DE102023101703A1

DE102023101703A1 - Stromgespeister gegentakt-umsetzer mit aktiver klemme zur bidirektionalen leistungsübertragung

Info

Publication number: DE102023101703A1
Application number: DE102023101703.9A
Authority: DE
Inventors: Wei Gu; Siyuan Chen; Yuchen Yang
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2023-01-24
Publication date: 2023-08-03
Also published as: CN116526863A; US20230246556A1; US11804782B2

Abstract

Eine Vorrichtung, die eine bidirektionale Leistungsumsetzerschaltung aufweist. Die Leistungsumsetzerschaltung weist eine Primärschaltungsseite, die mehrere Primärschalter aufweist, einen Trenntransformator und eine Sekundärschaltungsseite, die durch den Trenntransformator von der Primärschaltungsseite getrennt ist, auf. Die Sekundärschaltungsseite weist einen Induktor, eine Gleichrichterschaltung, die mit Induktor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, Energie von der Primärschaltungsseite aufzunehmen und Energie für die Primärschaltungsseite bereitzustellen, und eine Klemmschaltung, die mit dem Induktor gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, eine Rücksetzspannung, die ein Durchgehen des Spulenstroms verhindert, für die Spule bereitzustellen, auf.

Description

HINTERGRUND
Elektronische Stromversorgungssysteme bestehen typischerweise aus einem oder mehreren Leistungsumsetzern, die durch integrierte Schaltungen gesteuert werden. Die Leistungsumsetzer empfangen eine elektrische Eingangsleistung, die eine Eingangsgröße, -frequenz und/oder -phase aufweist, an einer Eingangsseite und setzen die elektrische Eingangsleistung in eine elektrische Ausgangsleistung, die eine Größe, eine Frequenz und/oder eine Phase aufweist, an einer Ausgangsseite um. Ein isolierter bidirektionaler Leistungsumsetzer weist einen Trenntransformator auf, um dadurch, dass der Trenntransformator zwischen der Primärseite und der Sekundärseite angeordnet ist, die Ausgangsstufe oder Sekundärseite des Leistungsumsetzers von der Eingangsstufe oder Primärseite elektrisch zu isolieren. Zur Umsetzung einer niedrigen Spannung in eine hohe Spannung weist eine Herangehensweise eine große Kondensatorladeeinrichtung mit einem Kondensator von einigen Milli-Farad (mF), der mit einem Eingang eines Umsetzers verbunden ist. Eine weitere Herangehensweise ist eine isolierte Phasenverschiebungs-Vollbrückentopologie zur Umsetzung von hoher Vin in niedrige Vout, die jedoch ein Anlaufproblem bei der umgekehrten Anwendung von Niederspannung auf Hochspannung aufweist.
ÜBERBLICK
Dieses Dokument bezieht sich allgemein auf Schaltleistungsumsetzer (geschaltete Leistungsumsetzer, engl. switching power converters) und Verfahren zu deren Betrieb. Ein Gerätebeispiel weist eine bidirektionale Stromrichterschaltung auf. Die Leistungsumsetzerschaltung weist eine Primärschaltungsseite, die mehrere Primärschalter aufweist, einen Trenntransformator und eine Sekundärschaltungsseite, die durch den Trenntransformator von der Primärschaltungsseite getrennt ist, auf. Die Sekundärschaltungsseite weist einen Induktor, eine Gleichrichterschaltung, die mit Induktor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, Energie von der Primärschaltungsseite aufzunehmen und Energie für die Primärschaltungsseite bereitzustellen, und eine Klemmschaltung, die mit dem Induktor gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, eine Rücksetzspannung für die Spule, die ein Durchgehen des Spulenstroms verhindert, bereitzustellen.
Dieser Abschnitt ist dafür vorgesehen, einen Überblick über den Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung zu geben. Er ist nicht dafür vorgesehen, eine ausschließliche oder vollständige Erläuterung der Erfindung bereitzustellen. Die ausführliche Beschreibung ist aufgenommen, um weitere Informationen über die vorliegende Patentanmeldung bereitzustellen.
Figurenliste
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind, können gleiche Ziffern ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Ansichten beschreiben. Gleiche Ziffern mit unterschiedlichen Buchstabensuffixen können unterschiedliche Instanzen ähnlicher Komponenten repräsentieren. Die Zeichnungen stellen allgemein, beispielhaft, jedoch nicht einschränkend, verschiedene in dem vorliegenden Dokument diskutierte Ausführungsformen dar.

1 ist ein Schaltplan eines Beispiels für einen isolierten bidirektionalen Leistungsumsetzer.
2 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels für einen isolierten bidirektionalen Leistungsumsetzer.
3 ist eine Darstellung eines Elektrofahrzeugs, die eine Hochspannungsdomäne des Fahrzeugs und eine Niederspannungsdomäne des Fahrzeugs angibt.
4 ist eine Darstellung von Wellenformen, die den Betrieb der Leistungsumsetzerschaltung von 1 in Vorwärtsrichtung zeigen.
5A und 5B sind eine Darstellung von Wellenformen, die den Betrieb der Leistungsumsetzerschaltung von 1 in Rückwärtsrichtung zeigen.
6 zeigt die Wellenformen einer Schaltungssimulation der Leistungsumsetzerschaltung von 1 für den Anlauf in der Rückwärtstiefsetzbetriebsart.
7 ist ein Schaltplan, der für die Simulation von 6 verwendet wurde.
8 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zum Betreiben einer bidirektionalen Leistungsumsetzerschaltung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
3 ist eine Darstellung eines Elektrofahrzeugs, die eine Hochspannungsdomäne (z. B. 400 Volt (V) oder 800 V) und eine Niederspannungsdomäne (z. B. 12 V oder 48 V) angibt. In Elektrofahrzeugen wird ein bidirektionaler Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer (DC/DC-Umsetzer) verwendet, um Energie von einem Hochspannungs-Akku auf eine Niederspannungs-Bleisäurebatterie zu übertragen. Da der Umsetzer bidirektional ist, kann er auch Energie von der Niederspannungs-Bleisäurebatterie auf den großen Hochspannungs-Kondensator [engl.: high voltage cap] auf der Hochspannungsbatterieseite übertragen oder Hochspannung bereitstellen, wenn die Hochspannungsbatterie nicht verbunden oder anderweitig nicht in der Schaltung vorhanden ist.
2 ist ein Schaltplan eines Beispiels für einen isolierten bidirektionalen Leistungsumsetzer. Der Leistungsumsetzer weist eine Primärschaltungsseite 202, einen Trenntransformator 204 und eine Sekundärschaltungsseite 206 auf. Die Primärschaltungsseite 202 ist mit einer Versorgungsschiene, die eine Spannung V₁ aufweist, verbunden, und die Sekundärschaltungsseite ist mit einer Versorgungsschiene, die eine Spannung V₂ aufweist, verbunden. Typischerweise ist V₁ (400 V - 800 V) größer als V₂ (12V). Die Primärschaltungsseite 202 weist eine Phasenverschiebungs-Vollbrücken-Umsetzertopologie auf und weist den Kondensator C_HV und die Primärschalter M1-M4 auf. Die Sekundärschaltungsseite 206 weist einen Filterkondensator C_LV, einen Induktor L und eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung, die mit Feldeffekttransistoren (FETs) SR1 und SR2 implementierte Synchrongleichrichter aufweist, auf.
Der Leistungsumsetzer ist bidirektional und kann in Vorwärtsrichtung die höhere Spannung V₁ in die niedrigere Spannung V₂ umsetzen und kann in Rückwärtsrichtung die niedrigere Spannung V₂ in die höhere Spannung V₁ umsetzen. Es ist jedoch nicht immer unkompliziert, die Phasenverschiebungs-Vollbrückentopologie in Rückwärtsrichtung zu verwenden, um unter bestimmten Bedingungen Niederspannung in Hochspannung umzusetzen. Ein Problem besteht darin, dass zu Beginn des Anlaufs, wenn die Hochspannungsschiene kleiner ist als die Niederspannungsschiene, der Induktor L kein Volt-Sekunden-Gleichgewicht erreichen kann und somit ein Durchgehen des Induktorstroms auftritt. Der durchgehende Induktorstrom kann Schäden an den Komponenten des Leistungsumsetzers verursachen.
1 ist ein Schaltplan eines weiteren Beispiels für einen Leistungsumsetzer. Die Leistungsumsetzerschaltung 300 weist eine Primärschaltungsseite 302, einen Trenntransformator 304 und eine Sekundärschaltungsseite 306 auf. Das Schaltungsbeispiel von 1 enthält außerdem eine Klemmschaltung 308, die mit der Gleichrichterschaltung der Sekundärschaltungsseite 306 verbunden ist. Die Klemmschaltung 308 stellt eine Rücksetzspannung für den Induktor L, die ein Durchgehen des Induktorstroms verhindert, bereit.
Die Gleichrichterschaltung arbeitet so, dass in der ersten Hälfte der Schaltperiode der erste Synchrongleichrichter SR1 „EIN“ und der zweite Synchrongleichrichter SR2 „AUS“ ist und in der zweiten Hälfte der Schaltperiode der erste Synchrongleichrichter SR1 „AUS“ und der zweite Synchrongleichrichter SR2 „EIN“ ist. Die Klemmschaltung 308 weist die Klemmschalter AC1 und AC2 sowie die Klemmkondensatoren C_CLAMP1 und C_CLAMP2 auf. Jeder der Klemmkondensatoren ist mit dem Induktor L und den Klemmschaltern gekoppelt.
Die Klemmschalter sind Klemm-FETs. Ein Klemm-FET und ein Klemmkondensator setzen den Induktor L in jeder Hälfte der Schaltperiode zurück. Ein Drain/Source-Gebiet eines Klemm-FET ist mit einem Source/Drain-Gebiet eines SR-FET verbunden. Das andere des Source/Drain-Gebiets eines Klemm-FET ist mit einem Klemmkondensator verbunden. Der Klemm-FET ist nur eingeschaltet, wenn der SR-FET ausgeschaltet ist. Die Klemmkondensatoren tragen dazu bei, an dem Mittelschenkel des Transformators 304 eine Spannung, die höher ist als die Spannung V₂ ist, herzustellen. Als ein Ergebnis stellt die Klemmschaltung 308 ein Spannungs-Sekunden-Gleichgewicht in dem Induktor L her.
Die Leistungsumsetzerschaltung 300 kann in Vorwärtsrichtung in einer Tiefsetzbetriebsart, in der eine höhere Spannung V₁ in eine niedrigere Spannung V₂ umgesetzt wird, betrieben werden. Die Leistungsumsetzerschaltung kann auch in Rückwärtsrichtung betrieben werden, entweder in einer Hochsetzbetriebsart, in der eine niedrigere Spannung V₂ in eine höhere Spannung V₁/n umgesetzt wird (wobei n das Wicklungsverhältnis des Transformators ist) umgesetzt wird, oder in einer Tiefsetzbetriebsart, in der V₂ größer ist als V₁/n. Ohne die Klemmschaltung 308 wäre der Mittelschenkel des Transformators 304 bei einem Betrieb in Rückwärtsrichtung kleiner als die V₂, was zu einem Durchgehen des Induktorstroms führen würde.
4 ist eine Darstellung von Wellenformen, die den Betrieb der Leistungsumsetzerschaltung 300 in Vorwärtsrichtung zeigen. Die Wellenformen enthalten die Steuersignale für die FETs M1-M4, SR1, SR2, AC1, AC2. Die Wellenform I_L ist der Induktorstrom. Die Wellenform I_L zeigt das Schaltverhältnis (DT_S) beim Aufladen des Induktors. Die Ausgabe in Vorwärtsrichtung ist $V_{2} = (2 D) (V_{1}) / n,$
wobei V₁ die Eingangsspannung, V₂ die Ausgangsspannung, n das Wicklungsverhältnis des Transformators (n:1:1) und D das Schaltverhältnis (0 < D < 1) ist. Die maximale Ausgangsspannung in der Vorwärtstiefsetzbetriebsart ist $V_{2, MAX} ist (2 / n) (V_{1}),$
wenn das Schaltverhältnis D gleich 1 ist.
5 ist eine Darstellung von Wellenformen, die den Betrieb der Leistungsumsetzerschaltung 300 in Rückwärtsrichtung zeigen. In der Rückwärtsrichtung ist V₂ die Eingangsspannung, und V₁ ist die Ausgangsspannung. Die Leistungsumsetzerschaltung 300 von 1 arbeitet in einer Rückwärtstiefsetzbetriebsart mit V₁ < V₂, wenn das Schaltverhältnis kleiner als 0,5 ist (D ≤ 0,5). Die Ausgabe ist $V_{1} = (2 Dn) (V_{2})$
in der Rückwärtstiefsetzbetriebsart. Wenn das Schaltverhältnis auf D ≥ 0,5 ansteigt, geht die Leistungsumsetzerschaltung in eine Rückwärtshochsetzbetriebsart V₁ > V₂ über, und es ist $V_{1} = n (V_{2}) / (2 (1 - D)) .$
Wie hier vorstehend erläutert, kann der Induktor L ohne die Klemmschaltung kein Spannungs-Sekunden-Gleichgewicht erreichen, wenn in der Rückwärtstiefsetzbetriebsart die Spannung V₁ kleiner ist als die Spannung V₂, und es tritt ein Durchgehen des Induktorstroms auf. Die Klemmschaltung 308 von 1 stellt aktives Klemmen des Induktorstroms bereit. 5 zeigt, dass der Klemm-FET AC1 nach dem Ausschalten des FET SR2 einschaltet und dann unmittelbar vor dem Einschalten des FET SR2 ausschaltet. Der FET AC2 schaltet nach dem Ausschalten des FET SR1 ein und schaltet dann unmittelbar vor dem Einschalten des FET SR1 wieder aus. Die Aktivierungssignale für das FET-Paar AC1/SR2 sind komplementär und überlappen nicht, ebenso wie die Aktivierungssignale für das FET-Paar AC2/SR1.
Wenn der SR-FET eines AC/SR-FET-Paares EIN ist, erhöht sich der Induktionsstrom I_L, und die in dem Induktor L und den Klemmenkondensatoren C_CLAMP1 und C_CLAMP2 gespeicherte Energie geht von der Sekundärschaltungsseite 306 zu der Ausgabe V₂. Wenn der SR FET AUS ist, verringert sich I_L, und die in dem Induktor L gespeicherte Energie geht zu den Klemmkondensatoren.
6 zeigt die Wellenformen einer Schaltungssimulation der Leistungsumsetzerschaltung 300 für den Anlauf in der Rückwärtstiefsetzbetriebsart. 7 ist ein Schaltplan, der für die Simulation verwendet wurde. In 6 ist zu erkennen, dass der Induktorstrom IL₂ während des Schaltens des Klemm-FET AC1 und des Klemm-FET AC2 abnimmt und während des Anlaufs nicht durchgeht. Der mit dem Klemm-FET AC1 gekoppelte Klemmkondensator entlädt während des Abschnitts der Abtastzeitspanne, in dem der Klemm-FET AC1 aktiv ist. Der mit dem Klemm-FET AC2 gekoppelte Klemmkondensator lädt unmittelbar bevor der Klemm-FET AC1 aktiv wird. Der mit dem Klemm-FET AC2 gekoppelte Klemmkondensator entlädt während des Abschnitts der Abtastzeitspanne, in dem der Klemm-FET AC2 aktiv ist. Der mit dem Klemm-FET AC2 gekoppelte Klemmkondensator lädt unmittelbar bevor der Klemm-FET AC1 aktiv wird.
Für einen Überblick ist 8 ein Ablaufdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zum Betreiben einer bidirektionalen Leistungsumsetzerschaltung. Die bidirektionale Leistungsumsetzerschaltung kann ein Gegentaktumsetzer sein, wie beispielsweise die Leistungsumsetzerschaltung 300 in 1. Die Leistungsumsetzerschaltung weist eine Primärschaltungsseite auf, die von einer Sekundärschaltungsseite durch einen Transformator getrennt ist, und die Leistungsumsetzerschaltung kann in Vorwärtsrichtung, in der Energie von der Primärschaltungsseite an die Sekundärschaltungsseite geliefert wird, und in Rückwärtsrichtung, in der Energie von der Sekundärschaltungsseite an die Primärschaltungsseite geliefert wird, betrieben werden.
In Block 805 wird die Leistungsumsetzerschaltung in einer Rückwärtstiefsetzbetriebsart betrieben, in der die Eingangsspannung der Sekundärschaltungsseite höher ist als die Ausgangsspannung der Primärschaltungsseite und Energie aus einem Induktor der Sekundärschaltungsseite an die Primärschaltungsseite geliefert wird. In Block 810 wird der Strom eines Induktors der Sekundärschaltungsseite unter Verwendung einer Klemmschaltung begrenzt. Der Induktorstrom fließt aus dem Induktor der Sekundärschaltungsseite zur Primärschaltungsseite.
Das Klemmen des Induktionsstroms verhindert, dass ein durgehender Strom, der einen Schaden an elektrischen Schaltungen verursachen kann, fließt. Die Klemmschaltung stellt eine Rücksetzspannung für den Induktor bereit, wenn die Ausgangsspannung der höheren Versorgungsschiene niedriger als die Eingangsspannung der niedrigeren Versorgungsschiene und niedriger als der Regelungspunkt während des Anlaufs der Umsetzerschaltung ist. Das aktive Klemmen wenn die Ausgabe unterhalb des Regelungspunktes ist, verhindert ein Durchgehen des Induktorstroms in dem stromgespeisten Gegentaktumsetzer und ermöglicht somit eine bidirektionale Leistungsübertragung, ohne dass die höhere Spannungsschiene beim Anlaufen des Leistungsumsetzers vorbelastet werden muss. Das aktive Klemmen kann verwendet werden, wenn die Leistungsumsetzerschaltung in der Vorwärtsbetriebsart und in einer der Rückwärtsbetriebsarten arbeitet, um etwaige Leckstromspitzen des Induktors zu klemmen.
ZUSÄTZLICHE BESCHREIBUNG UND ASPEKTE
Ein erster Aspekt (Aspekt 1) weist einen Gegenstand (wie z. B. eine bidirektionale Leistungsumsetzerschaltung) auf, der eine Primärschaltungsseite, die mehrere Primärschalter aufweist, einen Trenntransformator und eine Sekundärschaltungsseite, die von der Primärschaltungsseite durch den Trenntransformator getrennt ist, aufweist. Die Sekundärschaltungsseite weist einen Induktor, eine Gleichrichterschaltung, die mit Induktor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, Energie von der Primärschaltungsseite aufzunehmen und Energie für die Primärschaltungsseite bereitzustellen, und eine Klemmschaltung, die mit dem Induktor gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, eine Rücksetzspannung für die Spule bereitzustellen, die ein Durchgehen des Spulenstroms verhindert, auf.
In Aspekt 2 weist der Gegenstand von Aspekt 1 optional eine Gleichrichterschaltung auf, die mehrere synchrone Gleichrichterschalter aufweist, und die Klemmschaltung weist mehrere Klemmschalter und mehrere Klemmkondensatoren auf, wobei jeder Klemmkondensator aus den mehreren Klemmkondensatoren mit den Klemmschaltern und mit dem Induktor gekoppelt ist und jeder Klemmschalter mit einem Synchrongleichrichterschalter gekoppelt ist.
In Aspekt 3 weist der Gegenstand von Aspekt 2 optional eine Primärschaltungsseite auf, die eine Vollbrücken-Umsetzerschaltungstopologie aufweist, und die Gleichrichterschaltung weist eine Vollwellen-Gleichrichterschaltungstopologie auf.
In Aspekt 4 weist der Gegenstand eines der oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1 bis 3 optional eine Leistungsumsetzerschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, in einer Vorwärtsbetriebsart und in einer Rückwärtsbetriebsart zu arbeiten, um eine Spannung umzusetzen, wenn in der Vorwärtsbetriebsart eine Eingangsspannung der Primärschaltungsseite höher ist als eine Ausgangsspannung der Sekundärschaltungsseite und in der Rückwärtsbetriebsart eine Eingangsspannung der Sekundärschaltungsseite höher oder niedriger ist als die Ausgangsspannung der Primärschaltungsseite.
In Aspekt 5 weist der Gegenstand von Anspruch 4 optional eine Gleichrichterschaltung auf, die mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist, und die Klemmschaltung weist wenigstens einen Klemmkondensator, der mit dem Induktor gekoppelt ist, auf, und wenn die Leistungsumsetzerschaltung in der Rückwärtsbetriebsart arbeitet und die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist, steigt der Induktorstrom an und die in dem Induktor und dem wenigstens einen Klemmkondensator gespeicherte Energie fließt zu der Primärschaltungsseite, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter eingeschaltet ist, und der Induktorstrom sinkt und die in dem Induktor gespeicherte Energie fließt zu dem wenigstens einen Klemmkondensator, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet ist.
In Aspekt 6 weist der Gegenstand eines oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1-5 optional eine Gleichrichterschaltung auf, die mehrere Synchrongleichrichterschalter, eine Klemmschaltung, die einen ersten Klemm-Feldeffekttransistor (FET) und einen zweiten Klemm-FET aufweist, und die mehreren Synchrongleichrichterschalter weisen erste und zweite Synchrongleichrichterschalter auf. Ein erstes Source- oder Drain-Gebiet des ersten Klemm-FET ist mit einem ersten Source- oder Drain-Gebiet des zweiten Klemm-FET verbunden, ein zweites Source- oder Drain-Gebiet des ersten Klemm-FET ist mit dem zweiten Synchrongleichrichterschalter verbunden, und ein zweites Source- oder Drain-Gebiet des zweiten Klemm-FET ist mit dem ersten Synchrongleichrichterschalter verbunden.
In Aspekt 7 weist der Gegenstand von Aspekt 6 optional eine Klemmschaltung auf, die einen ersten Klemmkondensator, der mit dem ersten Klemm-FET gekoppelt ist, und einen zweiten Klemmkondensator, der mit dem zweiten Klemm-FET gekoppelt ist, aufweist. Der erste Klemmkondensator wird aus dem Induktor geladen, wenn der zweite Klemm-FET und der zweite Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet sind, und der erste Klemmkondensator wird entladen, wenn der erste Klemm-FET eingeschaltet ist, und der zweite Klemmkondensator wird aus dem Induktor geladen, wenn der erste Klemm-FET und der erste Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet sind, und der zweite Klemmkondensator wird entladen, wenn der zweite Klemm-FET eingeschaltet ist.
Aspekt 8 weist einen Gegenstand (wie z. B. ein Verfahren zum Betreiben einer bidirektionalen Leistungsumsetzerschaltung mit einer Primärschaltungsseite, die von einer Sekundärschaltungsseite durch einen Transformator getrennt ist) auf oder kann optional mit einem oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1-7 kombiniert sein, so dass er einen solchen Gegenstand aufweist, und weist Betreiben der Leistungsumsetzerschaltung in einer Rückwärtstiefsetzbetriebsart, in der die Eingangsspannung der Sekundärschaltungsseite höher ist als die Ausgangsspannung der Primärschaltungsseite und Energie von einem Induktor der Sekundärschaltungsseite an die Primärschaltungsseite geliefert wird, und Zurücksetzen einer Spannung des Induktors in der Rückwärtstiefsetzbetriebsart, um ein Durchgehen des Induktorstroms des Induktors zu verhindern, auf.
In Aspekt 9 weist der Gegenstand von Aspekt 8 optional Betreiben einer Gleichrichterschaltung der Sekundärschaltungsseite mit wenigstens einem Synchrongleichrichterschalter und Erhöhen des Induktorstroms, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter eingeschaltet ist, und Verringern des Induktorstroms und Laden eines Klemmkondensators der Klemmschaltung unter Verwendung der in dem Induktor gespeicherten Energie, wenn der Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet ist, auf.
In Aspekt 10 weist der Gegenstand von Aspekt 9 optional Laden des Klemmkondensators, wenn ein mit dem Klemmkondensator gekoppelter Klemmschalter eingeschaltet ist, und Entladen des Klemmkondensators, wenn der Klemmschalter ausgeschaltet ist, auf.
In Aspekt 11 weist der Gegenstand eines der oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 8-10 optional Betreiben einer Gleichrichterschaltung der Sekundärschaltungsseite, die einen ersten Synchrongleichrichter-Feldeffekttransistor (FET) und einen zweiten Synchrongleichrichter-FET aufweist, Entladen eines mit dem Induktor gekoppelten ersten Klemmkondensators und Laden eines zweiten Klemmkondensators, wenn der erste Synchrongleichrichter-FET eingeschaltet ist, und Entladen des zweiten Klemmkondensators und Laden des ersten Klemmkondensators, wenn der zweite Synchrongleichrichter-FET eingeschaltet ist, auf.
In Aspekt 12 weist der Gegenstand von Aspekt 11 optional Entladen der ersten Klemmschaltung, wenn ein mit dem ersten Klemmkondensator gekoppelter erster Klemm-FET eingeschaltet ist, und Entladen der zweiten Klemmschaltung, wenn ein mit dem zweiten Klemmkondensator gekoppelter zweiter Klemm-FET eingeschaltet ist, auf. Ein Aktivierungssignal des ersten Klemm-FET ist komplementär zu einem Aktivierungssignal des zweiten Synchrongleichrichter-FET, und ein Aktivierungssignal des zweiten Klemm-FET ist komplementär zu einem Aktivierungssignal des ersten Synchrongleichrichter-FET.
In Aspekt 13 weist der Gegenstand eines der oder beider Aspekte 11 und 12 optional Betreiben einer Vollbrücken-Umsetzerschaltung auf der Primärschaltungsseite auf.
In Aspekt 14 weist der Gegenstand eines der oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 11-13 optional Überführen der Leistungsumsetzerschaltung von einer Rückwärtstiefsetzbetriebsart zu einer Rückwärtshochsetzbetriebsart durch Ändern des Schaltverhältnisses des ersten Synchrongleichrichter-FET und des zweiten Synchrongleichrichter-FET auf.
Aspekt 15 weist einen Gegenstand (wie z. B. ein Stromversorgungssystem) auf oder kann optional mit einem der oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 1-14 kombiniert sein, so dass er einen solchen Gegenstand aufweist, der eine erste Versorgungsschiene, eine zweite Versorgungsschiene und eine Spannungsumsetzerschaltung aufweist, die Folgendes aufweist: eine Vollbrücken-Umsetzerschaltung, die mit der ersten Versorgungsschiene gekoppelt ist und mehrere Primärschalter, einen Trenntransformator, einen mit dem Trenntransformator gekoppelten Induktor, eine Gleichrichterschaltung und eine Klemmschaltung aufweist. Die Gleichrichterschaltung ist mit der zweiten Versorgungsschiene und dem Induktor gekoppelt und durch den Trenntransformator von der Vollbrücken-Umsetzerschaltung getrennt, wobei die Gleichrichterschaltung dazu ausgebildet ist, Energie von der Vollbrücken-Umsetzerschaltung aufzunehmen und Energie an die Vollbrücken-Umsetzerschaltung zu liefern. Die Klemmschaltung ist mit dem Induktor gekoppelt und dazu ausgebildet, eine Rücksetzspannung für den Induktor, die ein Durchgehen des Induktorstroms des Induktors verhindert, bereitzustellen.
In Aspekt 16 weist der Gegenstand von Aspekt 15 optional eine Gleichrichterschaltung auf, die mehrere synchrone Gleichrichterschalter aufweist, und die Klemmschaltung weist mehrere Klemmschalter und mehrere Klemmkondensatoren auf, wobei jeder Klemmkondensator aus den mehreren Klemmkondensatoren mit den Klemmschaltern und mit dem Induktor gekoppelt ist und jeder Klemmschalter mit einem Synchrongleichrichterschalter gekoppelt ist.
In Aspekt 17 weist der Gegenstand eines der oder beider Aspekte 15 und 16 optional eine Gleichrichterschaltung mit einer Vollwellen-Gleichrichtertopologie auf.
In Aspekt 18 weist der Gegenstand eines der oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 15-17 optional eine Spannungsumsetzerschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, die Spannung in einer Vorwärtsbetriebsart und in einer Rückwärtsbetriebsart umzusetzen, wenn in der Vorwärtsbetriebsart eine Spannung der ersten Versorgungsschiene höher ist als eine Spannung der zweiten Versorgungsschiene und in der Rückwärtsbetriebsart die Spannung der zweiten Versorgungsschiene höher oder niedriger ist als die Spannung der ersten Versorgungsschiene.
In Aspekt 19 weist der Gegenstand von Aspekt 18 optional eine Gleichrichterschaltung auf, die mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist, und die Klemmschaltung weist wenigstens einen Klemmkondensator auf, der mit dem Induktor gekoppelt ist, und wenn der Spannungsumsetzer in der Rückwärtsbetriebsart arbeitet und die Spannung der zweiten Versorgungsschiene höher als die Spannung der ersten Versorgungsschiene ist, steigt der Induktorstrom an und die in dem Induktor gespeicherte Energie und die in dem wenigstens einen Klemmkondensator gespeicherte Energie fließt zu der Primärschaltungsseite, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter eingeschaltet ist, und der Induktorstrom sinkt und die in dem Induktor gespeicherte Energie fließt zu dem wenigstens einen Klemmkondensator, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet ist.
In Aspekt 20 weist der Gegenstand eines der oder einer beliebigen Kombination der Aspekte 15-19 optional eine Gleichrichterschaltung, die mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist, und eine Klemmschaltung, die einen ersten Klemm-Feldeffekttransistor (FET) und einen zweiten Klemm-FET aufweist, auf, und die mehreren Synchrongleichrichterschalterweisen erste und zweite Synchrongleichrichterschalter auf. Ein erstes Source- oder Drain-Gebiet des ersten Klemm-FET ist mit einem ersten Source- oder Drain-Gebiet des zweiten Klemm-FET verbunden, ein zweites Source- oder Drain-Gebiet des ersten Klemm-FET ist mit dem zweiten Synchrongleichrichterschalter verbunden, und ein zweites Source- oder Drain-Gebiet des zweiten Klemm-FET ist mit dem ersten Synchrongleichrichterschalter verbunden.
Diese nicht einschränkenden Aspekte können in beliebiger Permutation oder Kombination kombiniert sein. Die vorstehende ausführliche Beschreibung enthält Verweise auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen zur Darstellung spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen sind hier auch als „Beispiele“ bezeichnet. Alle Veröffentlichungen, Patente und Patentdokumente, auf die in diesem Dokument Bezug genommen ist, sind in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme so mit aufgenommen, als ob sie einzeln durch Bezugnahme aufgenommen worden wären. Im Falle inkonsistenter Verwendungen zwischen diesem Dokument und den durch Bezugnahme mit aufgenommenen Dokumenten ist die Verwendung in der/den aufgenommenen Bezugnahme(en) als ergänzend zu der des vorliegenden Dokuments zu betrachten; bei unvereinbaren Inkonsistenzen gilt die Verwendung in diesem Dokument.
In diesem Dokument sind die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie in Patentdokumenten üblich, verwendet, so dass sie eines oder mehr als eines aufweisen, unabhängig von allen anderen Fällen oder Verwendungen von „wenigstens eines“ oder „eines oder mehrere“. In diesem Dokument ist der Begriff „oder“ so verwendet, dass er sich auf ein nicht ausschließendes Oder bezieht, so dass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ einschließt, sofern nicht anders angegeben. In den beigefügten Ansprüchen sind die Ausdrücke „aufweisen“ und „in dem“ als einfache deutsch Äquivalente der jeweiligen Begriffe „aufweisen“ und „wobei“ verwendet. In den folgenden Ansprüchen ist außerdem der Begriff „aufweisen“ offen, das heißt ein System, eine Vorrichtung, ein Gegenstand oder ein Prozess, das/sie/der zusätzliche zu den nach einem solchen Begriff in einem Anspruch aufgeführten Elemente aufweist, fällt dennoch in den Schutzbereich dieses Anspruchs. Außerdem sind in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erster“, „zweiter“, „dritter“ usw. lediglich als Kennzeichen verwendet und sollen nicht dazu dienen, ihren Objekten numerische Anforderungen zuzuweisen. Hier beschriebene Verfahrensbeispiele können wenigstens teilweise maschinell oder computergestützt implementiert sein.
Die vorstehende Beschreibung dient der Veranschaulichung und ist nicht einschränkend. Beispielsweise können die vorstehend beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie z. B. durch einen normalen Fachmann nach Durchsicht der vorstehenden Beschreibung. Die Zusammenfassung ist konform mit 37 C.F.R. §1.72(b) bereitgestellt, um dem Leser zu ermöglichen, die Art der technischen Offenbarung schnell zu erfassen. Sie wird mit dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht zum Interpretieren oder Einschränken des Schutzbereichs oder der Bedeutung der Ansprüche verwendet wird. In der vorstehenden ausführlichen Beschreibung können verschiedene Merkmale auch gruppiert sein, um die Offenbarung zu straffen. Dies sollte nicht als Absicht interpretiert werden, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für einen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer speziellen offenbarten Ausführungsform liegen. Daher sind die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich genommen eine separate Ausführungsform darstellt. Der Schutzbereich der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, bestimmt werden.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf eine Vorrichtung, die eine bidirektionale Leistungsumsetzerschaltung aufweist. Die Leistungsumsetzerschaltung weist eine Primärschaltungsseite, die mehrere Primärschalter aufweist, einen Trenntransformator und eine Sekundärschaltungsseite, die durch den Trenntransformator von der Primärschaltungsseite getrennt ist, auf. Die Sekundärschaltungsseite weist einen Induktor, eine Gleichrichterschaltung, die mit Induktor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, Energie von der Primärschaltungsseite aufzunehmen und Energie für die Primärschaltungsseite bereitzustellen, und eine Klemmschaltung, die mit dem Induktor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, eine Rücksetzspannung, die ein Durchgehen des Spulenstroms verhindert, für die Spule bereitzustellen, auf.

Claims

Bidirektionale Leistungsumsetzerschaltung, wobei die Leistungsumsetzerschaltung Folgendes aufweist: eine Primärschaltungsseite, die mehrere Primärschalter aufweist; einen Trenntransformator; und eine Sekundärschaltungsseite, die von der Primärschaltungsseite durch den Trenntransformator getrennt ist, wobei die Sekundärschaltungsseite Folgendes aufweist: einen Induktor; eine Gleichrichterschaltung, die mit dem Induktor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, Energie von der Primärschaltungsseite aufzunehmen und Energie für die Primärschaltungsseite bereitzustellen; und eine Klemmschaltung, die mit dem Induktor gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, eine Rücksetzspannung, die ein Durchgehen des Induktorstroms verhindert, für den Induktor bereitzustellen.
Leistungsumsetzerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Gleichrichterschaltung mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist und die Klemmschaltung mehrere Klemmschalter und mehrere Klemmkondensatoren aufweist, wobei jeder Klemmkondensator aus den mehreren Klemmkondensatoren mit den Klemmschaltern und mit dem Induktor gekoppelt ist und jeder Klemmschalter mit einem Synchrongleichrichterschalter gekoppelt ist.
Leistungsumsetzerschaltung nach Anspruch 2, wobei die Primärschaltungsseite eine Vollbrücken-Umsetzerschaltungstopologie aufweist und die Gleichrichterschaltung eine Vollwellen-Gleichrichterschaltungstopologie aufweist.
Leistungsumsetzerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leistungsumsetzerschaltung dazu ausgebildet ist, in einer Vorwärtsbetriebsart und in einer Rückwärtsbetriebsart zu arbeiten, um eine Spannung umzusetzen, wenn in der Vorwärtsbetriebsart eine Eingangsspannung der Primärschaltungsseite höher ist als eine Ausgangsspannung der Sekundärschaltungsseite und in der Rückwärtsbetriebsart eine Eingangsspannung der Sekundärschaltungsseite höher oder niedriger ist als die Ausgangsspannung der Primärschaltungsseite.
Leistungsumsetzerschaltung nach Anspruch 4, wobei die Gleichrichterschaltung mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist und die Klemmschaltung wenigstens einen mit dem Induktor gekoppelten Klemmkondensator aufweist; und wenn die Leistungsumsetzerschaltung in der Rückwärtsbetriebsart arbeitet und die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist, der Induktorstrom ansteigt und die in dem Induktor und dem wenigstens einen Klemmkondensator gespeicherte Energie zu der Primärschaltungsseite fließt, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter eingeschaltet ist, und der Induktorstrom sinkt und die in dem Induktor gespeicherte Energie zu dem wenigstens einen Klemmkondensator fließt, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet ist.
Leistungsumsetzerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gleichrichterschaltung mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist; wobei die Klemmschaltung einen ersten Klemm-Feldeffekttransistor (FET) und einen zweiten Klemm-FET aufweist und die mehreren Synchrongleichrichterschalter einen ersten und einen zweiten Synchrongleichrichterschalter aufweisen; wobei ein erstes Source- oder Drain-Gebiet des ersten Klemm-FET mit einem ersten Source- oder Drain-Gebiet des zweiten Klemm-FET verbunden ist; und wobei ein zweites Source- oder Drain-Gebiet des ersten Klemm-FET mit dem zweiten Synchrongleichrichterschalter verbunden ist und ein zweites Source- oder Drain-Gebiet des zweiten Klemm-FET mit dem ersten Synchrongleichrichterschalter verbunden ist.
Leistungsumsetzerschaltung nach Anspruch 6, wobei die Klemmschaltung einen ersten Klemmkondensator, der mit dem ersten Klemm-FET gekoppelt ist, und einen zweiten Klemmkondensator, der mit dem zweiten Klemm-FET gekoppelt ist, aufweist; wobei der erste Klemmkondensator aus dem Induktor geladen wird, wenn der zweite Klemm-FET und der zweite Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet sind, und der erste Klemmkondensator entladen wird, wenn der erste Klemm-FET eingeschaltet ist; und wobei der zweite Klemmkondensator aus dem Induktor geladen wird, wenn der erste Klemm-FET und der erste Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet sind, und der zweite Klemmkondensator entladen wird, wenn der zweite Klemm-FET eingeschaltet ist.
Verfahren zum Betreiben einer bidirektionalen Leistungsumsetzerschaltung, die eine Primärschaltungsseite, die durch einen Transformator von der Sekundärschaltungsseite getrennt ist, aufweist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Betreiben der Leistungsumsetzerschaltung in einer Rückwärtstiefsetzbetriebsart, in der die Eingangsspannung der Sekundärschaltungsseite höher ist als die Ausgangsspannung der Primärschaltungsseite und Energie aus einem Induktor der Sekundärschaltungsseite an die Primärschaltungsseite geliefert wird; und Zurücksetzen einer Spannung des Induktors in der Rückwärtstiefsetzbetriebsart, um ein Durchgehen des Induktorstroms des Induktors zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Betreiben des Leistungsumsetzers das Betreiben einer Gleichrichterschaltung auf der Sekundärschaltungsseite, die wenigstens einen Synchrongleichrichterschalter aufweist, und das Erhöhen des Induktorstroms, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter eingeschaltet ist, aufweist; und wobei das Begrenzen des Induktorstroms das Verringern des Induktorstroms und das Laden eines Klemmkondensators der Klemmschaltung unter Verwendung der in dem Induktor gespeicherten Energie, wenn der Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Begrenzen des Induktionsstroms ferner das Laden des Klemmkondensators, wenn ein mit dem Klemmkondensator gekoppelter Klemmschalter eingeschaltet ist, und das Entladen des Klemmkondensators, wenn der Klemmschalter ausgeschaltet ist, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Betreiben des Leistungsumsetzers Folgendes aufweist: Betreiben einer Gleichrichterschaltung der Sekundärschaltungsseite, die einen ersten Synchrongleichrichter-Feldeffekttransistor (FET) und einen zweiten Synchrongleichrichter-FET aufweist; und wobei das Begrenzen des Induktorstroms das Entladen eines ersten Klemmkondensators, der mit dem Induktor gekoppelt ist, und das Laden eines zweiten Klemmkondensators, wenn der erste Synchrongleichrichter-FET eingeschaltet ist, und das Entladen des zweiten Klemmkondensators und das Laden des ersten Klemmkondensators, wenn der zweite Synchrongleichrichter-FET eingeschaltet ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Begrenzen des Induktorstroms ferner Folgendes aufweist: Entladen der ersten Klemmschaltung, wenn ein mit dem ersten Klemmkondensator gekoppelter erster Klemm-FET eingeschaltet ist, und Entladen der zweiten Klemmschaltung, wenn ein mit dem zweiten Klemmkondensator gekoppelter zweiter Klemm-FET eingeschaltet ist; und wobei ein Aktivierungssignal des ersten Klemm-FET komplementär zu einem Aktivierungssignal des zweiten Synchrongleichrichter-FET ist und ein Aktivierungssignal des zweiten Klemm-FET komplementär zu einem Aktivierungssignal des ersten Synchrongleichrichter-FET ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Betreiben der Leistungsumsetzerschaltung in einer Rückwärtstiefsetzbetriebsart das Betreiben einer Vollbrücken-Umsetzerschaltung der Primärschaltungsseite aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das ferner das Überführen der Leistungsumsetzerschaltung von einer Rückwärtstiefsetzbetriebsart zu einer Rückwärtshochsetzbetriebsart durch Ändern des Schaltverhältnisses des ersten Synchrongleichrichter-FET und des zweiten Synchrongleichrichter-FET aufweist.
Stromversorgungssystem, wobei das System Folgendes aufweist: eine erste Versorgungsschiene und eine zweite Versorgungsschiene; eine Spannungsumsetzerschaltung, die Folgendes aufweist: eine Vollbrücken-Umsetzerschaltung, die mit der ersten Versorgungsschiene gekoppelt ist und mehrere Primärschalter aufweist; einen Trenntransformator; einen mit dem Trenntransformator gekoppelten Induktor; eine mit der zweiten Versorgungsschiene und dem Induktor gekoppelte und durch den Trenntransformator von der Vollbrücken-Umsetzerschaltung getrennte Gleichrichterschaltung, wobei die Gleichrichterschaltung dazu ausgebildet ist, Energie aus der Vollbrücken-Umsetzerschaltung aufzunehmen und Energie für die Vollbrücken-Umsetzerschaltung bereitzustellen; und eine Klemmschaltung, die mit dem Induktor gekoppelt und dazu ausgebildet ist, eine Rücksetzspannung für den Induktor, die ein Durchgehen des Induktorstroms des Induktors verhindert, bereitzustellen.
System nach Anspruch 15, wobei die Gleichrichterschaltung mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist und die Klemmschaltung mehrere Klemmschalter und mehrere Klemmkondensatoren aufweist, wobei jeder Klemmkondensator aus den mehreren Klemmkondensatoren mit den Klemmschaltern und mit dem Induktor gekoppelt ist und jeder Klemmschalter mit einem Synchrongleichrichterschalter gekoppelt ist.
System nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Gleichrichterschaltung eine Vollwellen-Gleichrichterschaltungstopologie aufweist.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Spannungsumsetzerschaltung dazu ausgebildet ist zu arbeiten, um die Spannung in einer Vorwärtsbetriebsart und in einer Rückwärtsbetriebsart umzusetzen, wenn in der Vorwärtsbetriebsart eine Spannung der ersten Versorgungsschiene höher ist als eine Spannung der zweiten Versorgungsschiene und in der Rückwärtsbetriebsart die Spannung der zweiten Versorgungsschiene höher oder niedriger ist als die Spannung der ersten Versorgungsschiene.
System nach Anspruch 18, wobei die Gleichrichterschaltung mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist und die Klemmschaltung wenigstens einen mit dem Induktor gekoppelten Klemmkondensator aufweist; und wenn die Spannungsumsetzerschaltung in der Rückwärtsbetriebsart arbeitet und die Spannung der zweiten Versorgungsschiene höher als die Spannung der ersten Versorgungsschiene ist, der Induktorstrom ansteigt und die in dem Induktor gespeicherte Energie und die in dem wenigstens einen Klemmkondensator gespeicherte Energie zu der Primärschaltungsseite fließt, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter eingeschaltet ist, und der Induktorstrom sinkt und die in dem Induktor gespeicherte Energie zu dem wenigstens einen Klemmkondensator fließt, wenn der wenigstens eine Synchrongleichrichterschalter ausgeschaltet ist.
System nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Gleichrichterschaltung mehrere Synchrongleichrichterschalter aufweist; wobei die Klemmschaltung einen ersten Klemm-Feldeffekttransistor (FET) und einen zweiten Klemm-FET aufweist und die mehreren Synchrongleichrichterschalter einen ersten und einen zweiten Synchrongleichrichterschalter aufweisen; wobei ein erstes Source- oder Drain-Gebiet des ersten Klemm-FET mit einem ersten Source- oder Drain-Gebiet des zweiten Klemm-FET verbunden ist; und wobei ein zweites Source- oder Drain-Gebiet des ersten Klemm-FET mit dem zweiten Synchrongleichrichterschalter verbunden ist und ein zweites Source- oder Drain-Gebiet des zweiten Klemm-FET mit dem ersten Synchrongleichrichterschalter verbunden ist.