DE102021134072A1 - Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung - Google Patents

Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung Download PDF

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Abstract

Eine Technik zur Steuerung der Halbleiterschalter (112; 114) einer Schaltungsanordnung, insbesondere als Tiefsetzsteller (100), Hochtiefsetzsteller oder Sperrwandler an einer Gleichstromquelle oder an einer Wechselstromquelle, während einer Periode umfassend eine festgelegte Zeitdauer (ton) einer Aufmagnetisierungsphase (140) und eine veränderbare Zeitdauer (toff) einer Abmagnetisierungsphase (142) einer Induktivität (104) wird bereitgestellt. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) umfasst einen während der Aufmagnetisierungsphase (140) leitenden ersten Halbleiterschalter (112) und einen während der Abmagnetisierungsphase (142) leitenden zweiten Halbleiterschalter (114), die Induktivität (104), eine Kapazität (106) parallel zu einem elektrischen Verbraucher (108) und mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2) im Strompfad eines der Halbleiterschalter (112; 114). Ein Stromwert wird über der Strommessstelle (110-1; 110-2) während eines festgelegten Zeitpunkts der Periode gemessen und mit einem festgelegten Referenzstromwert verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis wird die Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase (142) verändert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Technik zur Steuerung der Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung zur Spannungswandlung zwischen einer Stromquelle und elektrischem Verbraucher. Insbesondere wird ein Stromregelverfahren einer Zweischalter-Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Stromsignalinformation aus nur einem Halbleiterschalterpfad bereitgestellt.
  • Aus dem Stand der Technik ist eine Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 10 mit einer Diode 12 wie in 1 gezeigt bekannt. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung kann auf der Grenze (auch: Grenzlücke, Englisch: „Boundary Conduction Mode“, kurz BCM) zwischen einem nicht-lückenden Betrieb und einem lückenden Betrieb einer Induktivität L (auch: Drossel) betrieben werden, um ein verlustarmes Schalten eines Halbleiterschalters (S) zu erreichen, wobei üblicherweise ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) eingesetzt wird. Hierbei wird die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung in der Nähe der Lückgrenze des Drosselstroms IL so betrieben, dass sowohl ein stromloses (Englisch: „zero current switching“, kurz: ZCS) als auch ein spannungsloses (Englisch: „zero voltage switching“, kurz: ZVS) Einschalten des Halbleiterschalters S ermöglicht wird. Die Drossel L der herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung sowie die Ausgangskapazität des Halbleiterschalters Coss bilden dabei einen Serienresonanzschwingkreis. Dieser Serienresonanzkreis wird innerhalb der halben Periodendauer seiner Eigenfrequenz umgeladen, so dass bei Vorzeichenwechsel des Drosselstroms IL die Ausgangskapazität Coss auf den doppelten Wert der Tiefsetzsteller-Eingangsspannung Vin, abzüglich der Tiefsetzsteller-Ausgangsspannung Vout umgeladen wird. Dadurch wird bei erneutem Einschalten des Halbleiterschalters S die Schaltspannung sowie der Einschaltstrom und somit die Schaltverluste reduziert.
  • Wie in der 2 gezeigt lückt der Drosselstrom der herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung während jeder Schaltperiode des Halbleiterschalters S. Dabei setzen sich die zeitlichen Zusammenhänge wie folgt zusammen: t o n = P i n ∗ 2 ∗ L ( V i n − V o u t ) 2
    Figure DE102021134072A1_0001
     t o f f = ( V i n V o u t − 1 ) ∗ t o n
    Figure DE102021134072A1_0002
     t r e s = π ∗ L ∗ C o s s
    Figure DE102021134072A1_0003
  • Um ein möglichst verlustfreies Schalten des Halbleiterschalters S zu gewährleisten, darf die Periodendauer eines Schaltzyklus Ts nicht kürzer sein als: T s m i n = t o n + t o f f + t r e s
    Figure DE102021134072A1_0004
  • In besonders verlustoptimierten Anwendungen kommt an Stelle einer herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Diode 12, wie in 1 gezeigt, eine Halbbrückenschaltung mit mindestens zwei aktiven Halbleiterschaltern (S1, S2) zum Einsatz, wie in 4 gezeigt. Dabei wird die Diode 12 aus 1 durch den zweiten Halbleiterschalter S2 ersetzt. Die Schaltung der 4 kann auch als Vollbrücken-Tiefsetzer-Leistungsfaktorkorrektur-Schaltungsanordnung bezeichnet werden (kurz: „Vollbrücken-Buck-PFC-Schaltung“ mit Tiefsetzsteller auf Englisch: „buck“ und Leistungsfaktorkorrektur auf Englisch: „power factor correction“, kurz: „PFC“).
  • In 3 ist eine idealisierte zeitliche Abfolge der Ansteuerung der Halbleiterschalter S1 und S2 einer idealisierten verlustfreien Schaltung gemäß 4 für eine positive Eingangsspannung Vin dargestellt.
  • Die Bedingung für das Abschalten des ersten Halbleiterschalters S1 und das Einschalten des zweiten Halbleiterschalters S2 ist in diesem idealisierten Fall das Überschreiten einer oberen Stromschwelle Ih des Drosselstroms IL. Die Stromschwelle Ih wird für den jeweiligen Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung von einem Stromregler vorgegeben.
  • Die Bedingung für das Abschalten des zweiten Halbleiterschalters S2 und das Einschalten des ersten Halbleiterschalters S1 ist in diesem idealisierten Fall das Unterschreiten einer unteren Stromschwelle II des Drosselstroms IL. Die Stromschwelle II ist statisch vorgegeben und sorgt für ein vollständiges Umladen von Coss.
  • Dabei bleibt im Gegensatz zur Schaltungsanordnung der 1 der Halbleiterschalter S2 solange eingeschaltet, bis ein vollständiges Umladen von Coss auf null Volt (0 V) erfolgt ist. Danach wird der erste Halbleiter S1 ein- und der zweite Halbleiterschalter S2 zeitgleich abgeschaltet, so dass der Strom IL vom zweiten Halbleiterschalter S2 auf den ersten Halbleiterschalter S1 kommutieren kann und die Steigung des Stromes wieder positiv wird.
  • In der Dissertation „Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application“ von Jian Li (14. April 2009, Blacksburg Virginia) ist ein alternatives Verfahren zur idealisierten Generierung von Schaltzeiten (Ton) des ersten Halbleiterschalters S1 und des zweiten Halbleiterschalters S2 für die eine idealisiert verlustfreie in 5 gezeigte Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung beschrieben. 6 (a) zeigt eine Spitzenstrom-Steuerung (Englisch: „peak current mode control“, kurz: „PCMC“), 6 (b) zeigt eine idealisierte Talstrom-Steuerung (Englisch: „valley current mode control“), 6 (c) zeigt eine idealisierte konstante „On-Zeit“-Steuerung („constant on-time control“), 6 (d) zeigt eine idealisierte konstante „Off-Zeit“-Steuerung („constant off-time control“) und 6 (e) zeigt eine idealisierte hysterische Steuerung („hysteric control“).
  • Die herkömmlichen Verfahren zur Generierung der Schaltsignale für Tiefsetzsteller-Topologien, die mit zwei Halbleiterschaltern betrieben werden, benötigen die gesamte Information des Stromverlaufs durch die Induktivität L, um mit Komparatoren die Schaltsignale zu erzeugen. Es gibt zwei herkömmliche Möglichkeiten, dies jeweils mit erheblichen Nachteilen zu realisieren.
  • Gemäß einer ersten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung wird der Strom IL direkt mit einem Strommesswiderstand (kurz: Messwiderstand; auch: „Shunt“) im Pfad von IL unter Einsatz eines Schaltkreises gemessen, der das Signal auf das Messpotenzial bringt. Nachteilig an der ersten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung ist, dass der Schaltkreis für eine Potenzialtrennung üblicherweise sehr teuer ist. Beispielsweise wird herkömmlicherweise eine Hall-Messung eingesetzt. Nachteilig an der ersten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung ist ferner, dass der Schaltkreis für die Potenzialtrennung üblicherweise eine nur geringe Bandbreite hat und das Signal verzerrt wiedergibt.
  • Gemäß einer zweiten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung wird der Strom mit Stromwandlern in den einzelnen Schalterpfaden gemessen unter Einsatz zusätzlicher Beschaltung zur Entmagnetisierung der Stromwandler und zusätzlicher Beschaltung, um den Strom bidirektional zu messen. Nachteilig an der zweiten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung ist, dass die Schaltung aufwändig ist mit vielen Komponenten. Nachteilig an der zweiten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung ist ferner, dass Stromwandler üblicherweise teurer sind als Strommesswiderstände (auch: „Shunts“).
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Technik zur Steuerung der Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung zur Spannungswandlung zwischen einer Stromquelle und elektrischem Verbraucher anzugeben, in der ein Potenzial für Messschaltungen und/oder Steuerungsschaltungen (insbesondere Regelungsschaltungen) auf ein störungsarmes Potenzial, beispielsweise einer negativen Zwischenkreisspannung, gelegt werden kann. Alternativ oder ergänzend besteht die Aufgabe, eine geeignete Strommessung mit nur einem Messwiderstand und/oder nur geringer Zusatzbeschaltung zur Generierung der Halbleiterschaltersignale für die Halbleiterschalter zu erreichen.
  • Die Aufgabe wird oder die Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt umfasst eine Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers eine zwischen einem ersten Knotenpunkt und einem zweiten Knotenpunkt geschaltete Induktivität, eine zwischen dem zweiten Knotenpunkt und einem dritten Knotenpunkt geschaltete Kapazität, und einen zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem dritten Knotenpunkt parallel zur Kapazität geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung speisenden Stromquelle, wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol, der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol, der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner einen ersten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den ersten Pol mit dem ersten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden, und einen zweiten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den ersten Knotenpunkt und den dritten Knotenpunkt über einen vierten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens eine Strommessstelle, die in einem den ersten Knotenpunkt, den zweiten Knotenpunkt und den dritten Knotenpunkt umfassenden Strompfad hinter dem dritten Knotenpunkt angeordnet ist. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter während einer festgelegten Zeitdauer (ton) einer Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer (toff) einer Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und den zweiten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten.
  • Die festgelegte Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der (beispielsweise ersten) Induktivität ist für jede Schaltungsanordnung des ersten, zweiten und dritten Aspekts in Abhängigkeit von einem vorgegebenen maximalen Strom durch die Induktivität festgelegt. Alternativ oder ergänzend ist die veränderbare Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der (beispielsweise ersten) Induktivität für jede Schaltungsanordnung des ersten, zweiten und dritten Aspekts in Abhängigkeit von einem Vergleich eines vorgegebenen minimalen Stroms durch die Induktivität und eines über der mindestens einen Strommessstelle messbaren Stroms veränderbar.
  • Die Tiefsetzsteller-Schaltung kann auch als Abwärtswandler-Schaltung (Englisch „buck converter“ und/oder „step-down converter“) bezeichnet werden.
  • Die Stromversorgung des elektrischen Verbrauchers kann eine Gleichstrom-Versorgung und/oder eine Gleichspannungs-Versorgung umfassen. Zumindest die positive Halbwelle kann der Versorgung mit Gleichstrom und/oder mit Gleichspannung entsprechen.
  • Alternativ oder ergänzend kann die Stromversorgung eine Wechselstrom-Versorgung und/oder eine Wechselspannungs-Versorgung umfassen. Die Wechselstrom-Versorgung und/oder die Wechselspannungs-Versorgung kann die positive Halbwelle und eine negative Halbwelle umfassen.
  • Die Induktivität kann eine Spule und/oder Drossel umfassen.
  • Die Kapazität kann einen Kondensator, insbesondere einen Glättungskondensator, umfassen.
  • Der elektrische Verbraucher kann auch als Last (Englisch: „load“) bezeichnet werden.
  • Die Strommessstelle kann einen Messwiderstand umfassen. Der Messwiderstand kann auch als Strommesswiderstand oder fachsprachlich als „Shunt“ bezeichnet werden. Alternativ oder ergänzend kann die Strommessstelle einen Stromwandler (Englisch: „Current Sense Transformer“) umfassen.
  • Weiterhin alternativ oder ergänzend kann die Strommessstelle einen Hall-Sensor und/oder einen induktiven Stromwandler umfassen.
  • Der leitende Zustand eines jeden Halbleiterschalters kann auch als geschlossen und/oder zu bezeichnet werden. Alternativ oder ergänzend kann der nichtleitende Zustand eines jeden Halbleiterschalters auch als offen bezeichnet werden.
  • Eine Kombination aus einer Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität und der zeitlich direkt nachfolgenden veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität kann als Periode, Tperiode, der Schaltungsanordnung bezeichnet werden.
  • Der vierte Knotenpunkt kann geerdet sein und/oder mit einer Masse verbunden sein.
  • Ausführungsbeispiele der (beispielsweise Tiefsetzsteller-) Schaltungsanordnungen können ein verlustarmes Schalten der, insbesondere ersten und zweiten, Halbleiterschalters ermöglichen, insbesondere auf der Grenze (Englisch: „boundary conduction mode“, kurz: BCM) eines lückenden Betriebs (Englisch: „discontinuous conduction mode“, kurz: DCM) zu einem nicht-lückenden Betrieb (Englisch: „continuous conduction mode“, kurz: CCM). Die Modifizierung einer herkömmlichen (beispielsweise Tiefsetzsteller-)Schaltungsanordnung kann dabei möglichst einfach gehalten sein, insbesondere durch Hinzufügen einer oder mehrerer Strommessstellen (beispielsweise eines oder mehrerer Messwiderstände) an geeigneten (vorzugsweise besonders störungsarmen hinsichtlich eines Bezugspotentials) Stellen im Schaltkreis. Alternativ oder ergänzend können eine oder wenige vereinzelte Strommessungen an der einen oder mehreren Strommessstellen zu bestimmten Zeitpunkten einer Periode zur Bestimmung des/der Umschaltzeitpunkts/e der mindestens zwei Halbleiterschalter ausreichen.
  • Die die Eingangseinheit der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung speisende Stromquelle kann eine Wechselstromquelle umfassen, wobei der erste Pol in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, und wobei der zweite Pol in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung kann ferner einen dritten Halbleiterschalter, der den vierten Knotenpunkt über einen fünften Knotenpunkt mit dem ersten Pol wahlweise leitend verbindet, und einen vierten Halbleiterschalter, der den vierten Knotenpunkt über den fünften Knotenpunkt mit dem zweiten Pol wahlweise leitend verbindet, umfassen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, während der positiven Halbwelle den dritten Halbleiterschalter nicht-leitend und den vierten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, während der negativen Halbwelle den dritten Halbleiterschalter leitend und den vierten Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter leitend und den zweiten Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst eine Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers eine zwischen einem ersten Knotenpunkt und einem zweiten Knotenpunkt geschaltete Induktivität, eine zwischen einem dritten Knotenpunkt und einem vierten Knotenpunkt geschaltete Kapazität, und einen zwischen dem dritten Knotenpunkt und dem vierten Knotenpunkt parallel zur Kapazität geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers. Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung speisenden Stromquelle, wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol, der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol, der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist. Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner einen ersten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den ersten Pol mit dem ersten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden; einen zweiten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den ersten Knotenpunkt und den vierten Knotenpunkt über einen fünften Knotenpunkt und einen sechsten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden; einen dritten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den zweiten Knotenpunkt und den dritten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden; und einen vierten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den zweiten Knotenpunkt und den fünften Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden. Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens eine Strommessstelle, die in einem den vierten Knotenpunkt und den fünften Knotenpunkt umfassend Strompfad und/oder den vierten Halbleiterschalter und den fünften Knotenpunkt umfassenden Strompfad angeordnet ist. Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, in einer Funktion als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung den ersten Halbleiterschalter während einer festgelegten Zeitdauer (ton) einer Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer (toff) einer Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, in der Funktion als Tiefsetzsteller den zweiten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten, und in der Funktion als Tiefsetzsteller den dritten Halbleiterschalter leitend zu schalten und den vierten Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten.
  • Die Steuereinheit ist ferner in einer Funktion als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, zumindest in einer positiven Halbwelle den ersten Halbleiterschalter leitend und den zweiten Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten, wobei die Steuereinheit in der Funktion als Hochsetzsteller ferner dazu ausgebildet ist, den vierten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und in der Funktion als Hochsetzsteller den dritten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten.
  • Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung kann auch als Aufabwärtswandler (Englisch auch: „buck-boost converter“) bezeichnet werden.
  • Die Stromversorgung der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung kann eine Gleichstromquelle und/oder eine Gleichspannungsquelle umfassen. Die positive Halbwelle kann einer positiven Gleichstromquelle und/oder einer positiven Gleichspannungsquelle entsprechen.
  • Alternativ oder ergänzend kann die Stromversorgung der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung eine Wechselstromquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle umfassen. Der Wechselstromquelle und/oder der Wechselspannungsquelle kann die positive Halbwelle und eine negative Halbwelle zugeordnet sein. In der negativen Halbwelle kann der erste Pol dem Minuspol entsprechend und der zweite Pol dem Pluspol.
  • Die die Eingangseinheit der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung speisende Stromquelle kann eine Wechselstromquelle umfassen, wobei der erste Pol in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt. Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung kann ferner einen fünften Halbleiterschalter, der den sechsten Knotenpunkt mit dem ersten Pol wahlweise leitend verbindet, und einen sechsten Halbleiterschalter, der den sechsten Knotenpunkt mit dem zweiten Pol wahlweise leitend verbindet, umfassen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, während der positiven Halbwelle den fünften Halbleiterschalter nicht-leitend und den sechsten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, während der negativen Halbwelle den fünften Halbleiterschalter leitend und den sechsten Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten.
  • Die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Tiefsetzsteller während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, in der Funktion als Tiefsetzsteller während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter leitend und den zweiten Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten.
  • Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, in der Funktion als Hochsetzsteller während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, in der Funktion als Hochsetzsteller in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten.
  • Gemäß einem dritten Aspekt umfasst eine Sperrwandler-Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität, wobei die erste Induktivität und die zweite Induktivität induktiv gekoppelt sind, wobei die erste Induktivität und die zweite Induktivität galvanisch getrennt sind, und wobei die zweite Induktivität an einen ersten Knotenpunkt angeschlossen ist. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine zwischen dem ersten Knotenpunkt und einem zweiten Knotenpunkt geschaltete Kapazität und einen zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt parallel zur Kapazität geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Sperrwandler-Schaltungsanordnung speisenden Stromquelle, wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol, der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol, der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung umfasst ferner einen ersten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, zumindest in der positiven Halbwelle die erste Induktivität mit dem zweiten Pol wahlweise leitend zu verbinden, und einen zweiten Halbleiterschalter, der zwischen dem zweiten Knotenpunkt und der zweiten Induktivität dazu angeordnet ist, die zweite Induktivität und die Kapazität wahlweise leitend zu verbinden. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens eine Strommessstelle, der in einem den ersten Halbleiterschalter und die Stromquelle umfassenden Strompfad und/oder in einem den zweiten Knotenpunkt und zweiten Halbleiterschalter umfassenden Strompfad angeordnet ist. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter während einer festgelegten Zeitdauer (ton) einer Aufmagnetisierungsphase der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer (toff) einer Abmagnetisierungsphase der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität nicht-leitend zu schalten, und den zweiten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten.
  • Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung kann auch als „Flyback converter“ bezeichnet werden.
  • Die Stromversorgung der Sperrwandler-Schaltungsanordnung kann eine Gleichstromquelle und/oder eine Gleichspannungsquelle umfassen. Die positive Halbwelle kann einer positiven Gleichstromquelle und/oder eine positiven Gleichspannungsquelle entsprechen.
  • Alternativ oder ergänzend kann die Stromversorgung der Sperrwandler-Schaltungsanordnung eine Wechselstromquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle umfassen. Der Wechselstromquelle und/oder der Wechselspannungsquelle kann die positive Halbwelle und eine negative Halbwelle zugeordnet sein. In der negativen Halbwelle kann der erste Pol dem Minuspol entsprechend und der zweite Pol dem Pluspol.
  • Die die Eingangseinheit der Sperrwandler-Schaltungsanordnung speisende Stromquelle kann eine Wechselstromquelle umfassen, wobei der erste Pol in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt.
  • Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts mit Wechselstromquelle kann die Sperrwandler-Schaltungsanordnung ferner einen dritten Halbleiterschalter, einen vierten Halbleiterschalter, einen fünften Halbleiterschalter und einen sechsten Halbleiterschalter, wobei der dritte Halbleiterschalter dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität wahlweise mit dem ersten Pol zu verbinden, wobei der vierte Halbleiterschalter dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität wahlweise mit dem zweiten Pol zu verbinden, wobei der fünfte Halbleiterschalter dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter wahlweise mit dem zweiten Pol zu verbinden, und wobei der sechste Halbleiterschalter dazu angeordnet ist, den ersten Halbleiterschalter wahlweise mit dem ersten Pol zu verbinden.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts mit Wechselstromquelle kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, den dritten Halbleiterschalter und den fünften Halbleiterschalter jeweils während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und den dritten Halbleiterschalter und den fünften Halbleiterschalter jeweils während der negativen Halbwelle nicht-leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, den vierten Halbleiterschalter und den sechsten Halbleiterschalter während der positiven Halbwelle jeweils nicht-leitend zu schalten, und den vierten Halbleiterschalter und den sechsten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle jeweils leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der negativen Halbwelle jeweils nicht-leitend zu schalten.
  • Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts mit Wechselstromquelle kann die Sperrwandler-Schaltungsanordnung ferner eine dritte Induktivität und einen dritten Halbleiterschalter umfassen, wobei der dritte Halbleiterschalter dazu ausgebildet ist, die dritte Induktivität wahlweise mit dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt zu verbinden.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts mit Wechselstromquelle kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, den zweiten Halbleiterschalter während der negativen Halbwelle nicht-leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, den dritten Halbleiterschalter während der positiven Halbwelle und während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase zumindest der ersten Induktivität in der negativen Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase zumindest der ersten Induktivität der negativen Halbwelle leitend zu schalten.
  • Die Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase kann für jede der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen in Abhängigkeit von einem maximalen Strom durch die Induktivität konstant sein, beispielsweise für eine Betriebsdauer der (beispielsweise Tiefsetzsteller-) Schaltungsanordnung, für einen elektrischen Verbraucher und/oder für einen Arbeitspunkt der jeweiligen (beispielsweise Tiefsetzsteller-) Schaltungsanordnung festgelegt sein.
  • Alternativ oder ergänzend können toff, toffset, toff + toffset und/oder ein minimaler Strom durch die Induktivitäten der Schaltungsanordnungen von Toleranzen einzelner Bauteile und/oder Verzögerungen in Treibern abhängen.
  • Einer oder jeder der Halbleiterschalter einer oder jeder Schaltungsanordnung kann einen MOSFET, insbesondere einen n-Kanal-MOSFET, einen bipolaren Transistor, einen Thyristor und/oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) umfassen.
  • Die Steuereinheit einer oder jeder Schaltungsanordnung kann ferner dazu ausgebildet sein, die Schaltungsanordnung in einem nicht-lückenden Betrieb (CCM), einem lückenden Betrieb (DCM), und/oder auf einer Grenze zwischen dem nicht-lückenden und lückenden Betrieb (BCM) zu betreiben.
  • Der CCM kann eine Durchschnittsstrom-Regelung umfassen.
  • Die mindestens eine Strommessstelle einer oder jeder Schaltungsanordnung kann mindestens einen Messwiderstand umfassen.
  • Die mindestens eine Strommessstelle einer oder jeder Schaltungsanordnung kann im Strompfad des ersten Halbleiterschalters angeordnet sein, die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, mindestens einen Stromwert während der Aufmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle und/oder in der negativen Halbwelle über der mindestens einen Strommessstelle zu messen.
  • Der mindestens eine Stromwert kann genau einen Stromwert zu einem festgelegten Zeitpunkt der Aufmagnetisierungsphase umfassen, vorzugsweise zu Beginn der Aufmagnetisierungsphase und/oder in der Nähe eines Umschaltzeitpunkts vom nicht-leitenden zum leitenden Zustand des ersten Halbleiterschalters.
  • Alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Strommessstelle einer oder jeder Schaltungsanordnung im Strompfad des zweiten Halbleiterschalters angeordnet sein. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, mindestens einen Stromwert während der Abmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle und/oder in der negativen Halbwelle über der mindestens einen Strommessstelle zu messen.
  • Alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Strommessstelle zwei Strommessstellen, jeweils eine im Strompfad des ersten Halbleiterschalters (S1) und einen im Strompfad des zweiten Halbleiterschalters (S2) beschrieben umfassen.
  • Die Steuereinheit einer oder jeder Schaltungsanordnung kann ferner dazu ausgebildet sein, mindestens einen oder jeden Halbleiterschalter in einem spannungslosen Zustand und/oder in einem stromlosen Zustand der Induktivität leitend zu schalten.
  • Der spannungslose Zustand wird auf Englisch auch als „zero voltage switching“ (kurz: ZVS) bezeichnet. Alternativ oder ergänzend wird der stromlose Zustand auf Englisch auch als „zero current switching“ (kurz: ZCS) bezeichnet.
  • Die Steuereinheit einer oder jeder Schaltungsanordnung kann einen Digitalen Signalprozessor (DSP), einen Mikrokontroller mit Steuersoftware, einen Field Programmable Gate Array (FPGA), und/oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) umfassen. Die Anwendungsspezifische integrierte Schaltung wird auf Englisch auch als „application-specific integrated circuit“ (kurz: ASIC) bezeichnet.
  • Gemäß einem vierten Aspekt ist ein Verfahren zur Steuerung der Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung während einer Aufmagnetisierungsphase und einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivität bereitgestellt. Das Verfahren kann mittels einer Schaltungsanordnung gemäß dem ersten, zweiten und/oder dritten Aspekt ausgeführt werden.
  • Das Verfahren umfasst den Schritt des Messens eines Stromwerts über mindestens einer Strommessstelle einer der Schaltungsanordnungen des ersten, zweiten und/oder dritten Aspekts, wobei der Stromwert während eines festgelegten Zeitpunkts einer Periode, die eine festgelegte Zeitdauer (ton) einer Aufmagnetisierungsphase und eine veränderbare Zeitdauer (toff) einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivität umfasst, gemessen wird. Die festgelegte Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität ist in Abhängigkeit von einem vorgegebenen maximalen Strom durch die Induktivität festgelegt. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Vergleichens des gemessenen Stromwerts mit einem für den Zeitpunkt der Messung festgelegten Referenzstromwert. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Veränderns der veränderbaren Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase der Induktivität in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichens des gemessenen Stromwerts mit dem Referenzstromwert.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein erstes schematisches Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter und einer Diode;
    • 2 einen idealisierten Stromverlauf durch die Induktivität und einen idealisierten Spannungsverlauf über dem Halbleiterschalter der herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der 1;
    • 3 einen idealisierten Stromverlauf durch die Induktivität und einen idealisierten Spannungsverlauf über einem Halbleiterschalter der herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der nachfolgenden 4;
    • 4 ein zweites schematisches Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit zwei Halbleiterschaltern;
    • 5 ein drittes schematisches Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit zwei Halbleiterschaltern;
    • 6 idealisierte Stromverläufe durch die Induktivität und idealisierte Spannungsverläufe über einem Halbleiterschalter der herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der 5;
    • 7A und 7B ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Gleichstromquelle während einer Aufmagnetisierungsphase bzw. einer Abmagnetisierungsphase, wobei die erfindungsgemäße Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung zwei Halbleiterschalter und mindestens einem Messwiderstand umfasst;
    • 8A bis 8D ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Wechselstromquelle während einer positiven Halbwelle (8A und 8B) und während einer negativen Halbwelle (8C und 8D) und jeweils einer Auf- und Abmagnetisierungsphase, wobei die erfindungsgemäße Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung vier Halbleiterschalter und mindestens einen Messwiderstand umfasst;
    • 9A bis 9H ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Wechselstromquelle im Einsatz als Hochsetzsteller (9A bis 9D) und als Tiefsetzsteller (9E bis 9H), wobei die erfindungsgemäße Hochtiefsetzsteller- Schaltungsanordnung sechs Halbleiterschalter und mindestens einen Messwiderstand umfasst;
    • 10A und 10B ein schematisches erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sperrwandler-Schaltungsanordnung mit Wechselstromquelle während einer positiven Halbwelle (10A) und während einer negativen Halbwelle (10B) und jeweils einer Auf- und Abmagnetisierungsphase, wobei die erfindungsgemäße Sperrwandler-Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel fünf Halbleiterschalter im Stromkreis einer ersten Induktivität und einen Halbleiterschalter im Stromkreis einer zweiten Induktivität umfasst sowie mindestens einen Messwiderstand in einem der beiden Stromkreise;
    • 11A und 11B ein schematisches zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sperrwandler-Schaltungsanordnung mit Wechselstromquelle während einer positiven Halbwelle (10A) und während einer negativen Halbwelle (10B) und jeweils einer Auf- und Abmagnetisierungsphase, wobei die erfindungsgemäße Sperrwandler-Schaltungsanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mindestens einen Halbleiterschalter im Stromkreis einer ersten Induktivität und je einen Halbleiterschalter im Stromkreis einer zweiten und dritten Induktivität umfassen sowie mindestens einen Messwiderstand in einem der Stromkreise.
    • 12 einen beispielhaften Stromverlauf für die Induktivität und die beiden Halbleiterschalter der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der 7A und 7B, wobei die Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase aufgrund eines unteren Referenzstroms veränderbar ist; und
    • 13 ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung der Halbleiterschalter der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der 7A und 7B.
  • In den folgenden Ausführungsbeispielen wird als mindestens eine Strommessstelle jeweils mindestens ein Messwiderstand verwendet. Jedes der Ausführungsbeispiele kann alternativ oder ergänzend auch jedes andere Beispiel einer Strommessstelle (beispielsweise einen Hall-Sensor) verwenden.
  • Die 7A und 7B zeigen eine erfindungsgemäße Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100, die an eine Gleichstromquelle mit Pluspol 102-1 und Minuspol 102-2 angeschlossen ist. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 umfasst einen ersten Halbleiterschalter (S1) 112, der während einer Aufmagnetisierungsphase 140, gezeigt in 7A, einer Induktivität 104 leitend und während einer Abmagnetisierungsphase 142, gezeigt in 7B, der Induktivität 104 nicht-leitend ist. Über einen ersten Knotenpunkt 122 ist ein zweiter Halbleiterschalter (S2) 114 mit der Induktivität 104 elektrisch leitend verbindbar während der Abmagnetisierungsphase 104.
  • Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 7A und 7B kann wie folgt zusammengefasst werden:
    Tiefsetzsteller, positive Gleichstromquelle, Schalterstellungen
    Halbleiterschalter S1 S2
    Aufmagnetisierungsphase Leitend Nicht-Leitend
    Abmagnetisierungsphase Nicht-Leitend Leitend
  • Die Induktivität 104 ist über einen zweiten Knotenpunkt 124 mit einem elektrischen Verbraucher 108 und einer zum elektrischen Verbraucher 108 bis zu einem dritten Knotenpunkt 126 parallel geschalteten Kapazität 106 elektrisch leitend verbunden. Über einem vierten Knotenpunkt 128 sind er elektrische Verbraucher 108 und die Kapazität 106 wahlweise mit dem zweiten Halbleiterschalter (S2) 114 und dem Minuspol 102-2 der Gleichstromquelle verbindbar.
  • Die Schaltung der beiden Halbleiterschalter 112; 114 wird von einer Steuereinheit 150 in Abhängigkeit von einem gemessenen Stromwert gesteuert. Der Stromwert wird wahlweise über einem ersten Messwiderstand 110-1 oder einem zweiten Messwiderstand 110-2 gemessen. Über dem ersten Messwiderstand 110-1 kann der Stromwert wahlweise während der Aufmagnetisierungsphase 140 und der Abmagnetisierungsphase 142 gemessen werden. Über dem zweiten Messwiderstand 110-2 kann der Stromwert nur während der Aufmagnetisierungsphase 140 gemessen werden.
  • Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 7A und 7B kann wahlweise nur den ersten Messwiderstand 110-1 oder den zweiten Messwiderstand 110-2 umfassen.
  • 8A, 8B, 8C und 8D zeigen eine erfindungsgemäße Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100, die an eine Wechselstromquelle mit erstem Pol 102-1 und zweitem Pol 102-2 angeschlossen ist. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 8A bis 8D umfasst alle Elemente der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 7A und 7B, und der erste Halbleiterschalter (S1) 112 und der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 sind während einer positiven Halbwelle entsprechend schaltbar.
  • Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 8A bis 8D umfasst zwei weitere Halbleiterschalter (S3) 116 und (S4) 118, die als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter, der Wechselstromquelle fungieren.
  • In 8A und 8B sind während einer positiven Halbwelle die Strompfade während der Aufmagnetisierungsphase 140 der Induktivität 104 und während der Abmagnetisierungsphase 142 der Induktivität 104 gezeigt.
  • In 8C und 8D sind während einer negativen Halbwelle die Strompfade der Aufmagnetisierungsphase 144 der Induktivität 104 und während der Abmagnetisierungsphase 146 der Induktivität 104 gezeigt.
  • Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 8A bis 8D kann wie folgt zusammengefasst werden:
    Tiefsetzsteller, Wechselstromquelle, Schalterstellungen
    Halbwelle Magnet.-phase S1 S2 S3 S4
    positiv Auf Leitend Nicht-Leitend Nicht-Leitend Leitend
    Ab Nicht-Leitend Leitend
    negativ Auf Nicht-Leitend Leitend Leitend Nicht-Leitend
    Ab Leitend Nicht-Leitend
  • Der Messwiderstand 110-1 führt in jeder Halbwelle und jeder Magnetisierungsphase 140; 142; 144; 146 Strom. Der Messwiderstand 110-2 führt jeweils nur in der Aufmagnetisierungsphase 140; 144 jeder Halbwelle Strom. Ein dritter Messwiderstand 110-3 der an die Wechselstromquelle angeordneten Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 führt nur Strom, wenn der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 leitend geschaltet ist, also in der Abmagnetisierungsphase 142 der positiven Halbwelle und in der Aufmagnetisierungsphase 144 der negativen Halbwelle.
  • Die Schaltung der vier Halbleiterschalter 112; 114; 116; 118 wird von einer (nicht gezeigten) Steuereinheit in Abhängigkeit von einem gemessenen Stromwert über mindestens einem der Messwiderstände 110-1; 110-2; 110-3 gesteuert.
  • Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 8A bis 8D kann wahlweise nur den ersten Messwiderstand 110-1, nur den zweiten Messwiderstand 110-2, nur den dritten Messwiderstand 110-3, oder eine Teilmenge von zwei der drei Messwiderstände 110-1; 110-2; 110-3 umfassen.
  • 9A bis 9H zeigen eine Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200, die an einen ersten Pol 102-1 und einen zweiten Pol 102-2 einer Wechselstromquelle angeschlossen ist. Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 umfasst sechs Halbleiterschalter (S1; S2; S3; S4; S5; S6) 112; 114; 116; 118; 202; 204, die über mehrere Knotenpunkte 122; 124; 126; 128; 130; 132 wahlweise mit der Induktivität 104, der Wechselstromquelle, und dem elektrischen Verbraucher 108 und parallel geschalteter Kapazität 106 elektrisch leitend verbunden werden können.
  • In 9A bis 9D sind die Stromverläufe für den Einsatz der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 als Hochsetzsteller während der Aufmagnetisierungsphase 140 und der Abmagnetisierungsphase 142 in der positiven Halbwelle und während der Aufmagnetisierungsphase 144 und der Abmagnetisierungsphase 146 in der negativen Halbwelle gezeigt.
  • Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 der 9A bis 9D als Hochsetzsteller kann wie folgt zusammengefasst werden:
    Hochtiefsetzsteller als Hochsetzsteller, Wechselstromquelle, Schalterstellungen
    Halbwelle Magnet.phase S1 S2 S3 S4 S5 S6
    positiv Auf Leitend Nicht-Leitend Nicht-Leitend Leitend Nicht-Leitend Leitend
    Ab Leitend Nicht-leitend
    negativ Auf Nicht-Leitend Leitend Nicht-Leitend Leitend Leitend Nicht-Leitend
    Ab Leitend Nicht-Leitend
  • Im Einsatz als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 dienen somit der dritte Halbleiterschalter (S3) 116 und der vierte Halbleiterschalter (S4) 118 zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140; 144 und Abmagnetisierungsphase 142; 146. Die ersten, zweiten, fünften und sechsten Hableiterschalter (S1) 112, (S2) 114, (S5) 202 und (S6) 204 dienen beim Einsatz als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter zum Umschalten zwischen positiver und negativer Halbwelle.
  • Im Einsatz als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 fließt in jeder Aufmagnetisierungsphase 140; 144 durch den ersten Messwiderstand 110-1 Strom, und in jeder Abmagnetisierungsphase 142; 146 durch den zweiten Messwiderstand 110-2 Strom.
  • In 9E bis 9H sind die Stromverläufe für den Einsatz der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 als Tiefsetzsteller während der Aufmagnetisierungsphase 140 und der Abmagnetisierungsphase 142 in der positiven Halbwelle und während der Aufmagnetisierungsphase 144 und der Abmagnetisierungsphase 146 in der negativen Halbwelle gezeigt.
  • Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 der 9E bis 9H als Tiefsetzsteller kann wie folgt zusammengefasst werden:
    Hochtiefsetzsteller als Tiefsetzsteller, Wechselstromquelle, Schalterstellungen
    Halbwelle Magnet.phase S1 S2 S3 S4 S5 S6
    positiv Auf Leitend Nicht-leitend Leitend Nicht-Leitend Nicht-Leitend Leitend
    Ab Nicht-leitend Leitend
    negativ Auf Nicht-Leitend Leitend Leitend Nicht-Leitend
    Ab Leitend Nicht-Leitend
  • Im Einsatz als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 dienen somit der erste Halbleiterschalter (S1) 112 und der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140; 144 und Abmagnetisierungsphase 142; 146. Die fünften und sechsten Halbleiterschalter (S5) 202 und (S6) 204 dienen beim Einsatz als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter zum Umschalten zwischen positiver und negativer Halbwelle.
  • Im Einsatz als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 fließt in jeder Aufmagnetisierungsphase 140; 144 und jeder Abmagnetisierungsphase 142; 146 Strom durch den zweiten Messwiderstand 110-2.
  • Die beiden Messwiderstände 110-1; 110-2 sind nur beispielhaft gezeigt. Analog zur an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Tiefsetzsteller-Anordnung 100 der 8A bis 8D können weitere Messwiderstände an anderen Stellen im Schaltbild vorgesehen sein.
  • Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 mit Anschluss an eine Wechselstromquelle kann durch Beschränkung auf eine (beispielsweise die positive) Halbwelle als Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 mit Anschluss an eine Gleichstromquelle gelesen werden, in der der fünfte und sechste Halbleiterschalter (S5) 202 und (S6) 204 durch eine galvanische Trennung und eine leitende Verbindung ersetzt werden für die Wahl der positiven Halbwelle bzw. andersherum für die Wahl der negativen Halbwelle.
  • 10A und 10B zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 mit Anschluss an eine Wechselstromquelle während der positiven bzw. negativen Halbwelle. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 umfasst zwei Stromkreise, die über eine erste Induktivität 104 und eine zweite Induktivität 302 induktiv gekoppelt sind. Die erste Induktivität 104 ist wahlweise über einen ersten Halbleiterschalter (S1) 112 an die Pole 102-1; 102-2 der Wechselstromquelle angeschlossen.
  • Die zweite Induktivität 302 ist im ersten Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 wahlweise über einen zweiten Halbleiterschalter (S2) 114 an einen elektrischen Verbraucher 108 und eine parallel geschaltete Kapazität 106 angeschlossen.
  • Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für das erste Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 der 10A und 10B kann wie folgt zusammengefasst werden:
    Sperrwandler (1. Ausführungsbsp.), Wechselstromquelle, Schalterstellungen
    Halbwelle Magnet.phase S1 S2 S3 S4 S5 S6
    positiv Auf Leitend Nicht-leitend Leitend Nicht-Leitend Leitend Nicht-Leitend
    Ab Nicht-leitend Leitend Nicht-Leitend Nicht-Leitend
    negativ Auf Leitend Nicht-Leitend Nicht-Leitend Leitend Nicht-Leitend Leitend
    Ab Nicht-Leitend Leitend Nicht-Leitend Nicht-Leitend
  • Im ersten Ausführungsbeispiel dienen somit der erste Halbleiterschalter (S1) 112 und der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140; 144 (Stromfluss jeweils im linken Stromkreis der 10A und 10B) und Abmagnetisierungsphase 142; 146 (Stromfluss jeweils im rechten Stromkreis der 10A und 10B).
  • Die vier weiteren Halbleiterschalter (S3) 116, (S4) 118, (S5) 202 und (S6) 204 wirken im ersten Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 gemeinsam als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter.
  • In dem ersten Ausführungsbeispiel der 10A und 10B der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 fließt durch den ersten Messwiderstand 110-1 im Stromkreis der ersten Induktivität 104 und der Wechselstromquelle während jeder Aufmagnetisierungsphase 140; 144 Strom. Während jeder Abmagnetisierungsphase 142; 146 fließt durch den zweiten Messwiderstand 1102-2 im Stromkreis der zweiten Induktivität 302, des elektrischen Verbrauchers 108 und der Kapazität 106 Strom.
  • 11A und 11 B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 mit Anschluss an eine Wechselstromquelle während der positiven bzw. negativen Halbwelle. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 umfasst zwei Stromkreise, die über eine erste Induktivität 104 und eine zweite Induktivität 302 bzw. eine dritte Induktivität 304 induktiv gekoppelt sind. Die erste Induktivität 104 ist wahlweise über einen ersten Halbleiterschalter (S1) 112 an die Pole 102-1; 102-2 der Wechselstromquelle angeschlossen.
  • Die zweite Induktivität 302 ist wahlweise über einen zweiten Halbleiterschalter (S2) 114 und die dritte Induktivität 304 ist wahlweise über einen dritten Halbleiterschalter (S3) 116 im zweiten Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 an einen elektrischen Verbraucher 108 und eine parallel geschaltete Kapazität 106 angeschlossen.
  • Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für das zweite Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 der 11A und 11 B kann wie folgt zusammengefasst werden:
    Sperrwandler (2. Ausführungsbsp.), Wechselstromquelle, Schalterstellungen
    Halbwelle Magnet.-phase S1 S2 S3
    positiv Auf Leitend Nicht-Leitend Nicht-Leitend
    Ab Nicht-leitend Leitend
    negativ Auf Leitend Nicht-Leitend Nicht-Leitend
    Ab Nicht-Leitend Leitend
  • Im ersten Ausführungsbeispiel dient somit der erste Halbleiterschalter (S1) 112 zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140; 144 (Stromfluss jeweils im linken Stromkreis der 11A und 11B in der positiven bzw. negativen Halbwelle). Der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 dient zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140 und Abmagnetisierungsphase 142 während der positiven Halbwelle (Stromfluss im rechten Stromkreis der 11A). Der dritte Halbleiterschalter (S3) 116 dient zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 144 und Abmagnetisierungsphase 146 während der negativen Halbwelle (Stromfluss im rechten Stromkreis der 11B).
  • Im zweiten Ausführungsbeispiel der 11A und 11B fließt durch die erste Induktivität 104 Wechselstrom, und die wahlweise leitende Schaltung der zweiten Induktivität 302 und dritten Induktivität 304 wirkt als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter.
  • In dem zweiten Ausführungsbeispiel der 11A und 11 B der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 fließt durch den ersten Messwiderstand 110-1 im Stromkreis der ersten Induktivität 104 und der Wechselstromquelle während jeder Aufmagnetisierungsphase 140; 144 Strom. Während jeder Abmagnetisierungsphase 142; 146 fließt durch den zweiten Messwiderstand 1102-2 im Stromkreis der zweiten Induktivität 302 während der positiven Halbwelle bzw. der dritten Induktivität 304 während der negativen Halbwelle, des elektrischen Verbrauchers 108 und der Kapazität 106 Strom.
  • Eine Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 mit Anschluss an eine Gleichstromquelle kann entsprechend der Wahl einer Halbwelle des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels gewählt werden, indem beispielsweise jeweils der erste Halbleiterschalter (S1) 112 und der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 zum Umschalten zwischen den Magnetisierungsphasen dienen. Der weitere Halbleiterschalter (S3) 116, sowie im ersten Ausführungsbeispiel die weiteren Halbleiterschalter (S4) 118, (S5) 202 und (S6) 204 können jeweils durch eine festgelegte Schaltungsanordnung ersetzt werden, zum Beispiel gemäß der Schaltung in der positiven Halbwelle der obenstehenden Tabellen.
  • Im Folgenden wird ein je Ausführungsbeispiel anhand der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnungen 100 mit Gleichstromquelle gemäß 7A und 7B sowie mit Wechselstromquelle gemäß 8A bis 8D beschrieben.
  • In dem Ausführungsbeispiel wird die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 an der Grenzlücke (Englisch: „Boundary Conduction Mode“, kurz: „BCM“) betreiben. Die Zeit ton zum Aufmagnetisieren der Induktivität (L) 104 wird proportional zur Leistung gehalten und wird von einem Spannungsregler vorgegeben, der die Ausgangsspannung der Schaltung, beispielsweise über dem elektrischen Verbraucher 108, konstant halten soll.
  • Die Zeit toff zum Abmagnetisieren der Induktivität (L) 104 wird in dem Ausführungsbeispiel der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 eingestellt. Beispielsweise wird ein verschwindendes Stromsignal (Englisch: „Zero Current Detection“, kurz: ZCD) erzeugt, das herkömmlicherweise durch den Umladevorgang einer Diode 12 hervorgerufen wird.
  • In einer Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 (auch: Tiefsetzsteller-Topologie), in der die Funktion der Diode 12 durch einen Halbleiterschalter 114 realisiert wird, kann ZCD jedoch nicht ohne eine Steuerung 150 erzeugt werden, da der Halbleiterschalter 114 nicht von selbst sperrt.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Zeitpunkt, an dem der zweite Halbleiterschalter 114 abschalten soll, im Voraus (beispielsweise vor Ablauf einer veränderbaren Zeitdauer toff der Abmagnetisierungsphase, an deren Ende der zweite Halbleiterschalter 114 abgeschaltet wird) bestimmt (beispielsweise berechnet) und die Bestimmung (beispielsweise Berechnung) durch ein Messen und/oder Steuern (insbesondere Regeln) des Stroms, insbesondere mittels eines Messwiderstands 110-1, 110-2 oder 110-3 zu einem festgelegten Zeitpunkt innerhalb einer Periode aus je einer Auf- und Abmagnetisierungsphase, korrigiert.
  • Die Zeitdauer toff der Abmagnetisierungsphase, in der der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite geschlossen ist, wird herkömmlicherweise nach Formel (2) bestimmt.
  • Die herkömmliche Bestimmung kann durch Toleranzen und anderer Faktoren wie Verzögerungen in Treibern zu einer Abweichung eines tatsächlichen Stromwert in der Induktivität (L) 104 gegenüber einem vorgegebenen Stromwert einer idealen verlustfreien Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 führen. Somit wird geprüft werden, welcher tatsächliche Stromwert in der Induktivität (L) 104 am Ende der Abmagnetisierungsphase erreicht wurde.
  • Die erforderliche Information des Stroms kann beispielsweise aus dem Strompfad des Halbleiterschalters (S2) 114 der 7A und 7B herangezogen werden. Mit Hilfe des Messwiderstandes 110-1 lässt sich eine Messspannung erzeugen, die proportional zum Storm durch den Halbleiterschalter 114 ist.
  • Alternativ oder ergänzend kann mittels des Messwiderstands (beispielsweise als „Shunt R1“ bezeichnet in 7A und 7B) 110-2 im Strompfad des ersten Halbleiterschalters (S1) 112 ein Stromwert während der Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität 104 gemessen werden. Im Ausführungsbeispiel der 7A ist der Halbleiterschalter (S1) 112 während der Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase an eine positive Eingangsspannung Vin mit Pluspol 102-1 und Minuspol 102-2 angeschlossen.
  • Die Anordnung des ersten Messwiderstands 110-1 und/oder des zweiten Messwiderstands 110-2 zwischen dem elektrischen Verbraucher 108 und dem Minuspol 102-2 und/oder nahe einer am Knotenpunkt 128 angeschlossenen Erdung kann auch als Anordnung im „Low Side Pfad“ bezeichnet werden.
  • 12 zeigt beispielhaft einen gemessenen Stromverlauf durch die Induktivität 104 der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 7A und 7B bei positiver Eingangsspannung Vin mit zeitlichem Regelverlauf umfassend die festgelegte Zeitdauer (ton) 1202 der Aufmagnetisierungsphase, veränderbare Zeitdauer (toff) 1204-1; 1204-2; 1204-3 der Abmagnetisierungsphase und der resultierenden Periode (Tperiode) 1206-1; 1206-2; 1206-3 sowie eine entsprechende Änderung (toffset) 1208 (auch: Ausregelzeit, Zeitkorrektur und/oder Stellglied eines Stromreglers zur Korrektur der Stromgrenze) der veränderbaren Zeitdauern.
  • Die notwendige Information, um die untere Stromschwelle 1214 ausregeln zu können, ist in dem Strom durch einen Messwiderstand enthalten, beispielsweise Messwiderstand 110-2 im Strompfad des ersten Halbleiterschalters 112 der 7A. Der Strom 1210 fließt während der Aufmagnetisierungsphase (ton) 1202 durch den ersten Halbleiterschalter 112. Der Strom 1214 zum Zeitpunkt am Anfang der Aufmagnetisierungsphase soll konstant auf einem (beispielsweise negativen) Referenzwert (IRef) 1218 gehalten werden. Daher ist es beispielsweise günstig, den Strom 1210 möglichst in der Nähe des Umschaltzeitpunktes von der Abmagnetisierungsphase zur Aufmagnetisierungsphase zu messen.
  • Die durchgezogene Linie Ib am Bezugszeichen 1210 bezeichnet den Strom durch den ersten Halbleiterschalter 112, der in der Aufmagnetisierungsphase (ton) 1202 mit dem Strom durch die Induktivität (L) 104 übereinstimmt. Während der Abmagnetisierungsphase 1204-1; 1204-2; 1204-3 fließt der Strom IL am Bezugszeichen 1212 durch die Induktivität (L) 104 und den zweiten Halbleiterschalter 114.
  • Ierr (t-1) am Bezugszeichen 1216-1 bezeichnet den gemessenen Stromfehler zwei Schaltzyklen zurückliegend, und Ierr am Bezugszeichen 1216-2 den zuletzt gemessenen Stromfehler.
  • Der gemessene (auch eingelesene) Stromwert 1214 wird in die Steuerung 150, beispielsweise einen DSP oder Mikrokontroller eingespeist zur Bestimmung der Zeitdauer toff der Abmagnetisierungsphase und/oder der Periodendauer Tperiode.
  • 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Steuerung der Halbleiterschalter 112; 114 der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 7A und 7B während einer Aufmagnetisierungsphase und einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivität 104.
  • Das Verfahren kann von der Steuereinheit 150, beispielsweise umfassend einen DSP und/oder Mikrokontroller, ausgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren als Regelstruktur bezeichnet werden.
  • Mit Hilfe der Steuereinheit 150, beispielsweise eines DSPs, wird aus den Informationen zur Eingangsspannung (Vin) 1302 und Ausgangsspannung (Vout) 1304, die an Bezugszeichen 1312 mit einer Referenzausgangsspannung (Vout_ref) 1306 verglichen wird, und eines (beispielsweise Proportional-Integral-)Reglers 1318, der die Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase stellt oder bestimmt, eine Periode Tperiode vorberechnet (beispielsweise am Bezugszeichen 1316 und/oder gemäß Formel (2) addiert mit ton), mit welcher der Strom IL durch die Induktivität 104 die untere Stromschwelle 1218 erreichen müsste.
  • Nach Beenden der Periode sind beide Halbleiterschalter 112 und 114 aus, und kurze Zeit später wird der erste Halbleiterschalter (S1) 112 wieder eingeschaltet. Der Messwiderstand 110-2 (auch: Shunt R1) ist stromführend, und direkt nach dem Schalten des ersten Halbleiterschalters (S1) 112 wird der Stromwert 1214 gemessen. Weicht der gemessene Stromwert 1214 am Referenzzeichen 1314 vom Referenzstromwert 1218 ab, so stellt ein Stromregler (auch: „Ibulk-Regler“ oder kurz „Ib Regler“) 1320 eine Abweichung toffset ein, die bei Bezugszeichen 1322 auf die bisher berechnete Periode addiert wird. Die Zeitdauer Tperiode einer Periode bei Bezugszeichen 1322 und die Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase bei Bezugszeichen 1324 werden bei Bezugszeichen 1326 einer Pulswellenmodulation (Englisch: „pulse width modulation“, kurz: PWM) zugeführt, welche die Halbleiterschalter (beispielsweise 112 und 114 im Ausführungsbeispiel der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der 7A und 7B), insbesondere hochfrequent, steuert.
  • So nähert sich der Stromwert 1214 im Messzeitpunkt der nächsten Periode (auch: im nächsten Puls) dem Referenzstromwert 1218 an. Der Stromregler 1320 gleicht den Strom 1214 im Messpunkt dem Referenzstrom 1218 an. Als Referenzstromwert 1218 wird beispielsweise gemäß 12 der untere Grenzwert des (beispielsweise dreieckförmigen) Drosselstromes IL 1210; 1212 verwendet.
  • Der vorstehende beschriebene Zeitpunkt der Messung des Stromwerts 1214 ist lediglich beispielhaft. Das Verfahren kann an jedem anderen Punkt einer Stromflanke, beispielsweise der Stromflanke 1210, ausgeführt werden, indem eine Bestimmung des Referenzstromwerts 1218 angepasst wird.
  • Mittels einer anderen Wahl des Referenzstromwerts kann beispielsweise ein Durchschnittsstrom (Englisch: „Average Current“) geregelt werden. Beispielsweise kann die Tiefsetzer-Schaltungsanordnung 100 bei einem Durchschnittsstrom als Referenzstrom im nicht-lückenden Betrieb (CCM) betrieben werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann, beispielsweise unter Einsatz eines Stromwandlers und/oder durch Umlegen des Bezugspotenzials, beispielsweise der am Knotenpunkt 128 in 7A und 7B gezeigten Erdung, eine Strommessung durch den zweiten Halbleiterschalter (S2) 114 verwendet werden, beispielsweise als Eingangswert 1214 im Verfahren der 13.
  • Beispielsweise kann an dem Messwiderstand 110-1 (auch Shunt R3) der (beispielsweise dreieckförmige) Strom 1210; 1212 durch die Induktivität 104 gemessen werden. Durch eine dauerhafte Stromführung, insbesondere sowohl in der Aufmagnetisierungsphase als auch der Abmagnetisierungsphase in 7A bzw. 7B, können Verwendung des Messwiderstands 110-1 höhere Verluste eintreten als bei der Verwendung des Messwiderstands 110-2, der nur in der Aufmagnetisierungsphase der 7A stromführend ist.
  • 8A bis 8D zeigen eine Verallgemeinerung der Tiefsetzsteller-Schaltung 100 für eine Wechselstromquelle, die auch als „Buck-Converter als Bridgeless PFC Topologie“ bezeichnet werden kann.
  • In der in 8A und 8B gezeigten positiven Halbwelle können entsprechend der Tiefsetzsteller-Schaltung 100 der 7A und 7B Stromwerte wahlweise über den Messwiderstand 110-2 während der Aufmagnetisierungsphase 140 oder durch den Messwiderstand 110-1 während der ganzen Periode gemessen werden. Alternativ oder ergänzend können ein oder mehrere Stromwerte während der Abmagnetisierungsphase 142 an einem Messwiderstand 110-3 im Strompfad des zweiten Halbleiterschalters (S2) 114, oder über (nicht gezeigte) Stromwandler in den Strompfaden des ersten Halbleiterschalters (S1) 112 und/oder des zweiten Halbleiterschalters (S2) 114, gemessen werden.
  • Die Halbleiterschalter (S3) 116 und (S4) 118 in 8A bis 8D dienen als Polwender und werden je nach Polarität der Eingangsspannung im Wechsel voneinander eingeschaltet.
  • Bei positiver Eingangsspannung wird der vierte Halbleiterschalter (S4) 118 eingeschaltet, und die Regelung und Funktionalität der Halbleiterschalter (S1) 112 und (S2) 114 verhält sich wie für die positive Gleichstromquelle beschrieben.
  • Bei negativer Eingangsspannung wird der vierte Halbleiterschalter (S4) 118 ausgeschaltet, und der dritte Halbleiterschalter (S3) 116 ist eingeschaltet. Nun wird der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 eingeschaltet, um die Induktivität 114 bei Bezugszeichen 144 aufmagnetisieren zu können, und der Halbleiterschalter (S1) 112 wird eingeschaltet für die Abmagnetisierungsphase 146.
  • Die Stromrichtung durch den Messwiderstand 110-2 (auch: Shunt R1) ist bei negativer Eingangsspannung gegenüber der Stromrichtung bei positiver Eingangsspannung umgekehrt. Ein festgelegter Zeitpunkt der Messung muss sich in diesem Fall (beispielsweise im Vergleich zu einer positiven Gleichstromquelle) nicht ändern. Der Strom, der durch den Messwiderstand 110-2 (auch: Shunt R1) gemessen wird, zeigt den Strom durch die Induktivität während der Aufmagnetisierungsphase 140 der positiven Halbwelle in 8A und/oder der Aufmagnetisierungsphase 144 der negativen Halbwelle in 8C.
  • Ein Bezugspotenzial (Englisch: „ground“, kurz: GND) kann in der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der 8A bis 8D auf den negativen Kontakt zur Versorgungsspannung gelegt werden, was beispielsweise den Neutralleiter beschreiben kann.
  • Um das üblicherweise störungsärmere Potenzial des Messwiderstands 110-1 (auch: Shunt R3) und der Kapazität 106 zu verwenden, kann auch die Strominformation über den Messwiderstand 110-1 (auch: Shunt R3) herangezogen werden. Ein möglicher Nachteil der Strommessung über dem Messwiderstand 110-1 ist, dass die vier Halbleiterschalter (S1, S2, S3 und S4) 112, 114, 116 und 118 alle potenzialgetrennt angesteuert werden müssen. Daher ist der Schaltungsaufwand bei dem dargestellten Bezugspotenzial nahe dem Messwiderstand 110-3 (auch: Shunt R4) geringer.
  • Im Falle einer Nutzung der Strominformation des Messwiderstands 110-3 (auch Shunt R4) ist der Zeitpunkt der Messung von der Polarität abhängig. Der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 führt bei positiver Eingangsspannung den Abmagnetisierungsstrom 142 und bei negativer Eingangsspannung den Aufmagnetisierungsstrom 144. Die Stromrichtung durch den Messwiderstand 110-3 (auch: Shunt R4) ist von der Polarität der Versorgungsspannung unabhängig.
  • Das Verfahren zur Steuerung der Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung während einer Aufmagnetisierungsphase und einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivität 104 kann für weitere Schaltungsanordnungen, beispielsweise den Hochtiefsetzsteller- und Sperrwandler-Schaltungsanordnungen 200 bzw. 300 der 9A bis 9H, 10A und 10B sowie 11A und 11B, eingesetzt werden.
  • Für jede Schaltungsanordnung 100; 200; 200 kann mittels des Verfahrens eine veränderbare Zeitdauer, beispielsweise toff der Abmagnetisierungsphase, angepasst (auch: korrigiert) werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Schaltungsanordnungen (auch: Topologien) 100; 200; 300, die quasiresonant geschaltet werden können. Das Verfahren kann beispielsweise bei Sperrwandler-Schaltungsanordnungen 300, insbesondere mit Polrichter (beispielsweise einem Gleichrichter oder Synchrongleichrichter), bei Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnungen 200 mit einem zweiten Halbleiterschalter (S2) 114 statt einer Diode, bei Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnungen 100 wie hier beschrieben und bei Hochsetzsteller-Schaltungsanordnungen (Englisch: „Boost Converter“ oder „Step-up Converter“) eingesetzt werden.
  • Die Regelung der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 als Hochsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Gleichstromquelle und/oder Wechselstromquelle kann auch auf die Schaltbilder der deutschen Patentanmeldungen 102020117180.3 „Aufwärtswandler für eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers sowie Stromversorgung und Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers“, 10 2020 120 530.9 „Hochsetzsteller-Schaltungsanordnung, Stromversorgung und Verfahren zur Auswärtswandlung einer Eingangsspannung“ und 102020126471.2 „Hochsetzsteller-Schaltungsanordnung, Stromversorgung und Verfahren zur Auswärtswandlung einer Eingangsspannung“ angewendet werden.
  • Wie anhand vorstehender Ausführungsbeispiele ersichtlich, kann durch die erfindungsgemäßen Schalteranordnungen 100; 200 und 300 ein verlustarmes Schalten der Halbleiterschalter bei einem stabilen, beispielsweise negativen, Stromanteil erreicht werden. Insbesondere kann eine Zeitdauer einer Aufmagnetisierungsphase festgelegt sein und eine Zeitdauer einer Abmagnetisierungsphase in Abhängigkeit von dem, beispielsweise negativen, Stromanteil veränderbar sein. Insbesondere kann der, beispielsweise negative, Stromanteil über einem Messwiderstand zu einem oder wenigen vorbestimmten Zeitpunkten während einer Periode umfassend eine Auf- und Abmagnetisierungsphase gemessen werden.
  • Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist für Fachkundige ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Herkömmliche Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung
    12
    Diode
    100
    Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung
    102-1
    Erster Pol der Stromquelle
    102-2
    Zweiter Pol der Stromquelle
    104
    Induktivität
    106
    Kapazität
    108
    Last / elektrischer Verbraucher
    110-1; 110-2; 110-3
    Strommessstelle, optional Messwiderstand oder Shunt
    112
    Erster Halbleiterschalter (S1)
    114
    Zweiter Halbleiterschalter (S2)
    116
    Dritter Halbleiterschalter (S3)
    118
    Vierter Halbleiterschalter (S4)
    122
    Erster Knotenpunkt
    124
    Zweiter Knotenpunkt
    126
    Dritter Knotenpunkt
    128
    Vierter Knotenpunkt
    130
    Fünfter Knotenpunkt
    132
    Sechster Knotenpunkt
    140
    Strompfad, positive Halbwelle, Aufmagnetisierungsphase
    142
    Strompfad, positive Halbwelle, Abmagnetisierungsphase
    144
    Strompfad, negative Halbwelle, Aufmagnetisierungsphase
    146
    Strompfad, negative Halbwelle, Abmagnetisierungsphase
    150
    Steuereinheit
    200
    Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung
    202
    Fünfter Halbleiterschalter (S5)
    204
    Sechster Halbleiterschalter (S6)
    300
    Sperrwandler-Schaltungsanordnung
    302
    Zweite Induktivität
    304
    Dritte Induktivität
    1202
    Festgelegte Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase
    1204-1;1204-2; 1204-3
    Veränderbare Zeitdauer toff der Abmagn.-phase;
    1206-1; 1206-2; 1206-3
    Periodendauer Tperiode
    1208
    Änderung toffset von toff, Tperiode
    1210
    Strom durch ersten Halbleiterschalter (S1)
    1212
    Strom durch zweiten Halbleiterschalter (S2)
    1214
    Gemessener unterer Stromwert
    1216-1; 1216-2
    Abweichung des unteren Stromwerts vom Referenzstromwert
    1218
    Referenzstromwert
    1302
    Eingangsspannung (Vin)
    1304
    Ausgangsspannung (Vout)
    1306
    Referenzausgangsspannung (Vout_ref)
    1312
    Vergleich der Spannungswerte
    1314
    Vergleich der Stromwerte
    1316
    Gleichung
    1318
    Proportional-Integral-Regler (PI-Regler)
    1320
    Stromregler
    1322
    Timer (bzw. Zeitgeber) der Periode
    1324
    Timer (bzw. Zeitgeber) der Aufmagnetisierungsphase
    1326
    PWM-Ausgabe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102020117180 [0139]

Claims (16)

  1. Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers (108), umfassend: eine zwischen einem ersten Knotenpunkt (122) und einem zweiten Knotenpunkt (124) geschaltete Induktivität (104); eine zwischen dem zweiten Knotenpunkt (124) und einem dritten Knotenpunkt (126) geschaltete Kapazität (106); einen zwischen dem zweiten Knotenpunkt (124) und dem dritten Knotenpunkt (126) parallel zur Kapazität (106) geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers (108); eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) speisenden Stromquelle (102), wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol (102-1), der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol (102-2), der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist; einen ersten Halbleiterschalter (112), der dazu angeordnet ist, den ersten Pol (102-1) mit dem ersten Knotenpunkt (122) wahlweise leitend zu verbinden; einen zweiten Halbleiterschalter (114), der dazu angeordnet ist, den ersten Knotenpunkt (122) und den dritten Knotenpunkt (126) über einen vierten Knotenpunkt (128) wahlweise leitend zu verbinden; mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3), die in einem den ersten Knotenpunkt (122), den zweiten Knotenpunkt (124) und den dritten Knotenpunkt (126) umfassenden Strompfad hinter dem dritten Knotenpunkt (126) angeordnet ist; und eine Steuereinheit (150), die dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter (112) während einer festgelegten Zeitdauer, ton, einer Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer, toff, einer Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und den zweiten Halbleiterschalter (114) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten; wobei die festgelegte Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem vorgegebenem maximalem Strom durch die Induktivität (104) festgelegt ist; und wobei die veränderbare Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem Vergleich eines vorgegebenen minimalen Stroms durch die Induktivität (104) und eines über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) messbaren Stroms veränderbar ist.
  2. Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die die Eingangseinheit speisende Stromquelle (102) eine Wechselstromquelle umfasst, wobei der erste Pol (102-1) in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol (102-2) in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt; wobei die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) ferner einen dritten Halbleiterschalter (116), der den vierten Knotenpunkt (128) über einen fünften Knotenpunkt (130) mit dem ersten Pol (102-1) wahlweise leitend verbindet, und einen vierten Halbleiterschalter (118), der den vierten Knotenpunkt (128) über den fünften Knotenpunkt (130) mit dem zweiten Pol (102-2) wahlweise leitend verbindet, umfasst; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der positiven Halbwelle den dritten Halbleiterschalter (116) nicht-leitend und den vierten Halbleiterschalter (118) leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der negativen Halbwelle den dritten Halbleiterschalter (116) leitend und den vierten Halbleiterschalter (118) nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) leitend zu schalten; und wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) nicht-leitend zu schalten.
  3. Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, umfassend: eine zwischen einem ersten Knotenpunkt (122) und einem zweiten Knotenpunkt (124) geschaltete Induktivität (104); eine zwischen einem dritten Knotenpunkt (126) und einem vierten Knotenpunkt (128) geschaltete Kapazität; einen zwischen dem dritten Knotenpunkt (126) und dem vierten Knotenpunkt (128) parallel zur Kapazität (106) geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers (108); eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) speisenden Stromquelle (102), wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol (102-1), der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol (102-2), der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist; einen ersten Halbleiterschalter (112), der dazu angeordnet ist, den ersten Pol (102-1) mit dem ersten Knotenpunkt (122) wahlweise leitend zu verbinden; einen zweiten Halbleiterschalter (114), der dazu angeordnet ist, den ersten Knotenpunkt (122) und den vierten Knotenpunkt (128) über einen fünften Knotenpunkt (130) und einen sechsten Knotenpunkt (132) wahlweise leitend zu verbinden; einen dritten Halbleiterschalter (116), der dazu angeordnet ist, den zweiten Knotenpunkt (124) und den dritten Knotenpunkt (126) wahlweise leitend zu verbinden; einen vierten Halbleiterschalter (118), der dazu angeordnet ist, den zweiten Knotenpunkt (124) und den fünften Knotenpunkt (130) wahlweise leitend zu verbinden; mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2), die in einem den vierten Knotenpunkt (128) und den fünften Knotenpunkt (130) umfassend Strompfad und/oder den vierten Halbleiterschalter (118) und den fünften Knotenpunkt (130) umfassenden Strompfad angeordnet ist; und eine Steuereinheit (150), die dazu ausgebildet ist, in einer Funktion als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) den ersten Halbleiterschalter (112) während einer festgelegten Zeitdauer, ton, einer Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer, toff, einer Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, in der Funktion als Tiefsetzsteller den zweiten Halbleiterschalter (114) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten, in der Funktion als Tiefsetzsteller den dritten Halbleiterschalter (116) leitend zu schalten und den vierten Halbleiterschalter (118) nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) in einer Funktion als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) ferner dazu ausgebildet ist, zumindest in einer positiven Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) nicht-leitend zu schalten, wobei die Steuereinheit (150) in der Funktion als Hochsetzsteller ferner dazu ausgebildet ist, den vierten Halbleiterschalter (118) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und in der Funktion als Hochsetzsteller den dritten Halbleiterschalter (116) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten; wobei die festgelegte Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem vorgegebenem maximalem Strom durch die Induktivität (104) festgelegt ist; und wobei die veränderbare Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem Vergleich eines vorgegebenen minimalen Stroms durch die Induktivität (104) und eines über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) messbaren Stroms veränderbar ist.
  4. Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 3, wobei die die Eingangseinheit speisende Stromquelle (102) eine Wechselstromquelle umfasst, wobei der erste Pol (102-1) in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol (102-2) in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt; wobei die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) ferner einen fünften Halbleiterschalter (202), der den sechsten Knotenpunkt (132) mit dem ersten Pol (102-1) wahlweise leitend verbindet, und einen sechsten Halbleiterschalter (204), der den sechsten Knotenpunkt (132) mit dem zweiten Pol (102-2) wahlweise leitend verbindet, umfasst; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der positiven Halbwelle den fünften Halbleiterschalter (202) nicht-leitend und den sechsten Halbleiterschalter (204) leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der negativen Halbwelle den fünften Halbleiterschalter (202) leitend und den sechsten Halbleiterschalter (204) nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Tiefsetzsteller während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Tiefsetzsteller während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Hochsetzsteller während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) leitend zu schalten; und wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Hochsetzsteller in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) leitend zu schalten.
  5. Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, umfassend: eine erste Induktivität (104) und eine zweite Induktivität (302), wobei die erste Induktivität (104) und die zweite Induktivität (302) induktiv gekoppelt sind, wobei die erste Induktivität (104) und die zweite Induktivität (302) galvanisch getrennt sind, und wobei die zweite Induktivität (302) an einen ersten Knotenpunkt (112) angeschlossen ist; eine zwischen dem ersten Knotenpunkt (122) und einem zweiten Knotenpunkt (124) geschaltete Kapazität (106); einen zwischen dem ersten Knotenpunkt (122) und dem zweiten Knotenpunkt (124) parallel zur Kapazität (106) geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers (108); eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) speisenden Stromquelle (102), wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol (102-1), der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol (102-2), der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist; einen ersten Halbleiterschalter (112), der dazu angeordnet ist, zumindest in der positiven Halbwelle die erste Induktivität (104) mit dem zweiten Pol (102-2) wahlweise leitend zu verbinden; einen zweiten Halbleiterschalter (114), der zwischen dem zweiten Knotenpunkt (124) und der zweiten Induktivität (302) dazu angeordnet ist, die zweite Induktivität (302) und die Kapazität (106) wahlweise leitend zu verbinden; mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2), der in einem den ersten Halbleiterschalter (112) und die Stromquelle (102) umfassenden Strompfad und/oder in einem den zweiten Knotenpunkt (124) und zweiten Halbleiterschalter (114) umfassenden Strompfad angeordnet ist; und eine Steuereinheit (150), die dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter (112) während einer festgelegten Zeitdauer, ton, einer Aufmagnetisierungsphase der ersten Induktivität (104) und der zweiten Induktivität (302) leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer, toff, einer Abmagnetisierungsphase der ersten Induktivität (104) und der zweiten Induktivität (302) nicht-leitend zu schalten, und den zweiten Halbleiterschalter (114) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der ersten Induktivität (104) und der zweiten Induktivität (302) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der ersten Induktivität (104) und der zweiten Induktivität (302) zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten; wobei die festgelegte Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem vorgegebenem maximalem Strom durch die Induktivität (104) festgelegt ist; und wobei die veränderbare Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem Vergleich eines vorgegebenen minimalen Stroms durch die Induktivität (104) und eines über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) messbaren Stroms veränderbar ist.
  6. Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) nach Anspruch 5, wobei die die Eingangseinheit speisende Stromquelle (102) eine Wechselstromquelle umfasst, wobei der erste Pol (102-1) in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol (102-2) in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt; wobei die Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) ferner einen dritten Halbleiterschalter (116), einen vierten Halbleiterschalter (118), einen fünften Halbleiterschalter (202) und einen sechsten Halbleiterschalter (204) umfasst, wobei der dritte Halbleiterschalter (126) dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität (104) wahlweise mit dem ersten Pol (102-1) zu verbinden, wobei der vierte Halbleiterschalter (118) dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität (104) wahlweise mit dem zweiten Pol (102-2) zu verbinden, wobei der fünfte Halbleiterschalter (130) dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter (112) wahlweise mit dem zweiten Pol (102-2) zu verbinden, und wobei der sechste Halbleiterschalter (132) dazu angeordnet ist, den ersten Halbleiterschalter (112) wahlweise mit dem ersten Pol (102-1) zu verbinden; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, den dritten Halbleiterschalter (116) und den fünften Halbleiterschalter (202) jeweils während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und den dritten Halbleiterschalter (116) und den fünften Halbleiterschalter (202) jeweils während der negativen Halbwelle nicht-leitend zu schalten, wobei die Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, den vierten Halbleiterschalter (118) und den sechsten Halbleiterschalter (202) während der positiven Halbwelle jeweils nicht-leitend zu schalten, und den vierten Halbleiterschalter (118) und den sechsten Halbleiterschalter (204) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle jeweils leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der negativen Halbwelle jeweils nicht-leitend zu schalten.
  7. Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) nach Anspruch 5, wobei die die Eingangseinheit speisende Stromquelle (102) eine Wechselstromquelle umfasst, wobei der erste Pol (102-1) in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol (102-2) in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt; wobei die Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) ferner eine dritte Induktivität (304) und einen dritten Halbleiterschalter (116) umfasst, wobei der dritte Halbleiterschalter (116) dazu ausgebildet ist, die dritte Induktivität (304) wahlweise mit dem ersten Knotenpunkt (122) und dem zweiten Knotenpunkt (124) zu verbinden; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, den zweiten Halbleiterschalter (114) während der negativen Halbwelle nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, den dritten Halbleiterschalter (116) während der positiven Halbwelle und während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase zumindest der ersten Induktivität (104) in der negativen Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase zumindest der ersten Induktivität (104) der negativen Halbwelle leitend zu schalten.
  8. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei einer oder jeder der Halbleiterschalter (112; 114; 116; 118; 202; 204) einen MOSFET, insbesondere einen n-Kanal-MOSFET; einen bipolaren Transistor; einen Thyristor und/oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, umfassen.
  9. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, die Schaltungsanordnung in mindestens einem von nicht-lückendem Betrieb, CCM; lückendem Betrieb, DCM; und auf einer Grenze zwischen dem nicht-lückenden und lückenden Betrieb, BCM, zu betreiben.
  10. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) mindestens einen Messwiderstand (110-1; 110-2; 110-3) oder mindestens einen Hall-Sensor oder mindestens einen induktiven Stromwandler umfasst.
  11. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) im Strompfad des ersten Halbleiterschalters (112) angeordnet ist, und wobei die Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, mindestens einen Stromwert während der Aufmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle und/oder in der negativen Halbwelle über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) zu messen.
  12. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Stromwert genau einen Stromwert zu einem festgelegten Zeitpunkt der Aufmagnetisierungsphase umfasst, vorzugsweise zu Beginn der Aufmagnetisierungsphase und/oder in der Nähe eines Umschaltzeitpunkts vom nicht-leitenden zum leitenden Zustand des ersten Halbleiterschalters (112).
  13. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) im Strompfad des zweiten Halbleiterschalters (114) angeordnet ist, und wobei die Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, mindestens einen Stromwert während der Abmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle und/oder in der negativen Halbwelle über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) zu messen.
  14. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, mindestens einen oder jeden Halbleiterschalter (112; 114; 116; 118; 202; 204) in einem spannungslosen Zustand und/oder in einem stromlosen Zustand der Induktivität (104) leitend zu schalten.
  15. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuereinheit (150) mindestens eines von einem Digitalen Signalprozessor, DSP; einem Mikrokontroller mit Steuersoftware; einem Field Programmable Gate Array, FPGA; und einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, ASIC, umfasst.
  16. Verfahren zur Steuerung der Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung (100; 200; 300) während einer Aufmagnetisierungsphase und einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivität (104), umfassend: Messen eines Stromwerts über mindestens einer Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) einer der Schaltungsanordnungen (100; 200; 300) der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Stromwert während eines festgelegten Zeitpunkts einer Periode umfassend eine festgelegte Zeitdauer, ton, einer Aufmagnetisierungsphase und eine veränderbare Zeitdauer, toff, einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivität (104; 302; 304) gemessen wird, wobei die festgelegte Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem vorgegebenem maximalem Strom durch die Induktivität (104) festgelegt ist; Vergleichen des gemessenen Stromwerts mit einem für den Zeitpunkt der Messung festgelegten Referenzstromwert; und Verändern der veränderbaren Zeitdauer, toff, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichens des gemessenen Stromwerts mit dem Referenzstromwert.
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