DE102022210134A1

DE102022210134A1 - Vorrichtung, Ansteuereinrichtung und Verfahren zum Schalten eines Schaltelements

Info

Publication number: DE102022210134A1
Application number: DE102022210134.0A
Authority: DE
Inventors: Nico Schmied; Stefan Matlok
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-03-28
Also published as: WO2024068570A1

Abstract

Eine Vorrichtung umfasst eine Schalteranordnung mit einem Schaltelement und einer Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, um das Schaltelement basierend auf einem Abschaltstrom zu schalten, der durch den Zusammenhang bestimmt wird, dassIT0,n=VDC(Ceff1+Ceff2)3Ceff1Ceff2Lpn πwobei IT0,nder abzuschaltende Abschaltstrom durch das Schaltelement (121), VDCeine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, Ceff1eine dem Schaltelement (121) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, Ceff2eine dem Freilaufelement (142) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, Lpeine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; wobei zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist:n=2i+1,i∈ℕ;Ceff1≠Ceff2 fu¨r n=2i+1,i∈ℕ0.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer ein Schaltelement umfassenden Schalteranordnung, auf eine Ansteuereinrichtung und auf Verfahren zum Schalten eines Schaltelements. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen erweiterten Zero Overvoltage Switching-Schaltbereich (überspannungsfreies Schalten).
In der Leistungselektronik gibt es unzählige Topologien und Schaltungen, welche einen Strompfad mithilfe eines Transistors oder Halbleiterschalters ein- und abschalten. Der zu schaltende Strompfad besteht aus einem elektrischen Leiter und einer Leiterschleife, welche aufgrund von Naturgesetzen auch immer eine parasitäre Induktivität bildet. Diese Induktivität, typischerweise im Bereich von 1 nH bis 100 nH, verhindert, dass der Schaltvorgang beliebig schnell ablaufen kann. Mit zunehmend schnelleren Schaltvorgängen im Bereich von 1 ns bis 1000 ns (je nach Leistungsklasse) entstehen insbesondere beim Abschalten hohe Abschaltüberspannungen am Schaltelement.
In EP 3 512 085 A1 ist ein Konzept zum Schalten eines Halbleiterschalters mit geringen Überspannungen beschrieben.
Ausgehend hiervon wäre es wünschenswert, auch zu anderen, zusätzlichen Bedingungen ein verlustfreies oder verlustarmes Schalten zu ermöglichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Konzept zu schaffen, das es ermöglicht, ausgehend vom Stand der Technik bei weiteren, zusätzlichen Bedingungen das Schaltelement verlustarm abzuschalten.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass ein günstiger Abschaltstrom, der ein verlustarmes Abschalten ermöglicht, abhängig von einer Zwischenkreisspannung und wirksamen Kapazitäten und Induktivitäten des Kommutierungsschwingkreises bestimmt werden kann und hierzu mehrere gültige Werte vorliegen, die es weiterhin ermöglichen, durch entsprechende Wahl des zutreffenden Werts einer Leistung beispielsweise eines Gleichspannungswandlers einzustellen oder, andersherum, abhängig von einer geforderten Leistung eines Gleichspannungswandlers oder dergleichen einen entsprechenden Abschaltstrom zu ermitteln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung eine Schalteranordnung mit einem Schaltelement, das zum Abschalten eines elektrischen Strompfads eines Kommutierungskreises eingerichtet ist, wobei der Kommutierungskreis ein Freilaufelement mit einer parallel-wirksamen Kapazität aufweist. Die Vorrichtung umfasst eine Ansteuereinrichtung, die konfiguriert ist, um das Schaltelement für das Abschalten und zum Ausführen eines Schaltvorgangs zu steuern. Die Ansteuereinrichtung ist ausgebildet, um für den Schaltvorgang das Schaltelement mit einer Kanalabschaltzeitdauer zu schalten, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises, um eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen. Die Ansteuereinrichtung ist für einen Betriebszustand konfiguriert, in welchem der Schaltvorgang basierend auf einem abzuschaltenden Abschaltstrom ausgeführt wird, wenn innerhalb eines Toleranzbereichs erfüllt ist, dass $I_{T O, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_TO,n der abzuschaltende Abschaltstrom durch das Schaltelement, V_DC eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, C_eff1 eine dem Schaltelement zugeordnete wirksame, d. h. verschaltete und/oder parasitäre Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine dem Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt;
wobei zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0} .$
Mit dem Parameter n können Eigenschaften einer entsprechenden Schaltung, beispielsweise durch die unterschiedliche Größe des Abschaltstromes eine Leistung, eingestellt werden oder, andersherum, basierend auf einer Anforderung an die Vorrichtung kann durch entsprechende Wahl des Parameters eine Anpassung des Abschaltstroms erfolgen. Die Berücksichtigung unterschiedlicher wirksamer Kapazitäten ermöglicht es alternativ oder zusätzlich, eine präzise Anpassung an die tatsächlich vorliegende Schaltung vorzunehmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Ansteuereinrichtung ausgebildet, um ein Schaltelement zum Ausführen eines Abschaltvorgangs zu schalten. Hierzu ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, um basierend auf einer Eigenschaft des Schaltelements zu ermitteln, dass ein Abschaltstrom, der durch das Schaltelement fließt, innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt, dass $I_{T O, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der Abschaltstrom, V_DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskreises, der den Halbleiteschalter umfasst, C_eff1 eine dem Schaltelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine einem mit dem Schaltelement in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und
zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0}$
und um das Schaltelement basierend auf dem Ergebnis zu schalten.
um ein Ergebnis zu erhalten, und um das Schaltelement basierend auf dem Ergebnis zu steuern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung mit einer Schalteranordnung mit einem Schaltelement, das zum Abschalten eines elektrischen Strompfads des Kommutierungskreises eingerichtet ist, wobei der Kommutierungskreis ein Freilaufelement mit einer parallel-wirksamen Kapazität aufweist, folgende Schritte: Steuern des Schaltelements für das Abschalten und zum Ausführen eines Schaltvorgangs. Hierbei wird, für den Schaltvorgang, das Schaltelement mit einer Kanalabschaltzeitdauer geschaltet, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises, um eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen, und der Schaltvorgang wird basierend auf dem abzuschaltenden Abschaltstrom ausgeführt, wenn innerhalb einer Toleranzbereichs erfüllt ist, dass $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei l_T0,n der abzuschaltende Abschaltstrom durch das Schaltelement, V_DC eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, C_eff1 eine dem Schaltelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine dem Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und
so dass zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0} .$
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Schaltelements zum Ausführen eines Abschaltvorgangs ein Ermitteln, basierend auf einer Eigenschaft des Schaltelements und zum Erhalt eines Ergebnisses, dass ein Abschaltstrom, der durch das Schaltelement fließt, innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt, dass $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der Abschaltstrom, V_DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskreises, der den Halbleiteschalter umfasst, C_eff1 eine dem Schaltelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine einem mit dem Schaltelement in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und
zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0} .$
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein schematisches Blockschaltbild der Topologie der Vorrichtung aus 1 unter Hervorhebung der aktiven Teilnehmer eines Resonanzkreises;
3 schematische Diagramme zur Erörterung gegenüber bekannten Maßnahmen zusätzlicher Schaltströme in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4a-c exemplarische Darstellungen von Spannungen über einen beispielhaft ausgestalteten Halbleiterschalter der Vorrichtung aus 1 in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung zweier Kurven von Parametern einer Vorrichtung aus in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
6a-b beispielhafte zeitliche Zusammenhänge unterschiedliche Parameter hierin beschriebener Ausführungsbeispiele.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf das Schalten, insbesondere das Abschalten, eines Schaltelementes. Einige der Ausführungsbeispiele nehmen dabei insbesondere Bezug auf den Einsatz eines Halbleiterschalters als Schaltelement, wobei die Ausführungsbeispiele nicht hierauf beschränkt sind. Alternativ oder zusätzlich zu einem Halbleiterschalter können auch andere Schaltelemente angeordnet werden, die zum Wechsel zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand konfiguriert sind, etwa Relais oder MEMS-Relais, Transistoren, etwa auf Kohlenstoffnanoröhrchen, (Carbon-Nano-Tubes; CNT)-Werkstoffen und/oder Diamant-Werkstoffen basierend ausgeführt. Transistoren können auch als MOSFET-Transistoren oder Bipolartransistoren und/oder in einer anderen Fertigungstechnologie als MOS gefertigt werden.
Ein mögliches Anwendungsgebiet eines derartigen Schaltelemente ist ein Gleichspannungswandler, wobei Strompfade unter Verwendung von Schaltelementen auch in anderen Umgebungen abgeschaltet werden, etwa zum Betrieb oder Deaktivieren von Lasten.
Gleichspannungswandler können konfiguriert sein, um Gleichspannung mit einem ersten elektrischen Spannungslevel oder Potenzial auf ein zweites elektrisches Spannungslevel oder Potenzial umzusetzen, wobei das zweite Level größer oder kleiner sein kann als das erste Level. Gleichspannungswandler können einen Halbleiterschalter aufweisen, der von einer Ansteuereinrichtung geschaltet wird.
Nachfolgende Ausführungsbespiele beziehen sich auf Schaltvorgänge in Halbleiterschaltern. Diese sind im Rahmen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Kommutierungsvorgängen in Kommutierungskreisen verknüpft, beispielsweise im Zusammenhang mit Gleichspannungswandlern. Das bedeutet, der Kommutierungsvorgang kann durch den Schaltvorgang ausgelöst werden. Insofern kann im Rahmen mancher der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele synonym davon gesprochen werden, dass ein Schaltvorgang einen Erregerschwingkreis des Kommutierungskreises anregt und dass ein durch den Schaltvorgang angestoßener Kommutierungsvorgang den Erregerschwingkreis des Kommutierungskreises anregt.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eine Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Schalteranordnung 12 mit zumindest einem Halbleiterschalter 12₁. 1 zeigt eine beispielhafte Halbbrückentopologie eines Gleichspannungswandlers, in der lediglich zu Illustrationszwecken zwei Halbleiterschalter 12₁ und 12₂ angeordnet sind. Diese sind beispielhaft als MOSFET-Transistoren gebildet und weisen möglicherweise intrinsische Body-Dioden 14₁ bzw. 14₂ auf, die als D₁ und D₂ bezeichnet sind. Es wird aber darauf hingewiesen, dass alternativ zu einer Body-Diode sowohl bei MOSFET-Transistoren als auch bei anderen Implementierungen ein diskretes Freilaufelement verschaltet oder gekoppelt werden kann. Ferner zeigt die 1 für die Halbleiterschalter 12₁ und 12₂ wirksame Kapazitäten C_eff1 bzw. C_eff2, die beispielsweise parasitäre Kapazitäten der Transistoren 12₁ und 12₂ umfassen können, aber nicht hierauf limitiert sind. So können beispielsweise auch noch zusätzliche Kapazitäten angeordnet werden, etwa durch Bereitstellung diskreter Bauelemente, um die wirksame Kapazität anzupassen.
Obwohl die 1 eine Halbbrückentopologie mit zwei Halbleiterschaltern 12₁ und 12₂ zeigt, können andere Topologien weniger als zwei Halbleiterschalter, also einen Halbleiterschalter, aufweisen oder mehr als zwei Halbleiterschalter umfassen, beispielsweise drei, vier oder mehr. Die Topologie kann dabei prinzipiell beliebig von einer Halbbrückentopologie abweichen.
Der Halbleiterschalter 12₁ ist dabei zum Abschalten eines elektrischen Strompfads eines Kommutierungskreises eingerichtet. Der Kommutierungskreis umfasst ein Freilaufelement, etwa die Diode 14₂ und eine zu dem Freilaufelement parallel-wirksamen Kapazität C_eff2 bzw. 16₂. Das Freilaufelement kann dem Halbleiterschalter 12₂ zu geordnet sein oder ein diskretes Bauelement sein. Zu einem andern Zustand der Schaltung der 1 können die Rollen der Halbleiterschalter 12₁ und 12₂ vertauscht sein und bspw. der Halbleiterschalter 12₂ geschaltet werden, was zu einer korrespondierenden komplementären Änderung des oben beschriebenen mathematischen Zusammenhangs führt.
Eine Ansteuereinrichtung 18 der Vorrichtung 10 ist konfiguriert, um den Halbleiterschalter 12₁ und/oder den Halbleiterschalter 12₂ zu steuern. Hierzu kann die Ansteuereinrichtung 18 Steuersignale 22₁ bzw. 22₂ bereitstellen, die unmittelbar oder mittelbar, etwa unter Zwischenschaltung eines Treibers oder eines Verstärkers, mit Steuereingängen 24₁ bzw. 24₂ gekoppelt sind, die ausgebildet sind, um ein entsprechendes Eingangssignal 22'₁ bzw. 22'₂ zu empfangen, welcher auf den Ansteuersignalen 22₁ bzw. 22₂ basieren können oder diesen entsprechen.
Wie es nachfolgend noch detailliert ausgeführt wird, ist die Ansteuereinrichtung 18 ausgebildet, um für den Schaltvorgang den Halbleiterschalter 12₁ mit einer Kanalabschaltzeitdauer zu schalten, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises. Dies ermöglicht es, eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen. Die Ansteuereinrichtung 18 ist dabei für einen Betriebszustand konfiguriert, in welchem der Schaltvorgang des Schalters 12₁ basierend auf einem abzuschaltenden Abschaltstrom ausgeführt wird. Für den Abschaltstrom ist innerhalb eines Toleranzbereichs erfüllt, dass $I_{T O, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{2}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
Dabei beschreibt I_TO,n den abzuschaltenden Abschaltstrom durch den Halbleiterschalter 12₁, V_DC die Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, C_eff1 eine dem Halbleiterschalter 12₁ zugeordnete wirksame, das heißt, verschaltete und/oder parasitäre Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine dem Freilaufelement zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises und L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises, n beschreibt eine natürliche Zahl. Dabei ist zumindest eine der Bedingungen erfüllt, dass n = 2i + 1, i ∈ ℕ. Alternativ oder zusätzlich ist erfüllt, dass C_eff1 ≠ C_eff2 für n = 2i + 1, i ∈ ℕ₀. Anders ausgedrückt, ist der Parameter n eine natürliche ungerade Zahl > 1 und/oder die beiden Kapazitäten unterscheiden sich.
Jede der beiden Bedingungen a) n > 1 einerseits und b) C_eff1 ≠ C_eff2 andererseits kann dabei unabhängig voneinander implementiert werden und ermöglicht entsprechende Vorteile.
Für steigende Werte des Parameters n kann daraus erhalten werden, dass der Abschaltstrom bei der mit steigenden Werten für n assoziierten zunehmenden Kommutierungszeitdauern_ZOS,n abnimmt. Dies kann bei der Verwendung in einem Gleichspannungswandler beispielsweise in abnehmender abgegebener Leistung resultieren.
Weiterhin zeigt die 1 eine möglicherweise in der Praxis vorkommende Schaltanordnung mit einer Zwischenkreiskapazität C_DC sowie einer Phaseninduktivität L_ph. Eine Schaltzelle umfasst bspw. das Schaltelement 12₁ und 12₂ und das jeweilige Freilaufelement 14₁ bzw. 14₂ sowie eine wirksame Kommutierungsinduktivität Lp, die jeweils parasitäre und/oder diskrete Induktivitäten umfassen kann. Ferner kann die Schaltzelle eine zu den Schaltelementen 12₁, 12₂ und Freilaufelementen 14₁ 14₂ wirksame Parallelkapazitäten C_eff1 (16₁) und C_eff2 (16₂) umfassen. Die Spannung v_mp bezeichnet die über dem geschalteten Schaltelement 12₁ abfallende Spannung. Die in 1 dargestellten Spannungen v_mp und v_T2 beziehen sich auf die über den Schaltelementen 12₁ bzw. 12₂ abfallende Spannungen, von denen v_mp im Zusammenhang mit der 7b noch näher erörtert wird.
Die Spannungen V_DC und V_LS führen in Verbindung mit der Schalteransteuerung zu einem sich ändernden Stromfluss in der Phaseninduktivität L_ph. Im Abschaltvorgang wird von dem jeweiligen Schaltelement, hier der Halbleiterschalter 12₁, somit gefordert, einen Strom I_TO,n (Turn-Off), den Abschaltstrom, abschalten, der dem momentanen Stromfluss durch L_ph entspricht. Durch das Abschalten ändert sich der Strompfad vom Schaltelement hin zum Freilaufelement. Diese Änderung kann als Kommutierungsvorgang bezeichnet werden. Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beschreiben ein vorteilhaftes Verfahren sowie entsprechende Vorrichtungen zur Umsetzung dieser Kommutierung.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Topologie der Vorrichtung 10 unter Hervorhebung der aktiven Teilnehmer des Resonanzkreises. Die 2 ist beispielsweise gültig für einen Zustand nach dem Abschalten des Kanals des Transistors T1, aber während der Kommutierungsdauer t_ZOS,n. Die Phaseninduktivität L_ph kann hierzu durch eine Stromquelle 26 ersetzt werden. Der Resonanzkreis bzw. Kommutierungskreis bezieht dabei die parasitäre Induktivität L_p, das Freilaufelement 14₂ sowie die Kapazitäten 16₁ und 16₂ bzw. C_eff1 und C_eff2 mit ein.
In anderen Worten wird der Resonanzkreis, der die parasitären Elemente umfasst, durch einen bestimmten Abschaltstrom angeregt, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Beispielhaft wird anhand der 1 und 2 eine Halbbrückentopologie herangezogen, das beschriebene ZOS (Zero Overvoltage Switching, überspannungsfreies oder -vermeidendes Schalten) gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ist jedoch für eine Vielzahl an hartschaltenden Topologien einsetzbar.
Der Resonanzkreis umfasst beispielsweise die parasitären Kapazitäten C_eff1 und C_eff2 der beiden Leistungshalbleiter T₁ und T₂ sowie die parasitäre Induktivität L_p. Während in EP 3 512 085 A1 der Resonanzkreis so angeregt wird, dass nach einer halben Periode der Resonanzfrequenz die Kommutierung abgeschlossen ist, erlauben hierin beschriebene Ausführungsbeispiele hiervon verschiedene Einstellung des Abschaltvorgangs.
Das bekannte Konzept erreicht einen Abschaltstrom für n=1. In der folgenden Formel ist der Zusammenhang zwischen der Periodendauer des resonanten Schwingkreises und der Zeit, in der die Kommutierung abgeschlossen werden kann, dargestellt: $t_{Z O S, n} = \frac{1}{2} n t_{r e s}$
wobei t_res die Periodendauer der Resonanzschwingung und t_ZOS,n die Kommutierungsdauer bzw. die Zeit, in der die Kommutierung abgeschlossen werden kann, beschreibt.
Wird allerdings ausgehend von dem bekannten Konzept der Resonanzkreis mit geringem Strom angeregt, das bedeutet, ein geringerer Abschaltstrom liegt während des Schaltens vor, ist es möglich, dass sich die Kommutierungszeitdauer verlängert.
Durch das erfindungsgemäße Konzept ist es möglich, den benötigten Abschaltstrom verglichen mit bekannten Konzepten für weitere Abschaltströme zu berechnen. Im Unterschied zu dem bekannten Konzept werden hierbei nicht nur identische Werte der wirksamen Kapazitäten berücksichtigt, sondern auch Ausführungsformen, bei denen sich diese Werte unterscheiden. In 2 ist ein zur 1 zumindest in Teilen äquivalenter Schaltkreis gezeigt, der eine minimale Anzahl an benötigten Bauelementen umfasst. Der Abschaltstrom I_TO,n wird durch eine ideale Stromquelle 26 modelliert. Die Diode D₂, 14₂ beendet die Kommutierung.
Zurückkommend auf die in der 1 dargestellte Vorrichtung 10 kann die Ansteuereinrichtung 18 ausgebildet sein, um den Abschaltstrom durch das Schaltelement, also den Strom I_TO,n einzustellen oder zu steuern. Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um den Abschaltstrom basierend auf zumindest einem aus dem Lesen eines Datenbankeintrags, einer Berechnung, einer Analogschaltung oder einer Annäherung zu bestimmen. Eine Analogschaltung kann beispielsweise einen oder mehrere Transistoren, Operationsverstärker und/oder andere Bauelemente umfassen, die in der Lage sind, die oben bezeichnete Abhängigkeit für den Abschaltstrom abzubilden. Das bedeutet, die Ansteuereinrichtung kann mittelbar oder unmittelbar Kenntnis über den vorliegenden Abschaltstrom erlangen, um zu bestimmen, wann der für den Abschaltvorgang korrekte oder zumindest angenäherte Strom vorliegt.
Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um den Abschaltstrom vermittels einer Wahl eines dem Abschaltstrom I_TO,n zugeordneten Schaltzeitpunktes einzustellen, insbesondere eines Schaltzeitpunktes innerhalb einer Taktperiode.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung 18 ausgebildet sein, um den Abschaltstrom durch den Halbleiterschalter 12₁ basierend auf einem Referenzstrom einzustellen. Dies kann beispielsweise durch eine sogenannte Peak-Current-Mode-Regelung erfolgen, woran die Ansteuereinrichtung 18 erkennen kann, dass ein korrekter Wert des Abschaltstroms vorliegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung 18 ausgebildet sein, um den Schaltvorgang auf ein Auftreten einer schaltungsinduzierten Überspannung an den Halbleiterschalter auszuwerten, um ein Auswerteergebnis zu erhalten. Das Auswerteergebnis kann eine Abweichung des Schaltparameters von einem Parameterzielwert angeben und die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um für einen zukünftigen Schaltvorgang den Abschaltstrom durch den Halbleiterschalter anzupassen, um die schaltungsinduzierte Überspannung zu verringern. Das bedeutet, die Ansteuereinrichtung 18 kann eine Überwachung der beabsichtigten Schaltergebnisse und/oder Überspannungen ausführen. Die Ansteuereinrichtung 18 kann den Abschaltstrom dann anpassen, um Regelungsfehler zu kompensieren, die beispielsweise durch Abweichungen auftreten können, etwa wenn abgelesene Datenbankeinträge oder andere Schätzwerte oder Referenzwerte aufgrund realer Bedingungen nicht erfüllt werden. Dies ermöglicht eine Vermeidung von nachteiligen Effekten in der Schaltung.
Eine Möglichkeit, die Ansteuereinrichtung in die Lage zu versetzen, einen Betrieb anzupassen, kann alternativ oder dadurch erhalten werden, dass die Ansteuereinrichtung ausgebildet ist um den Halbleiterschalter 12₁ basierend auf einem Referenzstromwert zu steuern, das bedeutet, wenn der Referenzstromwert erreicht ist, wird der Schaltvorgang ausgelöst. Alternativ oder zusätzlich kann eine Einstellung einer Pulsweite ausgeführt werden, wobei die Pulsweite mit einem zugehörigen Abschaltstrom assoziiert sein kann, etwa, dass eine größere Pulsweite mit einem höheren Strom assoziiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuereinrichtung basierend auf einer Zeitpunktvorgabe für einen Schaltzeitpunkt den Halbleiterschalter schalten.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Ansteuereinrichtung kann ausgehend von der Kenntnis, dass zusätzliche überspannungsarme Zustände in der Schaltung vorliegen, zu denen die Abschaltvorgänge ausgelöst werden können, erreicht werden. So kann von einer entsprechend ausgerichteten Schaltung, etwa einem Gleichspannungswandler oder einer anderen Form von Wandler, eine aus einer Mehrzahl von vordefinierten Ausgangsleistungen abrufbar sein. Durch Wahl des Abschaltstroms kann die geforderte Ausgangsleistung abgerufen werden und beispielsweise kann zu mehreren oder gar allen der einstellbaren geforderten Leistungen ein jeweils guter, idealer oder gar optimaler Abschaltstrom ermittelt werden oder in einem für die Ansteuereinrichtung 18 zugänglichen Datenspeicher hinterlegt. Das bedeutet, ein entsprechender Abschaltstrom kann durch die Ansteuereinrichtung ermittelt werden oder kann der Ansteuereinrichtung mitgeteilt werden oder eine Kombination hieraus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines derartigen Konzepts ist es ebenfalls möglich, dass die geforderte mittlere Ausgangsleistung oder die mittlere Ziel-Ausgangsleistung von den vordefinierten Referenzwerten abweicht. In einem derartigen Fall, in dem sich die geforderte Ziel-Ausgangsleitung beispielsweise zwischen zwei vordefinierten Ausgangsleistungen bewegt, kann die Ansteuereinrichtung ausgebildet sein, um einen Betrieb der Vorrichtung basierend auf einer Kombination unterschiedlicher vordefinierter Werte des Abschaltstroms zu steuern, um die Ziel-Ausgangsleistung zumindest anzunähern. Eine Kombination kann beispielsweise ein zeitlicher Wechsel zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi, das heißt, Abschaltströmen, sein und/oder kann sich auf die Bestimmung eines Mischwerts beziehen. Das bedeutet, für den Fall, dass die Vorrichtung in die Situation versetzt wird, dass eine Leistung von der Vorrichtung gefordert wird, zu der die Ansteuereinrichtung keinen erfindungsgemäßen Abschaltstrom kennt, kann sie den anzuwendenden Abschaltstrom aus Werten des Abschaltstroms anderer Leistungen herleiten, etwa durch zeitlichen Wechsel oder durch Kombination. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuereinrichtung aber auch ausgebildet sein, um den jeweiligen optimalen Abschaltstrom zu berechnen oder bestimmen und entsprechend einzustellen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung unter Anwendung eines vordefinierten Abschaltstroms durch die Ansteuereinrichtung gesteuert werden, wobei die Ansteuereinrichtung ausgebildet sein kann, um denjenigen vordefinierten Abschaltstrom für von vordefinierten mittleren Ziel-Ausgangsleistungen abweichenden Ausgangsleistungen zu wählen, der eine geringste Abweichung zwischen der erhaltenen vordefinierten Ausgangsleistung und der mittleren geforderten Ziel-Ausgangsleistung aufweist. Damit können zumindest die durch mögliche Überspannungen erhaltenen negativen Effekte limitiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, um die von den unterschiedlichen vordefinierten Ausgangsleistungen abweichende mittlere Ziel-Ausgangsleistung basierend auf einem zeitlichen Wechsel zwischen unterschiedlichen vordefinierten Werten des Abschaltstroms, beispielsweise Abschaltströmen, die jeweils mit vordefinierten Ausgangsleistungen assoziiert sind, basierend auf einem Valley-Skipping und/oder basierend auf einem Burst-Mode bereitzustellen. Der Burst-Mode kann vorteilhaft sein, wenn ein niedriger oder sehr niedriger Lastbereich vorliegt, da er die Möglichkeit eröffnet, nur sporadisch überhaupt Last zu übertragen. Dadurch kann bei einem Wandler beispielsweise ein Betrieb hinab bis zu 0 % der Last ermöglicht werden. Das Valley-Skipping (Talhüpfen) kann beispielsweise dergestalt ausgeführt werden, dass der Wandler die Leistung variiert, indem der Einschaltzeitpunkt verschoben wird und dadurch Zeiträume ohne effektive Leistungsübertragung entstehen. Dies ermöglicht eine Leistungsregelung um einen Faktor von beispielsweise ca. 2.
Ist die Ansteuereinrichtung beispielsweise ausgebildet, um zum Bereitstellen der von den unterschiedlichen vordefinierten mittleren Ausgangsleistungen abweichende mittlere Ziel-Ausgangsleistung bereitzustellen, so kann die Vorrichtung in einem Misch-Betriebszustand gesteuert werden, um zumindest zwischen einem ersten vordefinierten Wert des Abschaltstroms und einem zweiten vordefinierten Wert des Abschaltstroms dynamisch zu wechseln, etwa hin- und herzuspringen. Dadurch kann erreicht werden, dass im zeitlichen Mittel die mittlere Ziel-Ausgangsleistung aus den unterschiedlichen Werten des durch die vordefinierten Werte der Abschaltströme erhaltenen Einzel-Ausgangsleistungen im zeitlichen Mittel erhalten werden. Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um eine mit einem vordefinierten Wert des Abschaltstroms einer vordefinierten mittleren Ausgangsleistung assoziierte Taktperiode des Abschaltvorgangs anzupassen, um einen gegenüber dem vordefinierten Wert des Abschaltstroms abweichenden Abschaltstrom zu erhalten und/oder um einen Zielwert für den Abschaltstrom gegenüber einem vordefinierten Wert des Abschaltstroms zu verändern, um unter Inkaufnahme zunehmender Überspannungen einen mittleren Ausgangsstrom für die Ausgangsleistung zu ändern. Jeder dieser Schritte, der dynamische Wechsel, das Anpassen der Taktperiode und/oder das Anpassen eines Zielwerts für den Abschaltstrom kann eine Anpassung des Betriebszustands ermöglichen und/oder gegenüber vordefinierten Betriebszuständen zusätzliche Betriebszustände ermöglichen.
Die Ansteuereinrichtung kann zum Einstellen des vorteilhaften Abschaltstroms ausgebildet sein, um eine Zwischenkreisspannungsinformation zu erhalten, wobei dies beispielsweise durch Vorab-Kenntnisse durch Messungen und/oder andere Informationsdarlegung erfolgen kann. Die Zwischenkreisspannungsinformation kann eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, die Spannung V_DC, angeben, etwa codiert oder als unmittelbaren Wert. Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um den Abschaltstrom basierend auf der Zwischenkreisspannungsinformation zu bestimmen. Die Zwischenkreisspannung kann beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Betriebszustände der Vorrichtung und/oder der Schalteranordnung veränderlich oder eingestellt werden und zu Veränderungen in dem Abschaltstrom führen, der durch die Ansteuereinrichtung berücksichtigt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung mit einem Datenspeicher gekoppelt sein, in dem für eine Mehrzahl von Zwischenkreisspannungsinformationen zumindest eine zugeordnete Abschaltstrominformation hinterlegt ist. Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um die der Zwischenkreisspannungsinformation zugeordnete Abschaltstrominformation zu lesen und den Abschaltstrom für den Schaltvorgang basierend auf der Abschaltstrominformation einzustellen. Das bedeutet, die Ansteuereinrichtung kann aus dem Datenspeicher Informationen auslesen, die eine Höhe des einzustellenden Abschaltstroms angeben. Für einen spezifischen Wert oder Wertebereich der Zwischenkreisspannungsinformation kann zumindest ein Wert für die Abschaltstrominformation vorliegen, wobei sich diese Information beispielsweise auf den Strom selbst, einen Zeitpunkt oder andere assoziierte Informationen beziehen können, aus denen die Ansteuereinrichtung 18 den entsprechenden Strom gemäß der vorliegenden Erfindung ableiten und einstellen kann.
Die Ansteuereinrichtung 18 kann somit mit dem Datenspeicher gekoppelt sein, in dem für eine Mehrzahl von Werten eines Betriebsparameters, wie etwa der Zwischenkreisspannungsinformationen und/oder Strömen, Spannungen oder dergleichen in der Vorrichtung, jeweils zumindest eine zugeordnete Abschaltstrominformation hinterlegt ist, die einen Zielwert für den Abschaltstrom angibt. Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um den Strom durch den Halbleiterschalter basierend auf dem Zielwert zu steuern oder einzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass nicht nur ein Wert der Abschaltstrominformation hinterlegt ist, sondern, je nach Implementierung in dem Datenspeicher, mehrere Abschaltstrominformationen in Abhängigkeit zumindest eines weiteren Betriebsparameters und/oder eine Abhängigkeit der Abschaltstrominformation im Hinblick auf den zumindest zweiten Betriebsparameter. Als Betriebsparameter können beispielsweise unterschiedliche Temperaturen der Vorrichtung verstanden werden oder verschiedene andere Parameter, die den Betrieb der Vorrichtung beeinflussen können, beispielsweise eine Zeitinformation, die eine Alterung oder anderweitige Veränderung des Betriebszustands angibt. Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um die dem Betriebsparameter (etwa Zwischenkreisspannungsinformation) zugeordnete Abschaltstrominformationen aus dem Datenspeicher basierend auf dem ersten Betriebsparameter und dem zumindest zweiten Betriebsparameter zu lesen und daraus den Zielwert für den Abschaltstrom zu bestimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung die benötigten Informationen ganz oder teilweise messen oder ganz oder teilweise schätzen oder anderweitig empfangen, beispielsweise über Datensignale. Die Ansteuereinrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um Messwertinformationen zu erhalten, die mit einem Wert eines Betriebszustands assoziiert sind, also diesen mittelbar oder unmittelbar angeben, und kann ausgebildet sein, um einen Zielwert für den Abschaltstrom basierend auf der Messwertinformation zu berechnen. So kann die Ansteuereinrichtung basierend auf den Messwertinformationen den anzulegenden oder einzustellenden Abschaltstrom direkt ableiten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der im Zusammenhang mit hierin erörterten Ausführungsbeispielen beschriebene Kommutierungsschwingkreis ein diskretes induktives oder diskretes kapazitives Bauelement aufweisen, das so verschaltet ist, um kombinatorisch mit einem parasitären Kapazitätswert oder einem parasitären Induktivitätswert des Kommutierungsschwingkreises zu wirken und die Resonanzschwingung zu beeinflussen.
Zum Ansteuern bzw. Schalten eines Halbleiterschalters einer hierin beschriebenen Schalteranordnung kann zwar ein Gate-Vorwiderstand verwendet werden, allerdings ist dies nicht erforderlich, weswegen auf die Verwendung eines diskreten Widerstandselements auch verzichtet werden kann. Die Ansteuereinrichtung kann eingerichtet oder konfiguriert sein, um den Schaltvorgang mit einer Kanalabschaltzeitdauer wie nachfolgend dargelegt auszuführen. Eine Leistungsfähigkeit des Treibers sollte dabei so ausgelegt sein, dass der Treiber in der Lage ist, die Kanalabschaltzeitdauer geringer einzustellen als die Resonanzfrequenz t_res. Vorteilhaft mit einer Zeit von höchstens 1/2 t_res, besonders bevorzugt 1/4 t_res. Je geringer die Kanalabschaltzeitdauer, desto geringer kann die resultierende Überspannung erhalten werden. Unter der Schaltdauer wird diejenige Zeitdauer verstanden, in welcher der Strom im aktiven Bereich des Halbleiterschalters von 90 % des Abschaltstroms I_TO,n auf 10 % des Abschaltstroms absinkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterschalter 12₁ ausgelegt, um in einem bestimmungsgemäßen Betrieb hartschaltend betrieben zu werden. Alternativ oder zusätzlich ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, um den Halbleiterschalter 12₁ hart zu schalten. Unter einem harten Abschalten wird verstanden, dass das Abschalten gleichzeitig bei hohem Strom und hoher Spannung erfolgt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kommutierungsschwingkreis Teil einer Kommutierungszelle eines leistungselektronischen Energiewandlers, etwa eines Gleichspannungswandlers, eines Ladegeräts, etwa bei On-Board-Chargern und/oder eines bürstenlosen Gleichstrommotors, BLDC-Motor, und/oder in einer Beleuchtungsanwendung wie bei einem LED-Treiber. Dies ermöglicht die vorteilhafte Anwendung des hierin beschriebenen Prinzips in einem derartigen Gleichspannungswandler.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine hierin beschriebene Vorrichtung, etwa die Vorrichtung 10, als Gleichspannungswandler gebildet, der eines aus einem Aufwärtswandler (Boost-Converter), einem Abwärtswandler (Buck-Converter), einem Halbbrückenwandler, einem Vollbrückenwandler, einem invertierenden Wandler und einem Sperrwandler (Flyback-Converter) umfasst. Dies ermöglicht die Anwendung des beschriebenen vorteilhaften Konzepts in unterschiedlichen Ausgestaltungen eines Gleichspannungswandlers, wobei auch andere Implementierungen jenseits eines Gleichspannungswandlers möglich sind.
Unabhängig von dem Einsatz der Ansteuereinrichtung 18 in der Vorrichtung 10 kann die Ansteuereinrichtung 18 derart vorkonfiguriert sein, dass sie ausgebildet ist, um einen Halbleiterschalter zum Ausführen eines Abschaltvorgangs zu schalten, etwa bei einem späteren Verschalten den Halbleiterschalter 12₁. Die Ansteuereinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um basierend auf einer Eigenschaft des Halbleiterschalters zu ermitteln, dass ein Abschaltstrom, der durch den Halbleiterschalter innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt, dass $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der Abschaltstrom, V_DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskreises, der den Halbleiteschalter umfasst, C_eff1 eine dem Halbleiterschalter 12₁ zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine einem mit dem Halbleiterschalter 12₁ in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement 14₂ zugeordnete wirksame Kapazität, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und
zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0}$
und um den Halbleiterschalter (12₁) basierend auf dem Ergebnis zu schalten.
Darunter kann verstanden werden, dass die Ansteuereinrichtung Kenntnis über den einzustellenden Abschaltstrom hat und den Abschaltstrom entsprechend einstellt und/oder Zeitpunkte des Abschaltens entsprechend wählt.
Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um die Eigenschaft des Halbleiterschalters selbst zu bestimmen, etwa durch Messen, Annäherung oder Abschätzung und/oder entsprechende Werte vorzuhalten, etwa in einem Datenspeicher. Die Ansteuereinrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die ausgebildet ist, um die entsprechenden Informationen von einem Datenspeicher und/oder einem Sensor zu erhalten.
Die Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um den Halbleiterschalter basierend auf einem Referenzstromwert zu steuern, beispielsweise dergestalt, dass ein Schaltvorgang erfolgt, wenn der Referenzstromwert erreicht ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuereinrichtung zur Einstellung einer Pulsweite implementieren. Hierzu kann eine Topologie und die jeweils verwendeten Bauteile mitberücksichtigt werden. Durch eine Variation der Pulsbreite kann sich in einem breiten Bereich oder nahezu beliebig ein Stromwert durch eine Induktivität einprägen lassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuereinrichtung auf eine Zeitpunktvorgabe für einen Schaltzeitpunkt zurückgreifen, um den Halbleiterschalter basierend hierauf zu schalten.
Im Zusammenhang mit der Funktion zur Ermittlung der optimalen Schaltströme in der Vorrichtung 10 und/oder der Ansteuereinrichtung 18 können zur Ermittlung der optimalen Schaltströme diese entsprechend der angegebenen Formel abhängig von der Spannung, der parasitären Induktivität und den parasitären Kapazitäten, gegebenenfalls ergänzt durch diskrete Bauelemente, ermittelt werden. Die Schaltströme können somit beispielsweise durch Berechnung entsprechender Formel oder durch Ablesen entsprechend einer Tabelle oder durch selbstständiges Ermitteln der optimalen Ströme ermittelt werden. Sind die optimalen Schaltströme bekannt, so kann optional zur Steuerung des Transistors, Halbleiterschalters, die Regeleinrichtung oder Ansteuereinrichtung den Schaltstrom einstellen. Dies kann über das Steuern des abzuschaltenden Transistors erfolgen. Die Steuereinrichtung kann den optimalen Strom beispielsweise durch Vorgabe eines Referenzwerts, die Vorgabe einer passenden Pulsweite und/oder die Vorgabe eines passenden Schaltzeitpunkts erreichen. Eine optionale Funktion besteht dabei weiterhin in der Leistungsregelung. So können Anwendungen vorliegen, bei denen unterschiedliche Leistungen gefordert sind, welche gegebenenfalls nicht den mittleren Strom der Schaltung, resultierend aus dem Abschaltstrom, ergeben. Zur Einregelung der gewünschten Leistung kann die Ansteuereinrichtung einen möglichst passenden Abschaltstrom gemäß des hier offenbarten Zusammenhangs wählen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerungseinrichtung zwischen zwei oder mehr Abschaltströmen I_T0,N abwechseln, um im Mittel den gesuchten Strom zu erhalten oder anzunähern.
Ein Verfahren, beispielsweise um die Vorrichtung 10 zu steuern, kann insofern ein Steuern des Halbleiterschalters für das Abschalten und zum Ausführen eines Schaltvorgangs umfassen. Das Verfahren wird so ausgeführt, dass für den Schaltvorgang der Halbleiterschalter mit einer Kanalabschaltzeitdauer geschalten wird, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises, um eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen. Der Schaltvorgang wird basierend auf dem abzuschaltenden Abschaltstrom ausgeführt, indem innerhalb eines Toleranzbereichs sichergestellt ist, dass $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der abzuschaltende Abschaltstrom durch den Halbleiterschalter (12₁), V_DC eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, C_eff1 eine dem Halbleiterschalter (12₁) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine dem Freilaufelement (14₂) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und
so dass zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0} .$
Korrespondierend zum Verfahren zum Steuern der Vorrichtung kann ein Verfahren zum Steuern eines Halbleiterschalters zum Ausführen eines Abschaltvorgangs, etwa unter Zuhilfenahme einer hierin beschriebenen Ansteuervorrichtung, umfassen, dass ein Ermitteln erfolgt, basierend auf einer Eigenschaft des Halbleiterschalters und zum Erhalt eines Ergebnisses, dass ein Abschaltstrom, der durch den Halbleiterschalter fließt, innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt oder zu erfüllen hat, dass $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der Abschaltstrom, V_DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskreises, der den Halbleiteschalter umfasst, C_eff1 eine dem Halbleiterschalter (12₁) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine einem mit dem Halbleiterschalter (12₁) in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement (14₂) zugeordnete wirksame Kapazität, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und
zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0} .$
Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Abschalten dann erfolgt, wenn der passende Abschaltstrom vorliegt. Dies kann durch einen Eingriff in den Abschaltvorgang und/oder durch ein Einstellen des Stroms erfolgen.
3 zeigt eine schematische Gegenüberstellung zweier Diagramme 34₁ und 34₂ auf einer gemeinsamen Zeitachse t. Während Diagramm 34₁ den Strom i_T1 durch das Schaltelement 12₁ bzw. T₁ zeigt, zeigt Diagramm 34₂ entsprechende Kurven für den Strom i_T2 durch das Schaltelement 12₂ bzw. T₂. Dargestellt sind jeweilige schematische Verläufe für unterschiedliche Abschaltströme I_TO,1, I_TO,3, I_TO,5, aus der Reihe I_TO,n, wobei die Amplitude des Abschaltstroms für steigenden Index n abnimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Index n auch größere Werte aufweisen kann, bspw. 7, 9, 11 oder noch höher.
Die Kanalabschaltzeitdauer t_off ist in der schematischen Darstellung vergleichsweise lang dargestellt, um eine deutliche Unterscheidbarkeit der Kurven 32₁ bis 32₃ im Diagramm 34₁ zu ermöglichen. Tatsächlich kann die Kanalabschaltzeitdauer t_off sehr kurz sein, was in einer grafischen Darstellung zu sich nahezu überlagernden und fast senkrechten Kurven führen würde, wie es bspw. in 6b gezeigt ist. Mit sinkendem Strom I_TO,n steigt die zugehörige Kommutierungsdauer t_ZOS,n wie es die Kurven 33₁ bis 33₃ des Diagramms 34₂.
Die 4a bis 4c zeigen exemplarisch Spannungen v_mp über einen beispielhaft ausgestalteten Halbleiterschalter 12₁ der Vorrichtung 10 bei unterschiedlichen Betriebszuständen.
Dabei sind Zeitangaben, Stromangaben und Spannungsangaben der dargestellten Beispielmessungen lediglich exemplarisch und nicht einschränkend für die Ausgestaltung hierin beschriebener Ausführungsbeispiel. Ferner ist zu den jeweiligen exemplarischen Messung von I_TO,1, I_TO,3 und I_TO,5 eine Darstellung der Auswirkung des Toleranzbereichs des Abschaltstroms für Abweichungen von bspw. +/-10 % gezeigt.
Die Darstellungen der in den 4a, 4b und 4c dargestellten beispielhaften Messungen unterscheiden sich dabei in der Wahl des Abschaltstroms I_TO,n für n = 1, n = 3 und n = 5, wobei der Fall n = 1 als Referenz dient und nicht im Rahmen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele liegt, solange die Kapazitäten C_eff1 und C_eff2 identisch sind, wohl aber für den Fall, dass Unterschiede in den Kapazitätswerten vorliegen.
Zunächst ist erkennbar, dass ausgehend vom Zeitpunkt t_start für steigende n, damit sinkende Abschaltströme von 197 A in 4a, 79,5 A in 4b zu 50,6 A in 4c jeweils spätere Zeitpunkte t₁, t₂ bzw. t₃ erreicht werden, bis die Spannung ein mittleres Maximum von 800 V erreicht. Es ist dem Fachmann klar, dass der Begriff des Zero-Overvoltage-Switching qualitativ ist und eine tatsächliche Freiheit von jeglichen Überschwingern oder oszillierenden Überspannungen im realen Betrieb nicht erhalten wird, dass aber durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die oszillierenden Überspannungen in einem Rahmen gehalten werden, der als störungsfrei für übrige Elemente der Baugruppe betrachtet werden kann.
Dass der gewählte Abschaltstrom I_TO,1 (4a), I_TO,3 (4b) bzw. I_TO,5 (4c) ein jeweils optimaler Wert sein kann, ist dadurch dargestellt, dass zu den entsprechenden Kurven 36₁, 36'₁ und 36''₁ jeweils noch Abweichungen von -10 % (Kurven 36₂, 36'₂ und 36''₂) gegenüber dem Abschaltstrom bzw. eine Abweichung von +10 % (Kurven 36₃, 36'₃ und 36''₃) dargestellt sind. Aus diesen geht hervor, dass eine Abweichung vom jeweiligen in den Kurven 36₁, 36'₁ und 36''₁ dargestellten Abschaltströmen zu einer Zunahme der oszillierenden Überspannungen und somit zu Spannungsüberhöhungen führen kann. Es ist erkennbar, dass ausgehend von dem jeweiligen Abschaltstrom eine Abweichung sowohl hin zu höheren Strömen als auch zu geringeren Strömen zu einer Zunahme der oszillierenden Überspannungen führt, wobei insbesondere letzteres, eine Zunahme der oszillierenden Überspannungen bei Schalten eines geringeren Stroms für den Fachmann überraschend ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung zweier Kurven 38₁ und 38₂ über der Zeit t und an der Ordinate die Spannung v_mp über den Halbleiterschalter 12₁. Dabei ist mit der Kurve 38₂ für den Wert von n = 2 die höchste zu erwartende Überspannung unterhalb des Abschaltstroms I_TO,1 dargestellt und erläutert die vorteilhafte Randbedingung der Verwendung ungerader Werte für den Parameter n. Der Abschaltstrom, an dem die höchste zu erwartende Überspannung auftritt, ist mit I_TO,2 erreicht.
Durch die Verwendung von Zero Overvoltage Switching (ZOS) ist es möglich, Leistungshalbleiter mit maximaler Schaltgeschwindigkeit zu schalten, ohne das Auftreten von hohen Abschaltüberspannungen. Erfindungsgemäß kann dieser Effekt bei unterschiedlichen Abschaltströmen eingestellt werden. Die hierin erörterten jeweils optimalen Abschaltströme l_T0,n können dabei innerhalb von Toleranzbereichen von +/-30 %, +/-20 % oder +/-10 % eingestellt werden, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erhalten, bevorzugt ist eine Genauigkeit von +/-10 %, +/-5 % oder +/- 2 % bzw. weniger.
Der einzustellende Abschaltstrom I_TO / I_TO,n kann von der Zwischenkreisspannung V_DC, der parasitären Induktivität L_p sowie den parasitären Kapazitäten beeinflusst sein, die in nachfolgender Formel als C dargestellt sind.
Gegenüber einer Betrachtung, gemäß der $I_{p h} = \frac{2 U_{Z K} \sqrt{\frac{2 C}{L}}}{π}$
wobei U_ZK die Zwischenkreisspannung, C die parasitäre Kapazität und L die parasitäre Induktivität zum Bestimmen des Abschaltstroms I_ph für einen einzigen ZOS-Punkt beschreibt, wird erfindungsgemäß der Abschaltstrom nun berechnet zu: $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
Gegenüber dem Anwenden von ZOS bei lediglich einem bestimmten Abschaltstrom können nun eine höhere Anzahl von Abschaltströmen eingestellt werden. Dies bedeutet auch, dass anstelle lediglich eines Stromwerts eine höhere Anzahl von Stromwerten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Dies ermöglicht eine hohe Freiheit bei der Leistungsvariation des Wandlersystems und insbesondere bei einem Betrieb im Teillastbereich.
Erfindungsgemäß werden somit zusätzliche Vorteile erhalten, etwa gegenüber einem bekannten ZOS, bei dem nur ein Abschaltstrom einstellbar ist und ein Teillastbereich beispielsweise nur bei Verwendung eines Valley-Skippings oder einem Burst-Mode möglich wäre. Zwar sind diese Betriebszustände auch kompatibel mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen, ein Teillastbetrieb kann aber bereits durch Wahl unterschiedlicher Abschaltströme erreicht werden, was vorteilhaft ist. Dies ermöglicht auch Vorteile gegenüber mehrphasig aufgebauten konventionellen Wandlersystemen, bei denen im Teillastbereich einzelne Phasen ein- bzw. abgeschaltet werden. Eine Parallelisierung einzelner Phasen hat zur Folge, dass ein höherer Bauteilaufwand nötig wird und dadurch die Kosten ansteigen, was erfindungsgemäß vermieden wird. Bei diesen Konzepten zum Einstellen variierender Leistung ist vorgesehen, dass der bereits bekannte Abschaltstrom erreicht wird, um das ZOS anwenden zu können, was erfindungsgemäß durch eine Vielzahl an Werten für den Abschaltstrom vermeiden wird.
Erfindungsgemäß wird der Anwendungsbereich von ZOS erweitert, indem zusätzliche Abschaltströme eingeführt werden. Hierzu werden eine entsprechende Anzahl von Abschaltströmen mit jeweils geringen oder geringsten Schaltverlusten und zumindest näherungsweise ohne Abschaltüberspannungen geschalten. Mit weiteren Abschaltströmen ist es einem leistungselektronischen Wandlersystem nun möglich, den Leistungsbereich mit ZOS zu variieren. Der zutreffende Name „extended ZOS area“, kurz eZOSa (erweiterter ZOS-Bereich) beschreibt das erfindungsgemäße Konzept, das es ermöglicht, die Leistungsvariation des Wandlersystems einfach auszuführen.
Beim Betreiben von leistungselektronischen Energiewandlern im Teillastbereich bei lediglicher Verwendung von I_TO,1 können vergleichsweise große Ströme erforderlich sein. Mit der erfindungsgemäßen Einführung von eZOSa können wesentlich geringere Ströme verwendet werden, um die erforderliche Leistung, insbesondere im Teillastbereich, stellen zu können.
Ausführungsbeispiele ermöglichen es in vorteilhafter Weise, weitere mögliche Abschaltströme zu nutzen, etwa um die Einstellung der geforderten Leistung einer Vorrichtung in mehreren Stufen zu ermöglichen. Bei einer bestimmten Zwischenkreisspannung ist es erfindungsgemäß möglich, mehrere diskrete Stromwerte eines Wandlersystems zu stellen. Bei Nutzung der weiteren Abschaltströme ist der Vorteil von ZOS enthalten, das bedeutet, dass der Betrieb auch im Teillastbereich mit maximaler Schaltgeschwindigkeit, bei minimal resultierender Abschaltüberspannung möglich ist. Dadurch wird die gesamte Effizienz des leistungselektronischen Systems gesteigert. Bei einer Reduzierung der Verluste ist es möglich, die notwendige Kühlung kleiner zu dimensionieren, was einen positiven Einfluss auf Gewicht, Volumen und Kosten haben kann.
Die Verwendung hierin beschriebener als eZOSa beschriebener Ausführungsbeispiele kann es ermöglichen, die Spannungsoszillationen im Teillastbereich zu reduzieren, wodurch der Aufwand für anzuwendende Filter reduziert werden kann, um weiterhin die Konformität von EMV-Richtlinien zu gewährleisten. Ein geringerer Filteraufwand bedeutet, dass die Filtereinheit kleiner und leichter aufgebaut werden kann, was vorteilhaft ist.
Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele können beispielsweise im Bereich der DC/DC-Wandler, unter anderem im Bereich der Brennstoffzellenanwendungen sowie leistungselektronische Anwendungen für Photovoltaik- und Speichersysteme, genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich sind Anwendungen in der Leistungselektronik möglich, beispielsweise in der Elektromobilität, dort unter anderem bei On-Board-Chargern und/oder im Bereich bürstenloser Gleichstrommotoren, BLDC-Motoren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Taktperiode geändert werden, so dass ein gegebener l_T0,n zu unterschiedlichen mittleren Strömen führt. Geeignete Mittel dazu sind beispielsweise das Valley-Skipping (DCM - Discontinuous Current Mode-Betrieb) oder Burst-Mode (Abschalten einer oder mehrerer Takte). Alternativ oder zusätzlich kann der Abschaltstrom um den Wert I_T0,n innerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise +/-20 %, +/-10 % oder +/-5 % geändert werden. Dadurch weicht die Vorrichtung möglicherweise vom optimalen ZOS-Abschaltstrom ab, kann aber den mittleren Strom in entsprechendem Maße ändern, auch wenn hierzu geringe Überspannung in Kauf genommen werden.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich dabei sowohl auf die Extended ZOS Area, wobei hierzu n > 1 und/oder C_eff1 ≠ C_eff2 ist. Eine hierin beschriebene Ansteuereinrichtung kann den Abschaltstrom I_T0,n einstellen. Hierzu kann diese den richtigen Schaltzeitpunkt innerhalb der Taktperiode einstellen, etwa unter Verwendung einer Tabelle, einer Rechnung, einer Analogschaltung oder einer Annäherung. Alternativ oder zusätzlich kann eine hierin beschriebene Ansteuereinrichtung den Strom durch einen Referenzstrom (etwa Peak-Current-Regelung) einstellen, wozu eine Tabelle, eine Berechnung, eine Analogschaltung oder eine Annäherung verwendet werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist eine Ansteuereinrichtung möglicherweise adaptiv ausgestaltet und/oder ausgelegt, um den Schaltvorgang auszuwerten, um möglicherweise selbstständig den Stromwert nach zu justieren, etwa wie bei einem MPP (Maximum Power Point)-Tracking und/oder einer Erfassung der Überspannung durch eine geeignete Einrichtung, etwa eine Diode und einen RC-Speicher.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Ansteuereinrichtung, die so gestaltet ist, dass deren Schaltgeschwindigkeit, Stromtragfähigkeit und/oder effektiver Gesamtwiderstand/Gesamtimpedanz das Entladen des Gates und das damit verbundene Abschalten des Kanals des Transistors in kürzerer Zeit ermöglicht als die Periodendauer des Kommutierungsschwingkreises. Dies kann als definierte Zeit t_off bezeichnet werden, die die Zeitdauer des Abschaltvorgangs des Kanals des Transistors bezeichnet. Das bedeutet, die Kanalabschaltzeitdauer des Transistors kann so gering wie möglich eingestellt werden, der Transistor schaltet dementsprechend so schnell wie möglich ab. Die Zeitdauer des Kommutierungsvorgangs kann innerhalb der eZOSa variieren, abhängig von der Wahl von n. Je nachdem, welches n und welcher Abschaltstrom gewählt wird, ergeben sich hierzu unterschiedliche Ergebnisse. In jedem Fall ist aber dennoch die Wahl der Kanalabschaltzeitdauer des Transistors sehr gering.
In den 6a und 6b sind beispielhaft zeitliche Zusammenhänge der unterschiedlichen Parameter hierin beschriebener Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei wird Bezug genommen auf das Blockschaltbild der 1 sowie das beispielhafte Ersatzschaltbild der 2. In 6a ist auf einer gemeinsamen Zeitachse t einerseits eine Kurve 44₁ dargestellt, die zu einem ermittelten Abschaltstrom I_T0,n eine Gegenüberstellung des Stroms i_Lph (t) angibt. Dabei ist der Abschaltstrom I_T0,n ein konstanter Wert und bei Erreichen dieses Werts durch den Strom I_Lph (t) erfolgt das Schalten des Halbleiterschalters in Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen. Ferner ist in 6a eine Gegenüberstellung von Strömen i_T1 (t) in Kurve 44₂ und des Stroms i_T2 (t) in Kurve 44₃ gezeigt, die innerhalb der Kommutierungsdauer t_ZOS,n aufgrund des Schaltvorgangs entsprechend wechseln. Der bei Erreichen des Abschaltstroms I_TO,n durchgeführte Schaltvorgang wird bevorzugt wiederholt ausgeführt. Die erneut ansteigende Kurve 44₁ kann bei erneutem Erreichen des Abschaltstroms mit einem neuerlichen wiederholten Schaltvorgang einhergehen, ebenso bei der Kurve 44₃.
6b zeigt eine zeitlich detailliertere Darstellung des Zeitintervalls t_ZOS,n aus 6a, wobei in einem Übergangsbereich 46 der Wechsel zwischen einem anfänglichen Wert und einem Endwert der Kurve 44₃ beliebig sein kann und von der konkreten Implementierung der Schaltung abhängig ist. Der Verlauf der den Strom durch den Halbleiterschalter 12₁ angebenden Kurve 44₂ kann basierend auf dem eingestellten Abschaltverhalten bevorzugt steil sein.
Während zu Beginn des Zeitintervalls t_ZOS,n der Strom i_T1 (t) in Kurve 44₂ zumindest näherungsweise dem Abschaltstrom entspricht, ist dies nach Ende des Schaltvorgangs für die Kurve 44₃, die den Strom i_T2 (t) angibt, der Fall. Innerhalb der Kanalabschaltzeitdauer t_off fällt der Strom i_T1 (t) auf einen mit dem getrennten Zustand eines Schalters assoziierten Wert, beispielsweise 0. Innerhalb des Übergangsbereichs 46 zeigt 6b ebenfalls den Anstieg der Spannung v_mp über den Schalter 12₁.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung digitalen Signalverarbeitungsschaltkreisen wie z. B. Mikrocontrollern, applikationsspezifischen integrierten Schaltkreisen, ASICs, und/oder in feldprogrammierbaren Gatterarrays, FPGAs und/oder unter Verwendung eines digitalen Speichermediums erfolgen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement wie ein vorerwähntes FPGA dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3512085 A1 [0003, 0032]

Claims

Vorrichtung mit: einer Schalteranordnung mit einem Schaltelement (12₁), das zum Abschalten eines elektrischen Strompfades eines Kommutierungskreises eingerichtet ist, wobei der Kommutierungskreis ein Freilaufelement (14₂) mit einer parallelwirksamen Kapazität aufweist; einer Ansteuereinrichtung (18), die konfiguriert ist, um das Schaltelement (12₁) für das Abschalten und zum Ausführen eines Schaltvorganges zu steuern; wobei die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um für den Schaltvorgang das Schaltelement (12₁) mit einer Kanalabschaltzeitdauer (t_off)zu schalten, die kürzer ist als eine Periodendauer (t_res) einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises, um eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen; wobei die Ansteuereinrichtung (18) für einen Betriebszustand konfiguriert ist, in welchem der Schaltvorgang basierend auf einem abzuschaltenden Abschaltstrom (I_T0,n) ausgeführt wird, wenn innerhalb eines Toleranzbereichs erfüllt ist, dass: $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der abzuschaltende Abschaltstrom durch das Schaltelement (12₁), V_DC eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, C_eff1 eine dem Schaltelement (12₁) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine dem Freilaufelement (14₂) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; wobei zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0} .$
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Bedingung erfüllt ist, dass $n = 2 i + 1, i \in ℕ .$
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Bedingung erfüllt ist, dass 2) $C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} .$
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um den Abschaltstrom (I_T0,n) durch das Schaltelement (12₁) einzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um den Abschaltstrom (I_T0,n) basierend auf zumindest einem aus dem Lesen eines Datenbankeintrags, einer Berechnung, einer Analogschaltung oder einer Annäherung zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um den Abschaltstrom (I_T0,n) vermittels einer Wahl eines dem Abschaltstrom (I_T0,n) zugeordneten Schaltzeitpunktes einzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um den Abschaltstrom durch das Schaltelement (12₁) basierend auf einem Referenzstrom einzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um den Schaltvorgang auf ein Auftreten einer schaltungsinduzierten Überspannung an dem Schaltelement (12₁) auszuwerten, um ein Auswerteergebnis zu erhalten, das eine Abweichung des Schaltparameters von einem Parameterzielwert angibt; wobei die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um für einen zukünftigen Schaltvorgang den Abschaltstrom (I_T0,n) durch das Schaltelement (12₁) anzupassen, um die schaltungsinduzierte Überspannung zu verringern.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um das Schaltelement (12₁) basierend auf einem Referenzstromwert, einer Einstellung einer Pulsweite, oder basierend auf einer Zeitpunktvorgabe für einen Schaltzeitpunkt zu steuern.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die in unterschiedlichen Betriebszuständen zum Bereitstellen einer jeweiligen vordefinierten mittleren Ausgangsleistung eingerichtet ist, wobei mit jedem der vordefinierten mittleren Ausgangsleistung ein vordefinierter Wert des Abschaltstroms (I_T0,n) assoziiert ist; wobei die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um zum Einstellen einer mittleren Ziel-Ausgangsleistung, die von den unterschiedlichen vordefinierten Ausgangsleistungen abweicht, einen Betrieb der Vorrichtung basierend auf einer Kombination unterschiedlicher vordefinierter Werte des Abschaltstroms (I_T0,n) zu steuern, um die Ziel-Ausgangsleistung zumindest anzunähern; oder die Vorrichtung unter Anwendung eines vordefinierten Abschaltstroms (I_T0,n) zu steuern, der eine geringste Abweichung zwischen der erhaltenen vordefinierten Ausgangsleistung und der mittleren Ziel-Ausgangsleistung aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um die von den unterschiedlichen vordefinierten Ausgangsleistungen abweichende mittlere Ziel-Ausgangsleistung basieren auf zumindest einem aus • einem zeitlichen Wechsel zwischen unterschiedlichen vordefinierten Werten des Abschaltstroms (I_T0,n); • einem Valley-Skipping; und • einem Burst-Mode bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, die ausgebildet ist, um zum Bereitstellen der von den unterschiedlichen vordefinierten mittleren Ausgangsleistungen abweichenden mittleren Ziel-Ausgangsleistung die Vorrichtung in einen Misch-Betriebszustand zu steuern, um zumindest zwischen einem ersten vordefinierten Wert des Abschaltstroms (I_T0,n) und einem zweiten vordefinierten Wert des Abschaltstroms (I_T0,n) dynamisch zu wechseln, um im zeitlichen Mittel die mittlere Ziel-Ausgangsleistung zu erhalten; eine mit einem vordefinierten Wert des Abschaltstroms (I_T0,n) einer vordefinierten mittleren Ausgangsleistung assoziierte Taktperiode des Abschaltvorgangs anzupassen, um einen gegenüber dem vordefinierten Wert des Abschaltstroms (I_T0,n) abweichenden Abschaltstrom zu erhalten; und/oder einen Zielwert für den Abschaltstrom gegenüber einem vordefinierten Wert des Abschaltstroms (I_T0,n) zu verändern, um unter Inkaufnahme zunehmender Überspannungen einen mittleren Ausgangsstrom für die Ausgangsleistung zu ändern.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um eine Zwischenkreisspannungsinformation zu erhalten, die eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises angibt, wobei die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um den Abschaltstrom (I_T0,n) basierend auf der Zwischenkreisspannungsinformation zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der die Ansteuereinrichtung (18) mit einem Datenspeicher gekoppelt ist, in dem für eine Mehrzahl von Zwischenkreisspannungsinformationen zumindest eine zugeordnete Abschaltstrominformation hinterlegt ist, wobei die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um die der Zwischenkreisspannungsinformation zugeordnete Abschaltstrominformation zu lesen und den Abschaltstrom (I_T0,n) für den Schaltvorgang basierend auf der Abschaltstrominformation einzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinrichtung (18) mit einem Datenspeicher gekoppelt ist, in dem für eine Mehrzahl von Werten eines Betriebsparameters jeweils zumindest eine zugeordnete Abschaltstrominformation hinterlegt ist, die einen Zielwert für den Abschaltstrom angibt, wobei die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um den Strom durch das Schaltelement (12₁) basierend auf dem Zielwert zu steuern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei dem der Betriebsparameter ein erster Betriebsparameter ist und die jeweils zugeordnete Abschaltstrominformation eine erste Abschaltstrominformation ist die einem ersten Wert eines zweiten Betriebsparameters zugordnet ist; wobei in dem Datenspeicher zweite Abschaltstrominformation für die Mehrzahl von Werten des ersten Betriebsparameters hinterlegt sind, die einem zweiten Wert des zweiten Betriebsparameters zugordnet sind, wobei die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um die dem ersten Betriebsparameter zugeordnete Abschaltstrominformation aus dem Datenspeicher basierend auf dem ersten Betriebsparameter und dem zweiten Betriebsparameter zu lesen und daraus den Zielwert für den Abschaltstrom (I_T0,n) zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um Messwertinformationen zu erhalten, die mit einem Wert eines Betriebszustandes assoziiert sind, und bei der die Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, um einen Zielwert für den Abschaltstrom (I_T0,n) basierend auf der Messwertinformation zu berechnen.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Kommutierungsschwingkreis ein diskretes induktives oder diskretes kapazitives Bauelement aufweist, das so verschaltet ist, um kombinatorisch mit einem parasitären Kapazitätswert oder einem parasitären Induktivitätswert des Kommutierungsschwingkreises zu wirken und die Resonanzschwingung beeinflusst.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Schaltelement (12₁) ausgelegt ist, um in einem bestimmungsgemäßen Betrieb hart schaltend betrieben zu werden; und/oder bei der die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um das Schaltelement (12₁) hart zu schalten.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Kommutierungsschwingkreis Teil einer Kommutierungszelle eines leistungselektronischen Energiewandlers ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die als Gleichspannungswandler gebildet ist, der eines aus einem Aufwärtswandler, einem Abwärtswandler, einem Halbbrückenwandler, einem Vollbrückenwandler, einem invertierendem Wandler und einem Sperrwandler umfasst.
Ansteuereinrichtung (18), die ausgebildet ist, um ein Schaltelement (12₁) zum Ausführen eines Abschaltvorganges zu schalten, mit: wobei die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um basierend auf einer Eigenschaft des Schaltelements (12₁) ein Ergebnis zu ermitteln, das einen Abschaltstrom (I_T0,n), der durch das Schaltelement (12₁) zum Abschaltvorgang fließt angibt, der innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt, dass: $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der Abschaltstrom, V_DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskreises, der den Halbleiteschalter umfasst, C_eff1 eine dem Schaltelement (12₁) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine einem mit dem Schaltelement (12₁) in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement (14₂) zugeordnete wirksame Kapazität, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0}$
und um das Schaltelement (12₁) basierend auf dem Ergebnis zu schalten.
Ansteuereinrichtung (18) gemäß Anspruch 22, bei der die Schnittstelle ausgebildet ist, um die Information von einem Datenspeicher und/oder einem Sensor zu erhalten.
Ansteuereinrichtung (18) gemäß Anspruch 22 oder 23, bei dem die Ansteuereinrichtung (18) ausgebildet ist, um den Halbleitschalter basierend auf einem Referenzstromwert, einer Einstellung einer Pulsweite, oder basierend auf einer Zeitpunktvorgabe für einen Schaltzeitpunkt zu steuern.
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung mit einer Schalteranordnung mit einem Schaltelement (12₁), der zum Abschalten eines elektrischen Strompfades eines Kommutierungskreises eingerichtet ist, wobei der Kommutierungskreis ein Freilaufelement (14₂) mit einer parallelwirksamen Kapazität aufweist; mit folgenden Schritten: Steuern des Schaltelements (12₁) für das Abschalten und zum Ausführen eines Schaltvorganges; so dass für den Schaltvorgang des Schaltelements (12₁) mit einer Kanalabschaltzeitdauer geschalten wird, die kürzer ist als eine Periodendauer einer Resonanzschwingung des Kommutierungskreises, um eine Schwingung in dem Kommutierungskreis anzuregen; so dass der Schaltvorgang basierend auf dem abzuschaltenden Abschaltstrom (I_T0,n) ausgeführt wird, wenn innerhalb eines Toleranzbereichs erfüllt ist, dass: $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der abzuschaltende Abschaltstrom durch das Schaltelement (12₁), V_DC eine Zwischenkreisspannung des Kommutierungskreises, C_eff1 eine dem Schaltelement (12₁) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine dem Freilaufelement (14₂) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und so dass zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0}$
Verfahren zum Steuern eines Schaltelements (12₁) zum Ausführen eines Abschaltvorganges mit folgenden Schritten: ermitteln, basierend auf einer Eigenschaft des Schaltelements (12₁) und zum Erhalt eines Ergebnisses, das einen Abschaltstrom (I_T0,n), der durch das Schaltelement (12₁) zum Abschaltvorgang fließt angibt, der innerhalb eines Toleranzbereichs die Bedingung erfüllt, dass: $I_{T 0, n} = \frac{V_{D C} \sqrt{\frac{{(C_{e f f 1} + C_{e f f 2})}^{3}}{C_{e f f 1} C_{e f f 2} L_{p}}}}{n π}$
wobei I_T0,n der Abschaltstrom, V_DC eine Zwischenkreisspannung eines Kommutierungskreises, der den Halbleiteschalter umfasst, C_eff1 eine dem Schaltelement (12₁) zugeordnete wirksame Kapazität des Kommutierungsschwingkreises, C_eff2 eine einem mit dem Schaltelement (12₁) in dem Kommutierungskreis verschalteten Freilaufelement (14₂) zugeordnete wirksame Kapazität, L_p eine wirksame elektrische Induktivität des Kommutierungsschwingkreises und n eine natürliche Zahl beschreibt; und zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist: $n = 2 i + 1, i \in ℕ;$
$C_{e f f 1} \neq C_{e f f 2} f \ddot{u} r n = 2 i + 1, i \in ℕ_{0} .$
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 25 oder 26, wenn das Programm auf einer Recheneinrichtung läuft.