that is, by 180 degrees from one another.

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1a zeigt einen herkömmlichen Halbleiterschalter A;
1b zeigt eine erfindungsgemäße Schalteranordnung B, auch Schaltzelle genannt;
2 zeigt ein Signal CA zum Ansteuern für einen herkömmlichen Halbleiterschalter A, im Vergleich Taktsignale CB1, CB2, CB3, CB4 zum Ansteuern für eine erfindungsgemäße Schaltzelle B und resultierende Schaltpulse entsprechend dem Schaltsignal CB für eine erfindungsgemäße Schaltzelle B mit einer um den Faktor zwei erhöhten Schaltfrequenz im Vergleich zum Signal CA zum Ansteuern für den herkömmlichen Halbleiterschalter A;
3 zeigt Taktsignale CB1, CB2, CB3, CB4 und resultierende Schaltpulse entsprechend dem Schaltsignal CB mit einer gegenüber 2 verringerten Pulslänge; und
4 zeigt eine weitere Ausführungsform von Taktsignalen CB1, CB2, CB3, CB4 und resultierenden Schaltpulsen für eine erfindungsgemäße Schaltzelle B mit einer um den Faktor vier erhöhten Schaltfrequenz im Vergleich zum Signal CA zum Ansteuern für den herkömmlichen Halbleiterschalter A; und
5 ein Verfahren zum Betrieb der Schalteranordnung.

In the following, the invention is further explained and described with reference to the exemplary embodiments shown in the figures.

1a shows a conventional semiconductor switch A. ;
1b shows a switch arrangement according to the invention B. , also called switch cell;
2 shows a signal CA for controlling a conventional semiconductor switch A. , compared clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4 for controlling a switching cell according to the invention B. and resulting switching pulses corresponding to the switching signal CB for a switching cell according to the invention B. with a switching frequency that is increased by a factor of two compared to the signal CA to control the conventional semiconductor switch A. ;
3 shows clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4 and resulting switching pulses corresponding to the switching signal CB with an opposite 2 decreased pulse length; and
4th Figure 3 shows another embodiment of clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4 and resulting switching pulses for a switching cell according to the invention B. with a switching frequency that is four times higher than that of the signal CA to control the conventional semiconductor switch A. ; and
5 a method of operating the switch assembly.

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

1a zeigt einen herkömmlichen Halbleiterschalter A mit den Anschlüssen 1 und 2 und mit einer Treiberschaltung TA. Die Treiberschaltung TA ist eingerichtet, ein Signal CA an den Schalter A auszugeben. Der Schalter A schaltet in Reaktion auf das Signal CA ein und aus. 1a shows a conventional semiconductor switch A. with the connections 1 and 2 and with a driver circuit TA . The driver circuit TA is set up a signal CA to the switch A. to spend. The desk A. switches in response to the signal CA in and out.

1b zeigt eine erfindungsgemäße Schalteranordnung oder Schaltzelle B mit den Anschlüssen 10, 12, zwischen denen die parallelen Äste 14 und 16 angeordnet sind. Der erste Ast 14 weist eine Reihenschaltung eines ersten Schalters B1 und eines zweiten Schalters B2 auf. Der zweite Ast 16 weist eine Reihenschaltung eines ersten Schalters B3 und eines zweiten Schalters B4 auf. Eine Treiberschaltung TB ist eingerichtet, ein Schaltsignal CB zu empfangen und den Schalter B1 mittels eines Taktsignals CB1, den Schalter B2 mittels eines Taktsignals CB2, den Schalter B3 mittels eines Taktsignals CB3 und den Schalter B4 mittels eines Taktsignals CB4 anzusteuern. Die Taktsignale CB1, CB2, CB3, CB4 können entweder den Zustand „an“ oder den Zustand „aus“ annehmen. Wird ein Schalter B1, B2, B3, B4 mit einem Einschalttakt angesteuert, so schaltet er an, wird ein Schalter B1, B2, B3, B4 mit einem Ausschalttakt angesteuert, so schaltet er aus. 1b shows a switch arrangement or switch cell according to the invention B. with the connections 10 , 12th between which the parallel branches 14th and 16 are arranged. The first branch 14th has a series connection of a first switch B1 and a second switch B2 on. The second branch 16 has a series connection of a first switch B3 and a second switch B4. A driver circuit TB is set up a switching signal CB to receive and the switch B1 by means of a clock signal CB1 , the switch B2 by means of a clock signal CB2 , the switch B3 by means of a clock signal CB3 and the switch B4 by means of a clock signal CB4 head for. The clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4 can either have the status "on" or the status "off". Becomes a switch B1 , B2 , B3 , B4 controlled with a switch-on cycle, so it switches on, becomes a switch B1 , B2 , B3 If B4 is triggered with a switch-off cycle, it switches off.

2 zeigt ein Schaltsignal CA, aufgetragen über die Zeit t, mit dem beispielsweise ein Halbleiterschalter A angesteuert werden kann. 2 zeigt weiter Taktsignale CB1, CB2, CB3, CB4 und das korrespondierende Schaltsignal CB für die erfindungsgemäße Schaltzelle B. 2 shows a switching signal CA , plotted over time t with which, for example, a semiconductor switch A. can be controlled. 2 further shows clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4 and the corresponding switching signal CB for the switching cell according to the invention B. .

Eine Schaltperiode des einzelnen Schalters A beträgt 2Ts und umfasst einen Schaltpuls der Länge Ts. Die Schaltperiode der Schaltzelle B ist ebenfalls 2Ts, umfasst jedoch zwei Schaltpulse mit einer verminderten Pulsdauer von Ta.One switching period of the single switch A. is 2Ts and comprises a switching pulse of length Ts . The switching period of the switching cell B. is also 2Ts, but includes two switching pulses with a reduced pulse duration of Ta .

Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel lässt sich eine Schaltfrequenz mit einer Periode von 2Ta durch eine Parallelschaltung von N = Ts/Ta Reihenschaltungen realisieren. Dabei sind die Durchleitphasen der parallel geschalteten Äste jeweils um 2Ta gegeneinander verschoben.The in 2 A switching frequency with a period of 2Ta can be realized by a parallel connection of N = Ts / Ta series connections. The pass-through phases of the branches connected in parallel are each shifted by 2Ta against each other.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Signal CA und Schaltsignal CB. Die Taktsignale CB1 und CB2 für die Schalter B1 und B2 von Ast 14 weisen jeweils die gleiche Form auf, sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Taktsignale CB3 und CB4 für die Schalter B3 und B4 von Ast 16 weisen jeweils die gleiche Form auf wie die der Taktsignale CB1 und CB2, sind jedoch sowohl gegeneinander als auch gegenüber CB1 und CB2 phasenverschoben. Das korrespondierende Schaltsignal CB weist Einschalttakte auf, die den Einschalttakten von CA entsprechen. Die Schaltfrequenz von CB ist jedoch doppelt so groß wie die von CA. 3 Figure 3 shows another embodiment of Signal CA and switching signal CB . The clock signals CB1 and CB2 for the switches B1 and B2 from branch 14th each have the same shape, but are out of phase with one another. The clock signals CB3 and CB4 for the switches B3 and B4 from Ast 16 each have the same shape as that of the clock signals CB1 and CB2 , however, are against each other as well as opposite CB1 and CB2 out of phase. The corresponding switching signal CB has switch-on cycles that match the switch-on cycles of CA correspond. The switching frequency of CB however, it is twice as large as that of CA .

In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei aufeinander folgende Durchleitphasen zum Beispiel des Astes 14 realisiert, indem dem ersten Schalter B1 zum Zeitpunkt t₁ zunächst ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter B2 zum Zeitpunkt t₂ ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter B1 zum Zeitpunkt t₃ ein Ausschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter B2 zum Zeitpunkt t₄ ein Ausschaltsignal zugeführt wird, und dann der obige Zyklus wiederholt wird. Daraus resultiert eine Einschaltphase der Schalteranordnung B zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ , entsprechend dem Schaltersignal CB. Aufeinanderfolgende Durchleitphasen des Astes 16 werden in gleicher Weise - jedoch phasenverschoben - realisiert. Auf eine Durchleitphase des Astes 14 folgt eine Durchleitphase des Astes 16, daraufhin folgt wieder eine Durchleitphase des Astes 14 und so weiter.In this embodiment, two successive pass-through phases are, for example, the branch 14th realized by the first switch B1 at time t ₁ a switch-on signal is first supplied, then to the second switch B2 at the time t ₂ a switch-on signal is supplied, then the first switch B1 at the time t ₃ a switch-off signal is supplied, then the second switch B2 at the time t ₄ a turn-off signal is supplied, and then the above cycle is repeated. This results in a switch-on phase of the switch arrangement B. between the points in time t ₂ and t ₃ , according to the switch signal CB . Successive pass-through phases of the branch 16 are implemented in the same way - but with a phase shift. On a pass-through phase of the branch 14th a pass-through phase of the branch follows 16 , this is followed by another pass-through phase of the branch 14th and so forth.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Signal CA und Schaltsignal CB. Die Taktsignale CB1, CB2, CB3, CB4 weisen jeweils die gleiche Form auf wie das Signal CA, so dass die Schalter B1, B2, B3, B4 mit der gleichen Taktfrequenz geschaltet werden, die der Schaltfrequenz des einzelnen Schalters A entspricht. 4th Figure 3 shows another embodiment of Signal CA and switching signal CB . The clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4 each have the same shape as the signal CA so that the switch B1 , B2 , B3 , B4 can be switched with the same clock frequency as the switching frequency of the individual switch A. is equivalent to.

Die Taktsignale CB1 und CB2 für die Schalter B1 und B2 von Ast 14 weisen jeweils die gleiche Form auf, sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Taktsignale CB3 und CB4 für die Schalter B3 und B4 von Ast 16 weisen jeweils die gleiche Form auf wie die der Taktsignale CB1 und CB2, sind jedoch sowohl gegeneinander als auch gegenüber CB1 und CB2 phasenverschoben.The clock signals CB1 and CB2 for the switches B1 and B2 from branch 14th each have the same shape, but are out of phase with one another. The clock signals CB3 and CB4 for the switches B3 and B4 from Ast 16 each have the same shape as that of the clock signals CB1 and CB2 , however, are against each other as well as opposite CB1 and CB2 out of phase.

Das Schaltsignal CB für den die Schalteranordnung B weist dagegen eine wesentlich höhere Taktfrequenz auf. Dies ist möglich, ohne einzelne Schalter höher zu takten - mit den oben beschriebenen Vorteilen.The switching signal CB for which the switch assembly B. however, has a much higher clock frequency. This is possible without clocking individual switches higher - with the advantages described above.

In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei aufeinanderfolgende Durchleitphasen zum Beispiel eines Astes 14 realisiert, indem dem ersten Schalter B1 zunächst ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter B2 zum Zeitpunkt t₅ ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter B1 zum Zeitpunkt t₆ ein Ausschaltsignal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter B1 zum Zeitpunkt t₇ ein weiteres Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter B2 zum Zeitpunkt t₅ ein Ausschaltsignal zugeführt wird, und dann der obige Zyklus widerholt wird, wobei der Schalter B1 bereits eingeschaltet ist und das erstgenannte Einschaltsignal entfällt. Daraus resultierten zwei Einschaltphasen der Schalteranordnung B, und zwar zwischen den Zeitpunkten t₅ und t₆ sowie zwischen den Zeitpunkten t₇ und t₈, jeweils entsprechend dem Schaltersignal CB. Aufeinanderfolgende Durchleitphasen des Astes 16 werden in gleicher Weise - jedoch phasenverschoben - realisiert, so dass eine der Durchleitphasen des Astes 16 zwischen die beiden oben beschriebenen Durchleitphasen des Astes 14 fällt. Auf eine Durchleitphase des Astes 14 folgt eine Durchleitphase des Astes 16, daraufhin folgt wieder eine Durchleitphase des Astes 14 und so weiter.In this exemplary embodiment, two successive pass-through phases are, for example, a branch 14th realized by the first switch B1 first a switch-on signal is supplied, then the second switch B2 a switch-on signal is supplied at time t _{5, then the first switch} B1 a switch-off signal is supplied at time t _{6, then the first switch} B1 at time t ₇ a further switch-on signal is supplied, then to the second switch B2 a switch-off signal is supplied at time t ₅ , and then the above cycle is repeated, the switch B1 is already switched on and the first-mentioned switch-on signal does not apply. This resulted in two switch-on phases of the switch arrangement B. , namely between the times t ₅ and t ₆ and between the times t ₇ and t ₈ , in each case according to the switch signal CB . Successive pass-through phases of the branch 16 are implemented in the same way - but with a phase shift - so that one of the pass-through phases of the branch 16 between the two pass-through phases of the branch described above 14th falls. On a pass-through phase of the branch 14th a pass-through phase of the branch follows 16 , this is followed by another pass-through phase of the branch 14th and so forth.

5 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Schalteranordnung B, mit den folgenden Schritten:

S1: Empfang eines Schaltsignals CB, das Einschaltphasen und Ausschaltphasen der Schalteranordnung B definiert. Einschaltphasen definieren dabei Phasen, in denen die Schalteranordnung einen Strom zwischen den Anschlüssen 10, 12 durchleiten kann.

5 shows a method for operating a switch arrangement B. , with the following steps:

S1: Receipt of a switching signal CB , the switch-on phases and switch-off phases of the switch arrangement B. Are defined. Switch-on phases define phases in which the switch arrangement supplies a current between the connections 10 , 12th can pass through.

Ausschaltphasen definieren dabei Phasen, in denen die Schalteranordnung B gesperrt ist und keinen Strom durchleiten kann.

S2: Umwandeln des Schaltsignals CB in individuelle, Einschalttakte der einzelnen Schalter B1, B2, B3, B4 definierende Taktsignale CB1, CB2, CB3, CB4
S3: Zuführen der Taktsignale CB1, CB2, CB3, CB4 zu den Schaltern B1, B2, B3, B4.
S4: Ansteuern der Schalter B1, B2, B3, B4 mittels der Taktsignale CB1, CB2, CB3, CB4, wobei die Schalteranordnung B die Einschaltphasen und Ausschaltphasen des Schaltsignals CB umsetzt, und wobei eine Schaltfrequenz der Schalteranordnung B höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters B1, B2, B3, B4.

Switch-off phases define phases in which the switch arrangement B. is blocked and cannot conduct electricity.

S2: converting the switching signal CB in individual, switch-on cycles of the individual switches B1 , B2 , B3 , B4 defining clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4
S3: Supply of the clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4 to the counters B1 , B2 , B3 , B4.
S4: Activate the switches B1 , B2 , B3 , B4 by means of the clock signals CB1 , CB2 , CB3 , CB4 , the switch assembly B. the switch-on phases and switch-off phases of the switching signal CB converts, and wherein a switching frequency of the switch arrangement B. is higher than the achievable clock frequency of a single switch B1 , B2 , B3 , B4.

Schritte des Verfahrens werden bevorzugt durch eine Treiberschaltung TB der Schalteranordnung B ausgeführt. Die Treiberschaltung TB ist dabei eingerichtet, Schritte des Verfahrens auszuführen. Die Schalter B1, B2, B3, B4 können dabei durch den Beginn eines Taktsignals eingeschaltet und durch das Ende eines Taktsignals ausgeschaltet werden.Steps of the method are preferred through a driver circuit TB the switch arrangement B. executed. The driver circuit TB is set up to carry out steps of the procedure. The switches B1 , B2 , B3 , B4 can be switched on by the beginning of a clock signal and switched off by the end of a clock signal.

Weitere Ausführungsformen sind denkbar. Beispielsweise könnte die resultierende Pulslänge der Schaltzelle B über einen Versatz der Einschaltzeiträume der Halbleiterschalter B1, B2, B3, B4 einer Reihenschaltung eines Astes 14, 16 eingestellt werden. Dabei könnte zur Ansteuerung der einzelnen Schalter B1, B2, B3, B4 ein festes Tastverhältnis von etwa 1:1 verwendet werden. In einem solchen Beispiel ist der Zeitpunkt des Ausschalten der Schaltzelle B bereits durch das Einschalten des ersten Halbleiterschalters B1, B3 einer Reihenschaltung definiert, während der Zeitpunkt des Einschaltens der Schaltzelle B mit dem zeitlich späteren Einschalten des zweiten Halbleiterschalters B2, B4 der Schaltzelle zusammenfällt. Die Pulslänge der erfindungsgemäßen Schaltzelle B ist somit durch den Einschaltzeitpunkte der beteiligten Halbleiterschalter B1, B2, B3, B4 einer Reihenschaltung eines Astes 14, 16 der Schaltzelle B in Verbindung mit der gegebenenfalls festen Einschaltdauer der Halbleiterschalter B1, B2, B3, B4 definiert; der Ausschaltzeitpunkt des zuerst eingeschalteten Halbleiterschalters B1, B2, B3, B4 und damit der Ausschaltzeitpunkt der Schaltzelle B ergibt sich daraus ohne weiteres Zutun und muss insbesondere nicht direkt vorgegeben werden. Daher ist es auch möglich, das Verfahren so auszugestalten und die Treiberschaltung TB so auszuführen, dass die einzelnen Halbleiterschalter B1, B2, B3, B4 nicht explizit durch ein Ausschaltsignal ausgeschaltet werden, sondern das Ausschalten der Halbleiterschalter B1, B2, B3, B4 bereits durch den Zeitpunkt des Einschaltsignals vorgegeben ist.Further embodiments are conceivable. For example, the resulting pulse length of the switching cell could B. via an offset of the switch-on periods of the semiconductor switches B1 , B2 , B3 , B4 a series connection of a branch 14th , 16 can be set. It could be used to control the individual switches B1 , B2 , B3 , B4 a fixed duty cycle of about 1: 1 can be used. In such an example, it is the point in time when the switching cell is switched off B. just by turning on the first semiconductor switch B1 , B3 a series connection is defined during the time at which the switching cell is switched on B. with the later switching on of the second semiconductor switch B2 , B4 of the switching cell coincides. The pulse length of the switching cell according to the invention B. is thus due to the switch-on time of the semiconductor switches involved B1 , B2 , B3 , B4 a series connection of a branch 14th , 16 the switch cell B. in connection with the possibly fixed duty cycle of the semiconductor switch B1 , B2 , B3 , B4 defined; the switch-off time of the semiconductor switch that was switched on first B1 , B2 , B3 , B4 and thus the switch-off time of the switching cell B. results from this without further action and in particular does not have to be specified directly. It is therefore also possible to design the method and the driver circuit in this way TB to be carried out in such a way that the individual semiconductor switches B1 , B2 , B3 , B4 cannot be explicitly switched off by a switch-off signal, but rather by switching off the semiconductor switch B1 , B2 , B3 , B4 is already predetermined by the time of the switch-on signal.

Alternativ könnte eine „klassische“ Pulsweitenmodulation PWM auf die Schalteranordnung B angewendet werden, indem der erste Schalter B1, B3 einer Reihenschaltung der Schalteranordnung „automatisch“ zu Beginn eines Taktes eingeschaltet wird, dann das Einschaltsignal für die Schalteranordnung an den zweiten Schalter B2, B4 der Reihenschaltung geht, der eine definierte Zeitspanne an bleibt, und letztlich das Ausschaltsignal der PWM wieder auf den ersten Schalter B1, B3 wirkt.Alternatively, a “classic” PWM pulse width modulation could be applied to the switch arrangement B. be applied by the first switch B1 , B3 a series connection of the switch arrangement is switched on “automatically” at the beginning of a cycle, then the switch-on signal for the switch arrangement is sent to the second switch B2 , B4 of the series connection goes, which remains on for a defined period of time, and ultimately the switch-off signal of the PWM goes back to the first switch B1 , B3 works.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

AA.: Schaltercounter
BB.: SchalteranordnungSwitch arrangement
1, 21, 2: Anschlüsse von AConnections from A
10, 1210, 12: Anschlüsse von BConnections from B
14, 1614, 16: ÄsteBranches
B1, B2, B3, B3B1, B2, B3, B3: Schaltercounter
TATA: Treiberschaltung von ADriver circuit from A
TBTB: Treiberschaltung von BDriver circuit from B
CACA: Signal für ASignal for A
CB1, CB2, CB3, CB4CB1, CB2, CB3, CB4: TaktsignaleClock signals
CBCB: Schaltsignal für BSwitching signal for B
Ts, TaTs, Ta: halbe Schaltperiodehalf switching period
tt: ZeitTime
t1, t2, t3, t4t1, t2, t3, t4: ZeitpunktePoints in time
S1, S2, S3, S4S1, S2, S3, S4: VerfahrensschritteProcedural steps

Claims

Switch arrangement (B) for switching electrical currents with a plurality of branches (14, 16) arranged in parallel between a first connection (10) and a second connection (12), each branch (14, 16) being a series connection of a first switch (B1 , B3) and a second switch (B2, B4), and with a driver circuit (TB) which is set up to transmit a switching signal (CB) which defines the switch-on and switch-off phases of the switch arrangement (B) in individual switch-on cycles of the switches (B1, B2, B3, B4) defining clock signals (CB1, CB2, CB3, CB4) to convert and to the switches (B1, B2, B3, B4) so that the switch arrangement (B) the switch-on and switch-off phases of the switching signal (CB ), whereby a switching frequency of the switch arrangement (B) is higher than an achievable clock frequency of an individual switch (B1, B2, B3, B4).

Switch arrangement according to Claim 1 , wherein the driver circuit (TB) is set up to implement a switch-on phase of the switch arrangement (B) by means of a pass-through phase of a branch (14, 16) of the plurality of branches (14, 16).

Switch arrangement according to Claim 1 or 2 , wherein the driver circuit (TB) is set up to implement successive switch-on phases of the switch arrangement (B) by passage phases of different branches (14, 16) of the plurality of branches (14, 16).

Switch arrangement according to Claim 1 , 2 or 3 , the driver circuit (TB) being set up to implement a pass-through phase of a branch (14, 16) by initially supplying a switch-on signal to the first switch (B1, B3) , then a switch-on signal is fed to the second switch (B2, B4), then a switch-off signal is fed to the first switch (B1, B3), and then a switch-off signal is fed to the second switch (B2, B4).

Switch arrangement according to Claim 1 , 2 or 3 , the driver circuit (TB) being set up to implement two successive pass-through phases of a branch (14, 16) by first supplying a switch-on signal to the first switch (B1, B3) and then a switch-on signal to the second switch (B2, B4) is fed, then a switch-off signal is fed to the first switch (B1, B3), then a further switch-on signal is fed to the first switch (B1, B3), and then a switch-off signal is fed to the second switch (B2, B4).

Switch arrangement according to Claim 4 or 5 , wherein the driver circuit (TB) is set up to implement successive pass-through phases of a branch (14, 16) by swapping the switching sequences of the first switch (B1, B3) and the second switch (B2, B4) so that both Switches (B1, B2, B3, B4) are those that are switched on when the other switch (B1, B2, B3, B4) is already switched on.

Switch arrangement according to one of the preceding claims, wherein the clock signals of the individual switches (B1, B2, B3, B4) have the same clock frequency and in particular are structurally identical.

Switch arrangement according to one of the preceding claims, wherein the switch arrangement (B) has two branches (14, 16) and / or each branch (14, 16) has further switches in addition to the first and second switches (B1, B2, B3, B4) .

Switch arrangement according to one of the preceding claims, wherein the clock signals (CB1, CB2, CB3, CB4) have the same pulse duty factors.

Power converter with at least one switching element for clocked production and interruption of a load current, wherein the switching element comprises a switch arrangement (B) according to one of the preceding claims.

Power converter according to Claim 10 , wherein the switching element is arranged in a DC / DC converter of the power converter.

Power converter according to Claim 10 , wherein the switching element is arranged in an inverting and / or rectifying bridge circuit of the power converter.

Power converter according to one of the Claims 10 until 12th , wherein the switching element has a control input which is connected to a control unit of the power converter, and wherein the driver circuit (TB) of the switch arrangement (B) is set up to control the switches (B1, B2, B3, B4) of the switch arrangement (B) in To be controlled depending on the switching signal (CB) present at the control input of the switching element.

Method for operating a switch arrangement (B) according to one of the Claims 1 until 9 , the method comprising the following steps: - receiving a switching signal (CB) which defines the switch-on phases and switch-off phases of the switch arrangement (B), - converting the switching signal (CB) into individual switch-on cycles of the individual switches (B1, B2, B3, B4) defining clock signals (CB1, CB2, CB3, CB4) - supplying the clock signals (CB1, CB2, CB3, CB4) to the switches (B1, B2, B3, B4) - controlling the switches (B1, B2, B3, B4) by means of of the clock signals (CB1, CB2, CB3, CB4), the switch arrangement (B) converting the switch-on and switch-off phases of the switching signal (CB), and a switching frequency of the switch arrangement (B) being higher than an achievable clock frequency of an individual switch (B1, B2, B3, B4).

Procedure according to Claim 13 wherein a switch-on phase of the switch arrangement (B) is implemented by a phase through of a branch (14, 16) of the plurality of branches (14, 16).

Procedure according to Claim 14 or 15th , wherein the clock signals (CB1, CB2, CB3, CB4) have the same duty cycles.

Procedure according to Claim 14 , 15th or 16 , the clock signals (CB1, CB2, CB3, CB4) of the switches (B1, B2, B3, B4) of a branch (14, 16) of the switch arrangement (B) being phase-shifted from one another, a phase offset depending on a duty cycle of the switching signal (CB) is set.

Method according to one of the Claims 14 until 17th , wherein successive switch-on phases of the switch arrangement (B) are realized by pass-through phases of different branches (14, 16) of the plurality of branches (14, 16).

Method according to one of the Claims 14 until 18th , wherein the pass-through phases of the branches (14, 16) of the switch arrangement (B) are phase-shifted by 180 degrees with respect to one another.

Method according to one of the Claims 14 until 19th , the switching frequency of the switch arrangement (B) being twice as high as the clock frequency of the switches (B1, B2, B3, B4).