DE102022118507A1

DE102022118507A1 - Neuartige Stromversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022118507A1
Application number: DE102022118507.9A
Authority: DE
Inventors: Lien-Hsing Chen; Ta-Wen CHANG; Hsiao-Hua CHI; Ching-Ming Lai; Wei-Hsuan Lin
Original assignee: P Duke Tech Co Ltd; P Duke Technology Co Ltd
Current assignee: P Duke Tech Co Ltd; P Duke Technology Co Ltd
Priority date: 2022-07-25
Filing date: 2022-07-25
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Eine neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) beinhaltet einen Mikrocontroller (102) und eine Vielzahl von Spannungswandlern (104). Wenn sich die Spannungswandler (104) in einem Hochsetzmodus befinden und eine Vielzahl von Tastverhältnissen der Spannungswandler (104), die durch den Mikrocontroller (102) berechnet werden, kleiner als 0,5 ist, ist der Mikrocontroller (102) dazu konfiguriert, wenigstens eins der Tastverhältnisse der Spannungswandler (104) auf 0,5 zu begrenzen. Wenn sich die Spannungswandler (104) in einem Tiefsetzmodus befinden und die Tastverhältnisse der Spannungswandler (104), die durch den Mikrocontroller (102) berechnet werden, größer als 0,5 sind, ist der Mikrocontroller (102) dazu konfiguriert, wenigstens eins der Tastverhältnisse der Spannungswandler (104) auf 0,5 zu begrenzen.

Description

HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung und insbesondere eine neuartige Stromversorgungsvorrichtung.
Beschreibung des Stands der Technik
Verschachtelte bidirektionale Mehrphasenwandler (beispielsweise der verschachtelte bidirektionale Vierphasenleistungswandler des Stands der Technik) weisen Einschränkungen hinsichtlich des Tastverhältnisses auf, was im Folgenden im Detail erläutert wird:
Im Hochsetzmodus müssen die Tastverhältnisse der Transistorschalter auf der Masseseite größer als 0,5 sein; wenn im Hochsetzmodus die Tastverhältnisse der Transistorschalter auf der Masseseite kleiner als 0,5 sind, reicht die Induktorenergie nicht aus, sodass der Induktorstrom unausgeglichen ist, was zu einer Beeinträchtigung (d. h. Abnahme) der Spannungsverstärkung führt.
Im Tiefsetzmodus müssen die Tastverhältnisse der Transistorschalter auf der Spannungsseite kleiner als 0,5 sein; wenn im Tiefsetzmodus die Tastverhältnisse der Transistorschalter auf der Spannungsseite größer als 0,5 sind, reicht die Induktorenergie nicht aus, sodass der Induktorstrom unausgeglichen ist, was zu einer Beeinträchtigung (d. h. Zunahme) der Spannungsverstärkung führt.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Um die genannten Probleme zu lösen, liegt der vorliegenden Offenbarung als Aufgabe zugrunde, eine neuartige Stromversorgungsvorrichtung bereitzustellen.
Um die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen, beinhaltet die neuartige Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung einen Mikrocontroller und eine Vielzahl von Spannungswandlern. Die Spannungswandler sind miteinander elektrisch verbunden und sind mit dem Mikrocontroller elektrisch verbunden. Wenn sich die Spannungswandler im Hochsetzmodus befinden und eine Vielzahl von Tastverhältnissen der Spannungswandler, die durch den Mikrocontroller berechnet werden, kleiner als 0,5 ist, so ist der Mikrocontroller dazu konfiguriert, wenigstens eins der Tastverhältnisse der Spannungswandler auf 0,5 zu begrenzen. Wenn sich die Spannungswandler im Tiefsetzmodus befinden und die Tastverhältnisse der Spannungswandler, die durch den Mikrocontroller berechnet werden, größer als 0,5 sind, so ist der Mikrocontroller dazu konfiguriert, wenigstens eins der Tastverhältnisse der Spannungswandler auf 0,5 zu begrenzen.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der Mikrocontroller zudem einen Betriebsbegrenzer, der mit wenigstens einem der Spannungswandler elektrisch verbunden ist.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung sind zudem der Mikrocontroller und die Spannungswandler dazu konfiguriert, einen verschachtelten bidirektionalen Mehrphasenwandler zu bilden. Die Spannungswandler beinhalten einen ersten Spannungswandler und einen zweiten Spannungswandler. Der erste Spannungswandler ist mit dem Mikrocontroller elektrisch verbunden. Der zweite Spannungswandler ist mit dem Betriebsbegrenzer und dem ersten Spannungswandler elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung sind zudem der Mikrocontroller und die Spannungswandler dazu konfiguriert, einen verschachtelten bidirektionalen Vierphasenwandler zu bilden. Die Spannungswandler beinhalten ferner einen dritten Spannungswandler und einen vierten Spannungswandler. Der dritte Spannungswandler ist mit dem Betriebsbegrenzer, dem ersten Spannungswandler und dem zweiten Spannungswandler elektrisch verbunden. Der vierte Spannungswandler ist mit dem Mikrocontroller, dem ersten Spannungswandler, dem zweiten Spannungswandler und dem dritten Spannungswandler elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der erste Spannungswandler zudem eine erste masseseitige Schaltkomponente, eine erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente und einen ersten Induktor. Die erste masseseitige Schaltkomponente ist mit dem Mikrocontroller elektrisch verbunden und beinhaltet eine erste masseseitige parasitäre Diode. Die erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente ist mit dem Mikrocontroller und der ersten masseseitigen Schaltkomponente elektrisch verbunden und beinhaltet eine erste versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode. Der erste Induktor ist mit dem zweiten Spannungswandler, dem dritten Spannungswandler, dem vierten Spannungswandler, der ersten masseseitigen Schaltkomponente und der ersten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der erste Spannungswandler zudem eine zweite masseseitige Schaltkomponente eine zweite versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente, einen zweiten Induktor und einen ersten Kondensator. Die zweite masseseitige Schaltkomponente ist mit dem Betriebsbegrenzer elektrisch verbunden und beinhaltet eine zweite masseseitige parasitäre Diode. Die zweite versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente ist mit dem Betriebsbegrenzer, dem ersten Spannungswandler und dem dritten Spannungswandler elektrisch verbunden und beinhaltet eine zweite versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode. Der zweite Induktor ist mit dem ersten Spannungswandler, dem dritten Spannungswandler, dem vierten Spannungswandler und der zweiten masseseitigen Schaltkomponente elektrisch verbunden. Der erste Kondensator ist mit dem ersten Spannungswandler, der zweiten masseseitigen Schaltkomponente, der zweiten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente und dem zweiten Induktor elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der dritte Spannungswandler zudem eine dritte masseseitige Schaltkomponente eine dritte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente, einen dritten Induktor und einen zweiten Kondensator. Die dritte masseseitige Schaltkomponente ist mit dem Betriebsbegrenzer elektrisch verbunden und beinhaltet eine dritte masseseitige parasitäre Diode. Die dritte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente ist mit dem Betriebsbegrenzer, dem zweiten Spannungswandler und dem vierten Spannungswandler elektrisch verbunden und beinhaltet eine dritte versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode. Der dritte Induktor ist mit dem ersten Spannungswandler, dem zweiten Spannungswandler, dem vierten Spannungswandler und der masseseitigen dritten Schaltkomponente elektrisch verbunden. Der zweite Kondensator ist mit dem zweiten Spannungswandler, der dritten masseseitigen Schaltkomponente, der dritten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente und dem dritten Induktor elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der erste Spannungswandler zudem eine vierte masseseitige Schaltkomponente eine vierte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente, einen vierten Induktor und einen dritten Kondensator. Die vierte masseseitige Schaltkomponente ist mit dem Mikrocontroller elektrisch verbunden und beinhaltet eine vierte masseseitige parasitäre Diode. Die vierte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente ist mit dem Mikrocontroller, dem ersten Spannungswandler und dem dritten Spannungswandler elektrisch verbunden und beinhaltet eine vierte versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode. Der vierte Induktor ist mit dem ersten Spannungswandler, dem zweiten Spannungswandler, dem dritten Spannungswandler und der vierten masseseitigen Schaltkomponente elektrisch verbunden. Der dritte Kondensator ist mit dem dritten Spannungswandler, der vierten masseseitigen Schaltkomponente, der vierten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente und dem vierten Induktor elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der erste Spannungswandler ferner einen masseseitigen Kondensator und einen masseseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt. Der masseseitige Kondensator ist mit dem Mikrocontroller, dem zweiten Spannungswandler, dem dritten Spannungswandler und dem vierten Spannungswandler elektrisch verbunden. Der masseseitige Eingangs-Ausgangs-Punkt ist mit dem Mikrocontroller, dem zweiten Spannungswandler, dem dritten Spannungswandler, dem vierten Spannungswandler und dem masseseitigen Kondensator elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der erste Spannungswandler ferner einen versorgungsspannungsseitigen Kondensator und einen versorgungsspannungsseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt. Der versorgungsspannungsseitige Kondensator ist mit dem Mikrocontroller und dem vierten Spannungswandler elektrisch verbunden. Der versorgungsspannungsseitige Eingangs-Ausgangs-Punkt ist mit dem Mikrocontroller, dem vierten Spannungswandler und dem versorgungsspannungsseitigen Kondensator elektrisch verbunden.
Der Vorteil der vorliegenden Offenbarung liegt darin, dass die Spannungsverstärkung im Hochsetzmodus nicht von einem Tastverhältnis unter 0,5 beeinflusst wird; und die Spannungsverstärkung im Tiefsetzmodus nicht von einem Tastverhältnis über 0,5 beeinflusst wird Die Betriebsweise der Schaltkomponenten, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt werden, bewirkt, dass die Induktorenergie ausreicht und der Induktorstrom ausgeglichen ist, sodass die genannte Spannungsverstärkung unbeeinflusst durch das Tastverhältnis erzielt werden kann.
Für ein weiteres Verständnis der Techniken, Verfahren und Wirkungen der vorliegenden Offenbarung hinsichtlich der Erfüllung der gestellten Aufgaben wird auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die Figuren der vorliegenden Offenbarung verwiesen. Sie sollen ein vollständiges und spezifisches Verständnis der Ziele, Eigenschaften und Merkmale der vorliegenden Offenbarung ermöglichen. Die Figuren dienen jedoch allein der Bezugnahme und Beschreibung, und die vorliegende Offenbarung ist durch die Figuren nicht eingeschränkt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt ein Schaltungsblockdiagramm einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt ein Wellenformdiagramm der Spannungen und Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten eines Beispiels des verschachtelten bidirektionalen Vierphasenleistungswandlers des Stands der Technik im Hochsetzmodus.
4 zeigt ein Wellenformdiagramm der Spannungen und Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung im Hochsetzmodus.
5 zeigt ein Vergleichsdiagramm der Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten und der Spannungsverstärkungen der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung und des verschachtelten bidirektionalen Vierphasenleistungswandlers des Stands der Technik im Hochsetzmodus.
6 zeigt ein Wellenformdiagramm der Spannungen und Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten eines Beispiels des verschachtelten bidirektionalen Vierphasenleistungswandlers des Stands der Technik im Tiefsetzmodus.
7 zeigt ein Wellenformdiagramm der Spannungen und Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung im Tiefsetzmodus.
8 zeigt ein Vergleichsdiagramm der Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten und der Spannungsverstärkungen der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung und des verschachtelten bidirektionalen Vierphasenleistungswandlers des Stands der Technik im Tiefsetzmodus.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der vorliegenden Offenbarung werden zahlreiche spezifische Details erörtert, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der Offenbarung zu ermöglichen. Der Durchschnittsfachmann wird jedoch erkennen, dass die vorliegende Offenbarung auch ohne eines oder mehrere der spezifischen Details umgesetzt werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Details nicht gezeigt oder beschrieben, damit Aspekte der vorliegenden Offenbarung nicht undeutlich werden. Für den technischen Inhalt und zur ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wird nun auf die Figuren verwiesen:
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung. Eine neuartige Stromversorgungsvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen Mikrocontroller 102 und eine Vielzahl von Spannungswandlern 104. Die Spannungswandler 104 sind miteinander elektrisch verbunden und sind mit dem Mikrocontroller 102 elektrisch verbunden. Wenn sich die Spannungswandler 104 im Hochsetzmodus befinden und eine Vielzahl von Tastverhältnissen der Spannungswandler 104, die durch den Mikrocontroller 102 berechnet werden, kleiner als 0,5 ist, so ist der Mikrocontroller 102 dazu konfiguriert, wenigstens eins der Tastverhältnisse der Spannungswandler 104 auf 0,5 zu begrenzen (ausführlicher an späterer Stelle beschrieben). Wenn sich die Spannungswandler 104 im Tiefsetzmodus befinden und die Tastverhältnisse der Spannungswandler 104, die durch den Mikrocontroller 102 berechnet werden, größer als 0,5 sind, so ist der Mikrocontroller 102 dazu konfiguriert, wenigstens eins der Tastverhältnisse der Spannungswandler 104 auf 0,5 zu begrenzen (ausführlicher an späterer Stelle beschrieben).
Genauer ist, wenn sich die Spannungswandler 104 im Hochsetzmodus befinden und die Tastverhältnisse einer Vielzahl von masseseitigen Schaltkomponenten der Spannungswandler 104, die durch den Mikrocontroller 102 berechnet werden, kleiner als 0,5 ist, der Mikrocontroller 102 dazu konfiguriert, wenigstens eins der Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten der Spannungswandler 104 auf 0,5 zu begrenzen. Wenn sich die Spannungswandler 104 im Tiefsetzmodus befinden und die Tastverhältnisse einer Vielzahl von versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten der Spannungswandler 104, die durch den Mikrocontroller 102 berechnet werden, größer als 0,5 ist, so ist der Mikrocontroller 102 dazu konfiguriert, wenigstens eins der Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten dre Spannungswandler 104 auf 0,5 zu begrenzen. Bei den masseseitigen Schaltkomponenten kann es sich beispielsweise um eine erste masseseitige Schaltkomponente QL1, eine zweite masseseitige Schaltkomponente QL2, eine dritte masseseitige Schaltkomponente QL3 und eine vierte masseseitige Schaltkomponente QL4 handeln, die in 2 gezeigt sind; bei den versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten kann es sich beispielsweise um eine erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1, eine zweite versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH2, eine dritte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH3 und eine vierte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH4 handeln, die in 2 gezeigt sind.
2 zeigt ein Schaltungsblockdiagramm einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung. Die Beschreibungen der Elemente in 2, die identisch mit denjenigen in 1 sind, werden hier der Kürze halber nicht wiederholt. Der Mikrocontroller 102 beinhaltet einen Betriebsbegrenzer 106. Die Spannungswandler 104 beinhalten einen ersten Spannungswandler 108, einen zweiten Spannungswandler 110, einen dritten Spannungswandler 112 und einen vierten Spannungswandler 114. Der erste Spannungswandler 108 beinhaltet eine erste masseseitige Schaltkomponente QL1, eine erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1, einen ersten Induktor L1, einen masseseitigen Kondensator CL, einen masseseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt 116, einen versorgungsspannungsseitigen Kondensator CH und einen versorgungsspannungsseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt 118. Der zweite Spannungswandler 110 beinhaltet eine zweite masseseitige Schaltkomponente QL2, eine zweite versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH2, einen zweiten Induktor L2 und einen ersten Kondensator C1. Der dritte Spannungswandler 112 beinhaltet eine masseseitige Schaltkomponente QL3, eine dritte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH3, einen dritten Induktor L3 und einen zweiten Kondensator C2. Der vierte Spannungswandler 114 beinhaltet eine vierte masseseitige Schaltkomponente QL4, eine vierte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH4, einen vierten Induktor L4 und einen dritten Kondensator C3. Die oben aufgeführten Komponenten sind elektrisch miteinander verbunden.
Die erste masseseitige Schaltkomponente QL1 beinhaltet eine erste masseseitige parasitäre Diode DL1. Die erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1 beinhaltet eine erste versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode DH1. Die zweite masseseitige Schaltkomponente QL2 beinhaltet eine zweite masseseitige parasitäre Diode DL2. Die zweite versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH2 beinhaltet eine zweite versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode DH2. Die dritte masseseitige Schaltkomponente QL3 beinhaltet eine dritte masseseitige parasitäre Diode DL3. Die dritte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH3 beinhaltet eine dritte versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode DH3. Die vierte masseseitige Schaltkomponente QL4 beinhaltet eine vierte masseseitige parasitäre Diode DL4. Die vierte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH4 beinhaltet eine vierte versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode DH4. Der masseseitige Eingangs-Ausgangs-Punkt 116 beinhaltet eine masseseitige Spannung VL. Der versorgungsspannungsseitige Eingangs-Ausgangs-Punkt 118 beinhaltet eine versorgungsspannungsseitige Spannung VH. Die erste masseseitige Schaltkomponente QL1, die erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1, die zweite masseseitige Schaltkomponente QL2, die zweite versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH2, die dritte masseseitige Schaltkomponente QL3, die dritte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH3, die vierte masseseitige Schaltkomponente QL4 und die vierte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH4 können mit beliebigen Schaltkomponenten implementiert werden, wie etwa Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) der Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs). 2 zeigt diese Schaltkomponenten als N-MOSFETs.
Wenn sich zudem die Spannungswandler 104 im Hochsetzmodus befinden und die Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten der Spannungswandler 104, die durch den Mikrocontroller 102 berechnet werden, kleiner als 0,5 ist, der Mikrocontroller 102 dazu konfiguriert, den Betriebsbegrenzer 106 zu verwenden, um wenigstens eins der Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten der Spannungswandler 104 auf 0,5 zu begrenzen (ausführlicher an späterer Stelle beschrieben). Wenn sich die Spannungswandler 104 im Tiefsetzmodus befinden und die Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten der Spannungswandler 104, die durch den Mikrocontroller 102 berechnet werden, größer als 0,5 ist, so ist der Mikrocontroller 102 dazu konfiguriert, den Betriebsbegrenzer 106 zu verwenden, um wenigstens eins der Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten dre Spannungswandler 104 auf 0,5 zu begrenzen (ausführlicher an späterer Stelle beschrieben). Der Betriebsbegrenzer 106 kann mit Hardware oder Software implementiert werden. Wenn der Betriebsbegrenzer 106 mit Software implementiert wird, ist in der vorliegenden Offenbarung keine Kostenerhöhung für Hardware erforderlich.
Der Mikrocontroller 102 und die Spannungswandler 104 sind dazu konfiguriert, einen verschachtelten bidirektionalen Mehrphasenwandler (zweiphasig, dreiphasig, vierphasig und so fort) zu bilden, wie etwa einen verschachtelten bidirektionalen Vierphasenwandler, der in 2 gezeigt ist. Wenn sich die Spannungswandler 104 im Hochsetzmodus befinden, ist die masseseitige Spannung VL eine Eingangsspannung (von einer in 2 nicht gezeigten Spannungsversorgung) und die versorgungsspannungsseitige Spannung VH eine Ausgangsspannung (für eine in 2 nicht gezeigte Last).
Mit dem verschachtelten bidirektionalen Vierphasenwandler aus 2 und dem Hochsetzmodus als Beispiel ist der Mikrocontroller 102 dazu konfiguriert, Folgendes zu berechnen: Spannungsverstärkung = Ausgangsspannung/Eingangsspannung = 4/(1 - Tastverhältnis). Es sei angenommen, dass der Mikrocontroller 102 erfasst, dass die Eingangsspannung (VL) an dem masseseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt 116 40 Volt beträgt und die Ausgangsspannung (VH; also von der Last gefordert) durch den versorgungsspannungsseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt 118 213 Volt beträgt; in diesem Fall gilt 213/40 = 5,325 = 4/(1 - Tastverhältnis), weshalb das Tastverhältnis als etwa 0,25 berechnet wird; dabei bezieht sich das Tastverhältnis 0,25 auf die theoretischen Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten (also die erste masseseitige Schaltkomponente QL1, die zweite masseseitige Schaltkomponente QL2, die dritte masseseitige Schaltkomponente QL3 und die vierte masseseitige Schaltkomponente QL4); die Schaltvorgänge der einzelnen versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten (also der ersten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QH1, der zweiten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QH2, der dritten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QH3 und der vierten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QH4) ist zu der entsprechenden masseseitigen Schaltkomponente entgegengesetzt; wenn also die erste masseseitige Schaltkomponente QL1 eingeschaltet ist, ist die erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1 ausgeschaltet; wenn die erste masseseitige Schaltkomponente QL1 ausgeschaltet ist, ist die erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1 eingeschaltet, und so fort.
Fortfahrend mit dem obenstehenden Inhalt ist das Berechnen der theoretischen Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten im Hochsetzmodus von unter 0,5 problematisch (da die Induktorenergie nicht ausreicht und somit der Induktorstrom unausgeglichen ist); die Formel für die Spannungsverstärkung, dass das Tastverhältnis der masseseitigen Schaltkomponente kleiner als 0,5 ist, wendet im Hochsetzmodus = 4/(1 - Tastverhältnis) nicht mehr an. Bei einer Eingangsspannung von 40 Volt und einem Tastverhältnis der masseseitigen Schaltkomponenten von 0,25 ist die Ausgangsspannung Simulationsversuchen mit Software zufolge nur 79 Volt anstelle der geforderten 213 Volt. Allerdings begrenzt die vorliegende Offenbarung wenigstens eins der Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten der Spannungswandler 104 geschickt auf 0,5 und hält die Tastverhältnisse der übrigen masseseitigen Schaltkomponenten bei 0,25 (das Beibehalten der Tastverhältnisse der übrigen masseseitigen Schaltkomponenten wird durch den Mikrocontroller 102 als Spannungsverstärkung = Ausgangsspannung/Eingangsspannung = 4/(1 - Tastverhältnis) berechnet); Simulationsversuchen mit Software zufolge beträgt die Ausgangsspannung in diesem Fall die erforderlichen 213 Volt.
3 zeigt ein Wellenformdiagramm der Spannungen und Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten eines Beispiels des verschachtelten bidirektionalen Vierphasenleistungswandlers des Stands der Technik im Hochsetzmodus. Bei einer Eingangsspannung (VL) von 40 Volt und einem jeweiligen Tastverhältnis der masseseitigen Schaltkomponenten von 0,25 ist die Ausgangsspannung (VH) nur 79 Volt anstelle der geforderten 213 Volt, wie oben erörtert.
4 zeigt ein Wellenformdiagramm der Spannungen und Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung im Hochsetzmodus. Wie oben erörtert, beträgt bei einer Eingangsspannung (VL) von 40 Volt und einer Begrenzung von wenigstens einem (beispielsweise mehr als die Hälfte oder zwei) der Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten auf 0,5 (also der Begrenzung des Tastverhältnisses der zweiten masseseitigen Schaltkomponente QL2 und der dritten masseseitigen Schaltkomponente QL3 auf 0,5) und dem Beibehalten der übrigen masseseitigen Schaltkomponenten bei 0,25 (also dem Beibehalten des Tastverhältnisses der ersten masseseitigen Schaltkomponente QL1 und der vierten masseseitigen Schaltkomponente QL4 bei 0,25) die Ausgangsspannung (VH) die erforderlichen 213 Volt.
5 zeigt ein Vergleichsdiagramm der Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten und der Spannungsverstärkungen der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung und des verschachtelten bidirektionalen Vierphasenleistungswandlers des Stands der Technik im Hochsetzmodus. Eine erste Kurve 120 ist die Kurve der vorliegenden Offenbarung, während eine zweite Kurve 122 die Kurve des Stand der Technik ist; es ist zu erkennen, dass im Hochsetzmodus bei einem Tastverhältnis der masseseitigen Schaltkomponenten von größer als 0,5 die Spannungsverstärkungen der vorliegenden Offenbarung und des Stands der Technik normal sind, doch sobald die Tastverhältnisse der masseseitigen Schaltkomponenten kleiner als 0,5 sind, die Spannungsverstärkungen des Stands der Technik (zweite Kurve 122) stark abfallen, während die vorliegende Offenbarung (erste Kurve 120) weiterhin höhere Spannungsverstärkungen beibehalten kann.
3, 4 und 5 gelten für den Hochsetzmodus, während die folgenden 6, 7 und 8 für den Tiefsetzmodus gelten.
Mit dem verschachtelten bidirektionalen Vierphasenwandler aus 2 und dem Tiefsetzmodus als Beispiel ist der Mikrocontroller 102 dazu konfiguriert, Folgendes zu berechnen: Spannungsverstärkung = Ausgangsspannung/Eingangsspannung = Tastverhältnis/4. Es sei angenommen, dass der Mikrocontroller 102 erfasst, dass die Eingangsspannung (VH) an dem versorgungsspannungsseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt 118 400 Volt beträgt und die Ausgangsspannung (VL; also von der Last gefordert) durch den masseseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt 116 75 Volt beträgt; in diesem Fall gilt 75/400 = 0,1875 = Tastverhältnis/4), weshalb das Tastverhältnis als 0,75 berechnet wird; dabei bezieht sich das Tastverhältnis 0,75 auf die theoretischen Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten (also die erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1, die zweite versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH2, die dritte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH3 und die vierte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH4); die Schaltvorgänge der einzelnen masseseitigen Schaltkomponenten (also der ersten masseseitigen Schaltkomponente QL1, der zweiten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QL2, der dritten masseseitigen Schaltkomponente QL3 und der vierten masseseitigen Schaltkomponente QL4) ist zu der entsprechenden versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente entgegengesetzt; wenn also die erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1 eingeschaltet ist, ist die erste masseseitige Schaltkomponente QL1 ausgeschaltet; wenn die erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente QH1 ausgeschaltet ist, ist die erste masseseitige Schaltkomponente QL1 eingeschaltet, und so fort.
Fortfahrend mit dem obenstehenden Inhalt ist das Berechnen der theoretischen Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten im Tiefsetzmodus von über 0,5 problematisch (da die Induktorenergie nicht ausreicht und somit der Induktorstrom unausgeglichen ist); die Formel für die Spannungsverstärkung, dass das Tastverhältnis der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente größer als 0,5 ist, wendet im Tiefsetzmodus = Tastverhältnis/4 nicht mehr an. Bei einer Eingangsspannung von 400 Volt und einem Tastverhältnis der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten von 0,75 ist die Ausgangsspannung Simulationsversuchen mit Software zufolge nur 200 Volt anstelle der geforderten 75 Volt. Allerdings begrenzt die vorliegende Offenbarung wenigstens eins der Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten der Spannungswandler 104 geschickt auf 0,5 und hält die Tastverhältnisse der übrigen versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten bei 0,75 (das Beibehalten der Tastverhältnisse der übrigen versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten wird durch den Mikrocontroller 102 als Spannungsverstärkung = Ausgangsspannung/Eingangsspannung = Tastverhältnis/4 berechnet); Simulationsversuchen mit Software zufolge beträgt die Ausgangsspannung in diesem Fall die erforderlichen 75 Volt.
6 zeigt ein Wellenformdiagramm der Spannungen und Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten eines Beispiels des verschachtelten bidirektionalen Vierphasenleistungswandlers des Stands der Technik im Tiefsetzmodus. Bei einer Eingangsspannung (VH) von 400 Volt und einem jeweiligen Tastverhältnis der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten von 0,75 ist die Ausgangsspannung (VL) nur 200 Volt anstelle der geforderten 75 Volt, wie oben erörtert.
7 zeigt ein Wellenformdiagramm der Spannungen und Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten einer Ausführungsform der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung im Tiefsetzmodus. Wie oben erörtert, beträgt bei einer Eingangsspannung (VH) von 400 Volt und einer Begrenzung von wenigstens einem (beispielsweise mehr als die Hälfte oder zwei) der Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten auf 0,5 (also der Begrenzung des Tastverhältnisses der zweiten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QH2 und der dritten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QH3 auf 0,5) und dem Beibehalten der übrigen versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten bei 0,75 (also dem Beibehalten des Tastverhältnisses der ersten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QH1 und der vierten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente QH4 bei 0,75) die Ausgangsspannung (VL) die erforderlichen 75 Volt.
8 zeigt ein Vergleichsdiagramm der Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten und der Spannungsverstärkungen der neuartigen Stromversorgungsvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung und des verschachtelten bidirektionalen Vierphasenleistungswandlers des Stands der Technik im Tiefsetzmodus. Eine erste Kurve 120 ist die Kurve der vorliegenden Offenbarung, während eine zweite Kurve 122 die Kurve des Stand der Technik ist; es ist zu erkennen, dass im Tiefsetzmodus bei einem Tastverhältnis der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten von kleiner als 0,5 die Spannungsverstärkungen der vorliegenden Offenbarung und des Stands der Technik normal sind, doch sobald die Tastverhältnisse der versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponenten größer als 0,5 sind, die Spannungsverstärkungen des Stands der Technik (zweite Kurve 122) stark ansteigen, während die vorliegende Offenbarung (erste Kurve 120) weiterhin geringere Spannungsverstärkungen beibehalten kann.
Der Vorteil der vorliegenden Offenbarung liegt darin, dass die Spannungsverstärkung im Hochsetzmodus nicht von einem Tastverhältnis unter 0,5 beeinflusst wird; und die Spannungsverstärkung im Tiefsetzmodus nicht von einem Tastverhältnis über 0,5 beeinflusst wird. Die Betriebsweise der Schaltkomponenten, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt werden, bewirkt, dass die Induktorenergie ausreicht und der Induktorstrom ausgeglichen ist, sodass die genannte Spannungsverstärkung unbeeinflusst durch das Tastverhältnis erzielt werden kann.
Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf ihre Ausführungsform beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf deren Einzelheiten beschränkt ist. In der vorstehenden Beschreibung wurden verschiedene Ersetzungen und Abwandlungen vorgeschlagen, und der Durchschnittsfachmann wird zu weiteren gelangen. Daher gelten alle derartigen Ersetzungen und Abwandlungen als in den Umfang der Offenbarung einbezogen, wie er in den beigefügten Schutzansprüchen definiert ist.

Claims

Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10), gekennzeichnet durch: einen Mikrocontroller (102); und eine Vielzahl von Spannungswandlern (104), die miteinander elektrisch verbunden und mit dem Mikrocontroller (102) elektrisch verbunden sind, wobei, wenn sich die Spannungswandler (104) in einem Hochsetzmodus befinden und eine Vielzahl von Tastverhältnissen der Spannungswandler (104), die durch den Mikrocontroller (102) berechnet werden, kleiner als 0,5 ist, der Mikrocontroller (102) dazu konfiguriert ist, wenigstens eins der Tastverhältnisse der Spannungswandler (104) auf 0,5 zu begrenzen; wobei, wenn sich die Spannungswandler (104) in einem Tiefsetzmodus befinden und die Tastverhältnisse der Spannungswandler (104), die durch den Mikrocontroller (102) berechnet werden, größer als 0,5 sind, der Mikrocontroller (102) dazu konfiguriert ist, wenigstens eins der Tastverhältnisse der Spannungswandler (104) auf 0,5 zu begrenzen.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Mikrocontroller (102) umfasst: einen Betriebsbegrenzer (106), der mit wenigstens einem der Spannungswandler (104) elektrisch verbunden ist.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei der Mikrocontroller (102) und die Spannungswandler (104) dazu konfiguriert sind, einen verschachtelten bidirektionalen Mehrphasenwandler zu bilden, wobei die Spannungswandler (104) umfassen: einen ersten Spannungswandler (108), der mit dem Mikrocontroller (102) elektrisch verbunden ist; und einen zweiten Spannungswandler (110), der mit dem Betriebsbegrenzer (106) und dem ersten Spannungswandler (108) elektrisch verbunden ist.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei der Mikrocontroller (102) und die Spannungswandler (104) dazu konfiguriert sind, einen verschachtelten bidirektionalen Vierphasenwandler zu bilden, wobei die Spannungswandler (104) ferner umfassen: einen dritten Spannungswandler (112), der mit dem Betriebsbegrenzer (106), dem ersten Spannungswandler (108) und dem zweiten Spannungswandler (110) elektrisch verbunden ist; und einen vierten Spannungswandler (114), der mit dem Mikrocontroller (102), dem ersten Spannungswandler (108), dem zweiten Spannungswandler (110) und dem dritten Spannungswandler (112) elektrisch verbunden ist.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei der erste Spannungswandler (108) umfasst: eine erste masseseitige Schaltkomponente (QL1), die mit dem Mikrocontroller (102) elektrisch verbunden ist und eine erste masseseitige parasitäre Diode (DL1) umfasst; eine erste versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente (QH1), die mit dem Mikrocontroller (102) und der ersten masseseitigen Schaltkomponente (QL1) elektrisch verbunden ist und eine erste versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode (DH1) umfasst; und einen ersten Induktor (L1), der mit dem zweiten Spannungswandler (110), dem dritten Spannungswandler (112), dem vierten Spannungswandler (114), der ersten masseseitigen Schaltkomponente (QL1) und der ersten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente (QH1) elektrisch verbunden ist.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei der zweite Spannungswandler (110) umfasst: eine zweite masseseitige Schaltkomponente (QL2), die mit dem Betriebsbegrenzer (106) elektrisch verbunden ist und eine zweite masseseitige parasitäre Diode (DL2) umfasst; eine zweite versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente (QH2), die mit dem Betriebsbegrenzer (106), dem ersten Spannungswandler (108) und dem dritten Spannungswandler (112) elektrisch verbunden ist und eine zweite versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode (DH2) umfasst; einen zweiten Induktor (L2), der mit dem ersten Spannungswandler (108), dem dritten Spannungswandler (112), dem vierten Spannungswandler (114) und der zweiten masseseitigen Schaltkomponente (QL2) elektrisch verbunden ist; und einen ersten Kondensator (C1), der mit dem ersten Spannungswandler (108), der zweiten masseseitigen Schaltkomponente (QL2), der zweiten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente (QH2) und dem zweiten Induktor (L2) elektrisch verbunden ist.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei der dritte Spannungswandler (112) umfasst: eine dritte masseseitige Schaltkomponente (QL3), die mit dem Betriebsbegrenzer (106) elektrisch verbunden ist und eine dritte masseseitige parasitäre Diode (DL3) umfasst; eine dritte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente (QH3), die mit dem Betriebsbegrenzer (106), dem zweiten Spannungswandler (110) und dem vierten Spannungswandler (114) elektrisch verbunden ist und eine dritte versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode (DH3) umfasst; einen dritten Induktor (L3), der mit dem ersten Spannungswandler (108), dem zweiten Spannungswandler (110), dem vierten Spannungswandler (114) und der dritten masseseitigen Schaltkomponente (QL3) elektrisch verbunden ist; und einen zweiten Kondensator (C2), der mit dem zweiten Spannungswandler (110), der dritten masseseitigen Schaltkomponente (QL3), der dritten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente (QH3) und dem dritten Induktor (L3) elektrisch verbunden ist.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei der vierte Spannungswandler (114) umfasst: eine vierte masseseitige Schaltkomponente (QL4), die mit dem Mikrocontroller (102) elektrisch verbunden ist und eine vierte masseseitige parasitäre Diode (DL4) umfasst; eine vierte versorgungsspannungsseitige Schaltkomponente (QH4), die mit dem Mikrocontroller (102), dem ersten Spannungswandler (108) und dem dritten Spannungswandler (112) elektrisch verbunden ist und eine vierte versorgungsspannungsseitige parasitäre Diode (DH4) umfasst; einen vierten Induktor (L4), der mit dem ersten Spannungswandler (108), dem zweiten Spannungswandler (110), dem dritten Spannungswandler (112) und der vierten masseseitigen Schaltkomponente (QL4) elektrisch verbunden ist; und einen dritten Kondensator (C3), der mit dem zweiten Spannungswandler (112), der vierten masseseitigen Schaltkomponente (QL4), der vierten versorgungsspannungsseitigen Schaltkomponente (QH4) und dem vierten Induktor (L4) elektrisch verbunden ist.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei der erste Spannungswandler (108) ferner umfasst: einen masseseitigen Kondensator (CL), der mit dem Mikrocontroller (102), dem zweiten Spannungswandler (110), dem dritten Spannungswandler (112) und dem vierten Spannungswandler (114) elektrisch verbunden ist; und einen masseseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt (116), der mit dem Mikrocontroller (102), dem zweiten Spannungswandler (110), dem dritten Spannungswandler (112), dem vierten Spannungswandler (114) und dem masseseitigen Kondensator (CL) elektrisch verbunden ist.
Neuartige Stromversorgungsvorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei der erste Spannungswandler (108) ferner umfasst: einen versorgungsspannungsseitigen Kondensator (CH), der mit dem Mikrocontroller (102) und dem vierten Spannungswandler (114) elektrisch verbunden ist; und einen versorgungsspannungsseitigen Eingangs-Ausgangs-Punkt (118), der mit dem Mikrocontroller (102), dem vierten Spannungswandler (114) und dem versorgungsspannungsseitigen Kondensator (CH) elektrisch verbunden ist.