DE102023110953A1

DE102023110953A1 - Schalt-controller-schaltung und -verfahren zum steuern von schaltvorgängen

Info

Publication number: DE102023110953A1
Application number: DE102023110953.7A
Authority: DE
Inventors: Leonard Dobos; Anthony New
Original assignee: TDK Lambda UK Ltd
Current assignee: TDK Lambda UK Ltd
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2023-04-27
Publication date: 2023-11-16
Also published as: JP2023165657A; CN117013824A; US20230361670A1; GB2618371A

Abstract

Eine Schalt-Controller-Schaltung (10) zum Steuern von Schaltvorgängen in einer Topologie (1), die einen ersten Schalter (4), einen zweiten Schalter (5) und einen dazwischen gekoppelten Schaltknoten (6) aufweist. Eine Treiberanordnung (101, 104, 105) steuert die ersten und zweiten Schalter (4, 5), um abwechselnd zu öffnen und zu schließen, wobei eine Totzeitperiode zwischen dem Öffnen eines Schalters (4) und dem Schließen des anderen Schalters (5) im Einsatz angewendet wird. Ein mit dem Schaltknoten (6) verbundener Spannungssensor (106) stellt eine Rückkopplung basierend auf einer erfassten Spannung bereit, wenn sie zwischen Hoch- und Niederspannungszuständen übergeht, und legt eine Länge der Totzeitperiode basierend auf einer gemessenen ersten Zeitperiode und einem Multiplikatorkoeffizienten fest. Die erste Zeitperiode wird von einem Zeitpunkt des Öffnens von einem der Schalter bis zu einem Zeitpunkt gemessen, zu dem die erfasste Spannung eine zwischen den Hoch- und Niederspannungszuständen festgelegte Schwelle durchläuft.

Description

Einführung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Schalt-Controller-Schaltung zum Steuern von Schaltvorgängen in einer Schalttopologie und insbesondere einer Halb- oder Vollbrückentopologie. Die vorliegende Offenbarung ist insbesondere relevant für einen Schalt-Controller mit adaptiver Totzeit zum Ansteuern von Halbbrücken- und Vollbrückentopologien in Leistungselektronikanwendungen und einen Schaltnetzteil-Controller. Die Offenbarung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern von Schaltvorgängen und eine Stromversorgung bzw. ein Netzteil, das den Schalt-Controller enthält.
Hintergrund
1 stellt eine in DC-AC-Wechselrichtern bzw. - Invertern und DC-DC-Wandleranwendungen gewöhnlich verwendete Halbbrückentopologie 1 dar. In der Topologie sind zwei MOSFET-Schaltvorrichtungen 4, 5 in Reihe geschaltet, wobei die Vorrichtungen durch zwei komplementäre Ansteuerungssignale angesteuert werden, die an ihre jeweiligen Gates 41, 51 angelegt werden, jedes mit einem Tastverhältnis, das annähernd 50% betragen kann. Um den Betrieb aufrechtzuerhalten und den Wirkungsgrad zu verbessern, ist es wünschenswert, dass solche Schaltvorrichtungen in einem Schaltnetzteil (engl.: switch mode power supply) weich schalten, sodass ihre Leistungsdissipation bzw. Verlustleistung während des Schaltbetriebs null ist. Wenn die MOSFET-Schaltvorrichtungen 4, 5 ein- oder ausgeschaltet werden, müssen somit die Spannung und der Stromfluss über sie idealerweise null sein. Um dies zu ermöglichen, ist zwischen dem Öffnen eines Schalters und dem Schließen des anderen ein Totzeitbetrag vorgesehen.
2 ist eine schematische grafische Darstellung, die eine Signalansteuerung der High-Side-Schaltvorrichtung HS1 (4 in 1) und die Signalansteuerung der Low-Side-Schaltvorrichtung LS1 (5 in 1) sowie das Schaltknotensignal SN1 (Ausgang 6 in 1) zeigt. In 2 ist die Totzeit in der grauen Fläche 8 dargestellt und ist die Zeitspanne, in der beide Schaltvorrichtungen 4, 5 aus sind und die diese Vorrichtungen ansteuernden Signale niedrig gehalten werden. Wie dargestellt ist, durchläuft, wenn HS1 am Punkt 7 auf Low bzw. Niedrig geschaltet wird, während LS1 niedrig gehalten wird, das SN1-Signal von seinem Hochspannungszustand aus einen fallenden Übergang. Der verbesserte Wirkungsgrad wird erreicht, vorausgesetzt dass LS1 erst eingeschaltet wird (Punkt 9 mit niedriger Spannung in 2), wenn die Drain-Source-Spannung (VDS) des SN1-Signals auf ihren niedrigen Zustand, wobei dieser bei null Volt liegt, oder in dessen Nähe gefallen ist. Folglich ist die Einstellung bzw. Festlegung der Totzeitperiode 8 wichtig, um einen effizienten Betrieb zu erzielen.
Insofern werden herkömmlicherweise Controller zum Ansteuern von Schaltern in Halbbrückentopologien einen festen Wert der Totzeit verwenden. Jedoch kann die für den fallenden Übergang des SN1-Signals in Anspruch genommene Zeit unter bestimmten Betriebsbedingungen schwanken bzw. variieren. In diesen Szenarien geht die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad verloren, wenn die feste Totzeit zu kurz oder zu lang ist. Beispielsweise zeigt 3 ein Szenario, bei dem die Totzeiteinstellung zu kurz ist, was zu einem harten Schaltvorgang und folglich einer Verlustleistung in der Vorrichtung führt. In der Praxis wird dieser harte Schaltvorgang auch die Gate-Signale beeinflussen, die das Miller-Plateau präsentieren. 4 zeigt umgekehrt ein Szenario, bei dem die Totzeiteinstellung zu lang ist. Hier geht der Resonanzstrom nach dem anfänglichen SN1-Spannungsabfall durch null und beginnt, die Spannung wieder nach oben zu ziehen. Dies verursacht wiederum einen harten Schaltvorgang und Verlustleistung und reduziert daher den Wirkungsgrad und erhöht das Risiko einer Komponentenschädigung.
Um das obige Problem anzugehen, versuchen anspruchsvollere Controller, eine variable Länge der Totzeit basierend auf einer Überwachung, wann das Schaltknotensignal SN1 seinen Niederspannungszustand (d.h. eine Nullspannung oder einen Wert nahe null) erreicht hat, zu verwenden. An sich wird der Zeitpunkt, zu dem der Übergang der Schaltknotenspannung einen minimalen Schwellenwert erreicht, genutzt, um das Ende der Totzeitperiode zu bestimmen bzw. vorzuschreiben. Abgesehen von einer kleinen Überwachungsverzögerung arbeitet dieser Ansatz im Allgemeinen gut, vorausgesetzt die Leistungsschalter weisen eine nahezu konstante Drain-Kapazität zwischen dem EIN-Zustand und dem AUS-Zustand auf und zeigen daher einen linearen SN1-Spannungsübergang wie jenen, der in 5 dargestellt ist. In der Praxis sind jedoch Leistungsschalter, die eine nahezu konstante Drain-Kapazität aufweisen, selten.
In diesem Zusammenhang könnte in den meisten modernen Leistungsvorrichtungen wie etwa MOSFETs mit einer Silizium-Superjunction-Technologie die Drain-Kapazität um zwei Größenordnungen zwischen den EIN- und AUS-Zuständen (z. B. von Picofarad bis Nanofarad) variieren. In dieser Situation weist der SN1-Spannungsübergang drei Steigungen auf, wie in 6 dargestellt ist. Folglich ist das Detektieren, wann die Schaltknotenspannung ihren Niederspannungszustand erreicht hat, extrem schwierig. Andere Technologien wie etwa Siliziumcarbid und GaN können eine geringere Änderung der Kapazität aufweisen, haben aber noch dasselbe Problem. An sich kann eine Low-Side-Schaltvorrichtung LS1 vorzeitig eingeschaltet werden, was zur Folge hat, dass die Vorrichtung die in den parasitären Kapazitäten 42, 52 gespeicherte Energie dissipiert. Darüber hinaus kann es in verrauschten Umgebungen wie etwa einem Schaltnetzteil bzw. einer Stromversorgung auch schwierig sein, den tatsächlichen Niederspannungszustand (z. B. 0 V) zu detektieren. Selbst mit fortgeschritteneren herkömmlichen Controllern kann dementsprechend ein harter Schaltvorgang noch auftreten.
Es versteht sich, dass, obgleich oben eine Halbbrückentopologie 1 beschrieben ist, die obigen Totzeitprobleme auch gleichermaßen für eine Vollbrückentopologie sowie andere Schalttopologien gelten.
Daher besteht ein Bedarf an einer verbesserten Controller-Schaltung mit adaptiver Totzeit und einem Steuerungsverfahren für Leistungselektronikvorrichtungen.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Schalt-Controller-Schaltung zum Steuern von Schaltvorgängen in einer Topologie bereitgestellt, die einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter und einen dazwischen gekoppelten Schaltknoten aufweist, wobei die Controller-Schaltung aufweist: eine Treiberanordnung zum Steuern der ersten und zweiten Schalter, um abwechselnd zu öffnen und zu schließen, wobei eine Totzeitperiode zwischen dem Öffnen eines Schalters und dem Schließen des anderen Schalters im Einsatz angewendet wird; einen Spannungssensor für eine Verbindung mit dem Schaltknoten zum Bereitstellen einer Rückkopplung, basierend auf einer erfassten Spannung, wenn sie während der Totzeit zwischen Hoch- und Niederspannungszuständen übergeht; und wobei der Controller so konfiguriert ist, dass er eine Länge der Totzeitperiode basierend auf einer ersten gemessenen Zeitperiode und einem Multiplikatorkoeffizienten festlegt, wobei die erste Zeitperiode von einem Zeitpunkt des Öffnen von einem der Schalter bis zu einem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die erfasste Spannung eine zwischen den Hoch- und Niederspannungszuständen festgelegte Schwelle durchläuft.
Auf diese Weise kann die Schalt-Controller-Schaltung den Betrag der Totzeit variieren, um einen optimierten weichen Schaltvorgang und damit einen verbesserten Wirkungsgrad und reduzierte Verluste zu erzielen. Das heißt, der Controller bestimmt den Betrag der Totzeit basierend auf einem Schwellenpunkt während des Übergangs von hoher zu niedriger Spannung. Die schnellere Steigungsänderung während dieser Periode bedeutet, dass die Detektion des Zeitpunkts, zu dem die Schwelle passiert wird, im Vergleich mit einer Detektion, wann ein Niederspannungszustand erreicht wird, genauer bestimmt werden kann. Wichtig ist, dass, selbst wenn die Länge der gemessenen Periode mit variierenden Schaltlasten variiert, die angewendete Totzeit ebenfalls eingestellt wird, um dadurch einen optimalen Betrieb aufrechtzuerhalten.
In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem ersten Schalter um einen High-Side-Schalter und handelt es sich bei dem zweiten Schalter um einen Low-Side-Schalter.
In einigen Ausführungsformen ist die Schwelle eine Spannung an einem mittleren Punkt zwischen den Hoch- und Niederspannungszuständen. Auf diese Weise wird die Schwelle während des steilsten Steigungsübergangs eingerichtet bzw. festgelegt, wodurch die Detektionsgenauigkeit verbessert wird.
In einigen Ausführungsformen ist die Schwelle eine Spannung, die halb so hoch wie die Spannung im Hochspannungszustand ist. Auf diese Weise kann, wenn die High- und Low-Side-Schaltvorrichtungen einen symmetrischen Übergang präsentieren, eine einfache Berechnung der gesamten erforderlichen Totzeit durch einfaches Verdoppeln der ersten Zeitperiode realisiert werden.
In Ausführungsformen liegt der Multiplikatorkoeffizient zwischen 1,5 und 5. In bevorzugten Ausführungsformen liegt der Multiplikatorkoeffizient zwischen 1,5 und 2,5.
In einigen Ausführungsformen beträgt der Multiplikatorkoeffizient 2.
In einigen Ausführungsformen weist die Treiberanordnung einen High-Side-Treiber zum Ansteuern des ersten Schalters und einen Low-Side-Treiber zum Ansteuern des zweiten Schalters auf.
In einigen Ausführungsformen weist die Schalt-Controller-Schaltung ferner einen Prozessor zum Steuern der Treiberanordnung und Festlegen der Länge der Totzeitperiode auf, wobei der Prozessor die erste Zeitperiode vom Zeitpunkt des Öffnens eines der Schalter bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die erfasste Spannung die Schwelle durchläuft, basierend auf einer Rückkopplung vom Spannungssensor misst. Auf diese Weise kann der Prozessor so konfiguriert sein, dass er einen Totzeit-Algorithmus zum Variieren der angewendeten Totzeit implementiert. In einigen Ausführungsformen kann der Totzeit-Algorithmus in einer auf dem Prozessor laufenden Software implementiert sein.
In einigen Ausführungsformen weist der Spannungssensor einen reaktiven Teiler auf. Auf diese Weise kann ein vorher festgelegter Übergangsschwellenpegel unter Verwendung passiver Komponenten selbst im Fall von Variationen der Spannungsversorgung angewendet werden, die während einer Betriebsstörung oder während Änderungen der Versorgungsspannung oder einer Welligkeit in der gleichgerichteten AC- bzw. Wechselstromversorgung auftreten können.
In einigen Ausführungsformen weist der Spannungssensor ferner eine Vorspannungsschaltung auf, wobei die Vorspannungsschaltung eine Vorspannung bereitstellt. In einigen Ausführungsformen entspricht die Vorspannung dem Hochspannungszustand. In anderen Ausführungsformen entspricht die Vorspannung einer Hilfsspannung. Die Hilfsspannung kann auch genutzt werden, um den Controller mit Leistung zu versorgen.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorspannungsschaltung ferner erste und zweite Widerstände in einer Spannungsteileranordnung zum Teilen der Vorspannung auf. Auf diese Weise kann die Auslöseschwelle basierend auf dem Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand bequem festgelegt werden, was durch ermöglicht, dass ein konsistenter Messpunkt beibehalten wird. In einigen Ausführungsformen kann die Vorspannung von einer Niederspannungsversorgung wie etwa der Controller-Spannung bereitgestellt werden.
In einigen Ausführungsformen weist der Spannungssensor einen Ausgang auf und ist er so konfiguriert, dass er ein Rückkopplungssignal am Ausgang erzeugt, wenn die Schaltknotenspannung die Schwelle durchläuft. Auf diese Weise kann das Signal genutzt werden, um das Detektionsereignis in dem Controller-Prozessor oder der integrierten Schaltung auszulösen.
In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Topologie um eine Halbbrücken-, Vollbrücken- oder Dreiphasentopologie. In einigen Ausführungsformen nutzt die Topologie zwei Low-Side-Schalter oder zwei High-Side-Schalter. In diesem Fall könnte der gemessene Schaltknoten der eine oder der andere der Vorrichtungs-Drains sein. In einigen Ausführungsformen weist die Topologie einen resonanten Push-Pull- bzw. Gegentaktwandler, zwei Low-Side-Schalter und einen mittig abgegriffenen Transformator/Induktor auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern von Schaltvorgängen in einer Topologie bereitgestellt, die einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter und einen dazwischen gekoppelten Schaltknoten aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Steuern der ersten und zweiten Schalter, um abwechselnd zu öffnen und zu schließen, unter Verwendung einer Treiberanordnung, wobei eine Totzeitperiode zwischen dem Öffnen eines Schalters und dem Schließen des anderen Schalters angewendet wird; Empfangen einer Rückkopplung basierend auf einer erfassten Spannung durch einen Spannungssensor, der mit dem Schaltknoten verbunden ist, wenn sie während der Totzeitperiode zwischen Hoch- und Niederspannungszuständen übergeht; und Festlegen einer Länge der Totzeitperiode basierend auf einer gemessenen ersten Zeitperiode und einem Multiplikatorkoeffizienten, wobei die erste Zeitperiode von einem Zeitpunkt des Öffnens eines der Schalter bis zu einem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die erfasste Spannung eine zwischen den Hoch- und Niederspannungszuständen festgelegte Schwelle durchläuft.
In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem ersten Schalter um einen High-Side-Schalter und handelt es sich bei dem zweiten Schalter um einen Low-Side-Schalter.
In einigen Ausführungsformen ist die Schwelle eine Spannung, die halb so hoch wie die Schwelle im Hochspannungszustand ist.
In einigen Ausführungsformen liegt der Multiplikatorkoeffizient zwischen 1,5 und 5. In bevorzugten Ausführungsformen liegt der Multiplikatorkoeffizient zwischen 1,5 und 2,5. In einigen Ausführungsformen beträgt der Multiplikatorkoeffizient 2.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Spannungssensor zum Bereitstellen einer Rückkopplung basierend auf einer erfassten Knotenspannung bereitgestellt, die zwischen Hoch- und Niederspannungszuständen variiert, wobei der Spannungssensor aufweist: einen reaktiven Teiler; eine Vorspannungsschaltung zum Bereitstellen einer Vorspannung und mit ersten und zweiten Widerständen in einer Spannungsteileranordnung zum Teilen der Vorspannung, um eine Schwelle festzulegen; und einen Ausgang für ein Rückkopplungssignal, wobei der Spannungssensor so konfiguriert ist, dass er das Rückkopplungssignal am Ausgang erzeugt, wenn die Knotenspannung die Schwelle durchläuft. In einigen Ausführungsformen entspricht die Vorspannung dem Hochspannungszustand. In anderen Ausführungsformen entspricht die Vorspannung einer Hilfsspannung. Die Hilfsspannung kann auch genutzt werden, um den Controller mit Leistung zu versorgen.
In einigen Ausführungsformen gibt es eine Zeitverzögerung zwischen dem Ausüben bzw. Vornehmen der Änderung des Gate-Ansteuerungszustands durch den Controller und dem tatsächlichen Passieren des Ein/Aus-Übergangspunkts der die Gate-Spannung der Vorrichtung. Diese Zeitverzögerung in der Gate-Ansteuerungsschaltung und/oder der Vorrichtung kann sich zwischen den High-Side- und Low-Side-Treibern unterscheiden und kann sich in der Einschaltverzögerung und Ausschaltverzögerung unterscheiden. Diese Verzögerungen können einen signifikanten Bruchteil der gemessenen Verzögerungszeit ausmachen. Falls das erfasste Kreuzen bzw. Überschreiten der Schwelle mit den Übergängen des Controller-Befehls (statt den tatsächlichen Gate-Spannungen der Schaltvorrichtung) verglichen wird, müssen diese Verzögerungen zu der gemessenen Verzögerung addiert oder von ihr subtrahiert werden, wenn der Multiplikator berechnet wird. Die Zeitverzögerungen der Treiber können konstant sein oder vorhersagbar variieren, was die Berechnung vereinfacht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Veranschaulichende Ausführungsformen werden nun mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:

1 eine veranschaulichende Halbbrückentopologie zeigt;
2 eine schematische grafische Darstellung ist, die HS1-, LS1- und SN1-Signalspannungen während eines Schaltübergangs zeigt, bei dem die Totzeit optimal ist;
3 ist eine schematische grafische Darstellung, die die HS1-, LS1- und SN1-Signalspannungen während eines Schaltübergangs zeigt, bei dem die Totzeit zu kurz ist;
4 ist eine schematische grafische Darstellung, die die HS1-, LS1- und SN1-Signalspannungen während eines Schaltübergangs zeigt, bei dem die Totzeit zu lang ist;
5 ist eine schematische grafische Darstellung, die die HS1-, LS1- und SN1-Signalspannungen während eines Schaltübergangs zeigt, bei dem eine nahezu konstante Drain-Kapazität zwischen den EIN- und AUS-Zuständen vorliegt;
6 ist eine schematische grafische Darstellung, die die HS1-, LS1- und SN1-Signalspannungen während eines Schaltübergangs zeigt, bei dem die Drain-Kapazität zwischen den EIN- und AUS-Zuständen variiert;
7 zeigt eine veranschaulichende Halbbrückentopologie, die einen Controller gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält;
8 ist eine schematische grafische Darstellung, die die HS1-, LS1- und SN1-Signalspannungen während eines Schaltübergangs zeigt, bei dem die Totzeit durch den in 7 dargestellten Controller gesteuert wird; und
9 zeigt einen reaktiven Teiler zur Verwendung in einem Controller gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Ein Controller 10 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung ist in 7 dargestellt. Der Controller 10 ist in eine Halbbrückentopologie 1 integriert.
Wie bei der in 1 dargestellten Anordnung sind die High-Side-Schaltvorrichtung 4 und Low-Side-Schaltvorrichtung 5 zwischen einer positiven Leitung 2 und einer Masseleitung 4 in Reihe geschaltet. Parasitäre Kondensatoren 42, 52 sind mit jeder der Schaltvorrichtungen 4, 5 verbunden bzw. diesen zugeordnet.
Der Controller 10 in dieser Ausführungsform weist einen Prozessor 101 zum Implementieren einer Software eines Steuerungs-Algorithmus zum Bestimmen eines optimalen Betrags der Totzeit auf. In anderen Ausführungsformen kann der Controller 10 als vollständig integrierte Lösung vorgesehen sein, die in einer integrierten Schaltung implementiert ist. Solch eine integrierte Lösung kann den Spannungssensor 106 einbeziehen. Der Controller 10 umfasst einen High-Side-Steuerungstreiber 104 und einen Low-Side-Steuerungstreiber 105 zum Ansteuern der High- und Low-Side-Schaltvorrichtungen 4, 5 über die High- bzw. Low-Side-Gate-Eingänge 41, 51.
Der Controller 10 enthält ferner einen auf der Ausgangs-Schaltknotenleitung 6 vorgesehenen Spannungssensor 106 zum Erfassen der Schaltknotenspannung. Der Controller 10 stellt basierend auf der erfassten Spannung des Übergangs der Schaltknotenspannung eine adaptive Totzeit bereit.
Der Controller 10 ist so konfiguriert, dass er die Zeit detektiert, die die Schaltknotenspannung für einen Übergang vom Hoch zum mittleren Punkt benötigt. In dieser Ausführungsform liegt der mittlere Punkt vor bzw. ist er erreicht, wenn die Spannung auf der Schaltknotenleitung 6 eine Schwelle kreuzt, die annähernd der Hälfte des Hochspannungszustands, +Vin, entspricht, der an der positiven Leitung 2 anliegt. Dementsprechend identifiziert der Controller 10 eine Startzeit als den Zeitpunkt, zu dem die High-Side- oder Low-Side-Schaltvorrichtung 4, 5 ausgeschaltet wird, und identifiziert eine Stoppzeit als den Zeitpunkt, zu dem die Schaltknotenspannung der Hälfte der angelegten Spannung entspricht. Diese Zeitdifferenz zwischen den Start- und Stoppzeiten wird dann als die Grundlage zum Berechnen des Werts der Totzeit genutzt, der für einen optimalen Betrieb festgelegt werden soll, wie weiter unten mit Verweis auf 8 erläutert wird.
In diesem Zusammenhang zeigt 8 eine schematische grafische Darstellung der HS1-, LS1 und SN1-Signalspannungen während eines Schaltübergangs, bei dem die Totzeit durch den in 7 gezeigten Controller gesteuert wird. Wie oben diskutiert wurde, überwacht der Controller 10 den Übergang der Schaltknotenspannung SN1 und misst die Zeit zwischen dem Ausschalten des HS1-Signals und dem Punkt 11 mit mittlerer Spannung. Diese Zeitperiode ist in 8 als Intervall A bezeichnet. Der Controller 10 bestimmt dann den erforderlichen Betrag der Totzeit, indem eine Zeitperiode für ein Intervall B berechnet wird, die der Zeit zwischen dem Punkt 11 mit mittlerer Spannung und dem Punkt 9 mit niedriger Spannung entspricht. Diese Bestimmung basiert auf einer algorithmischen Beziehung zwischen den Intervallen A und B. In diesem Zusammenhang kann man, wenn die High-Side- und die Low-Side-Schaltvorrichtungen 4, 5 gleich sind, erwarten, dass sie einen symmetrischen Übergang aufweisen bzw. präsentieren. Daher werden die Intervalle A und B im Wesentlichen gleich sein und kann deshalb die Gesamttotzeit als das Zweifache des Intervalls A berechnet werden. Dementsprechend kann der Algorithmus zur Berechnung der Totzeit in dieser Ausführungsform ausgedrückt werden als: $T o t z e i t = A + B = 2 \cdot A$
Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsformen ein anderer Multiplikatorkoeffizient erforderlich sein könnte, falls die zwei Vorrichtungen verschieden sind oder falls die Auslöseschwelle auf einen anderen Pegel in Bezug auf +Vin festgelegt ist.
Wie man versteht, ermöglicht der Controller 10, dass die angewendete Totzeit mit sich ändernden Lastbedingungen variiert. Beispielsweise wird in modernen Schaltvorrichtungen die Übergangszeit bei hohen Lasten verhältnismäßig kurz sein. Falls beispielsweise gemessen wird, dass die Zeitperiode A eines Übergangs von Hoch zum mittleren Punkt etwa 100 ns beträgt, ergibt der vom Controller 10 angewendete „2-A“-Algorithmus eine Gesamttotzeit von 200 ns. Umgekehrt wäre eine längere Übergangszeit mit geringeren Lasten verbunden. Falls beispielsweise gemessen wird, dass die Zeitperiode A des Übergangs von Hoch zum mittleren Punkt etwa 500 ns beträgt, würde der Controller 10 eine angewandte Gesamttotzeit von 1 ps liefern.
Dementsprechend bietet die vom Controller 10 bereitgestellte adaptive Totzeitsteuerung eine neue Möglichkeit, um den Betrag der Totzeit zu bestimmen, der erforderlich ist, um Halbbrücken- oder Vollbrücken-Schaltvorrichtungen anzusteuern, um den Wirkungsgrad zu verbessern und Verluste zu reduzieren. Da der Übergang am mittleren Punkt zwischen den Hoch- und Niederspannungszuständen eine schnellere Steigungsänderung aufweist, ist es wichtig, dass die Detektion des Zeitpunkts solch eines Übergangs im Vergleich zu einem Detektieren des Punkt 9 mit niedriger Spannung der Schaltknotenspannung genauer erfolgen kann. An sich kann ein präziserer Totzeitwert verwendet werden, um die Schaltvorrichtungen bis zum optimalen Moment ausgeschaltet zu halten. Dies verbessert dadurch den Wirkungsgrad und reduziert Verluste in den Schaltvorrichtungen bei sowohl leichten als auch schweren Lasten.
Dem Obigen entsprechende Controller können in Superjunction-Schaltvorrichtungen besonders nützlich sein, welche eine hohe Variation der parasitären Kapazität zwischen den Ein- und Aus-Bedingungen aufweisen. Ausführungsformen können auch in Stromversorgungsvorrichtungen wie etwa DC-DC-Wandlern zum Ansteuern von Halb- und/oder Vollbrücken innerhalb jener Vorrichtungen integriert sein. Ausführungsformen können ebenfalls in andere Topologien wie etwa resonante oder semiresonante Wandler, die keine Halb- oder Vollbrücken nutzen, wie etwa Gegentaktwandler, die zwei Low-Side-Vorrichtungen nutzen, die abwechselnd schalten, integriert werden.
Ein weiterer erfinderischer Aspekt wird nun mit Verweis auf 9 beschrieben. 9 zeigt insbesondere einen Spannungssensor 106 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform, wobei der Spannungssensor 106 in der in 7 oben beschriebenen Controller-Anordnung genutzt wird. Es versteht sich jedoch, dass der Spannungssensor auch in anderen Anordnungen genutzt werden kann. Beispielsweise kann der Spannungssensor genutzt werden, um ein Hochspannungs-AC-Signal für eine Rückkopplung in anderen Steuerungs- und Schutzsystemen zu erfassen, oder könnte er mit Komparatoren mit internen Referenzen genutzt werden. Es versteht sich auch gleichermaßen, dass andere Spannungssensoren in der obigen Controller-Anordnung verwendet werden können.
In dieser Ausführungsform fungiert der Spannungssensor 106 als reaktiver Teiler zum Überwachen der Schaltknotenspannung in einer Halb- oder Vollbrückentopologie. Basierend darauf wird ein Niederspannungs-Ausgangssignal in den Controller 10 zur Verwendung beim Festlegen des zwischen den Schaltansteuerungssignalen benötigten Betrags der Totzeit abgegeben. Vorteilhafterweise sorgt die in 9 dargestellte Anordnung für die Detektion einer Übergangsschwelle, die mit dem Maximalspannungswert variiert und in diesem Fall 50 % der maximalen Spannung beträgt (d. h. einer 50%-Schwelle). Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Spannungssensoren wie etwa Widerstandsteilern oder MOS-Vorrichtungen mit integrierten Lösungen, die nur ein gedämpftes Niederspannungs-Sensorsignal bereitstellen.
Der Spannungssensor 106 ist, wie in 9 dargestellt ist, mit der Schaltknotenleitung SN1 6 verbunden und weist passive Komponenten auf, die als reaktive Teilerschaltung parallel mit einer DC-Vorspannungsschaltung angeordnet sind.
Die reaktive Teilerschaltung, die durch die Schaltknotenleitung SN1 6 gespeist wird, umfasst erste und zweite Kondensatoren 12, 13 und speist einen Sensorausgang 17. In dieser Ausführungsform wird die DC-Vorspannungsschaltung durch dieselbe DC-Spannungsversorgung 16 gespeist, die die in 7 gezeigte Topologie versorgt. In anderen Ausführungsformen kann die DC-Vorspannungsschaltung mittels einer anderen Stromversorgung wie etwa einer Niederspannungsversorgung (z. B. 3,3 V) gespeist werden. Die Versorgung 16 wird über eine Widerstandsteileranordnung gespeist, die einen ersten und einen zweiten Widerstand 14, 15 aufweist, wobei ihre relativen Widerstandswerte einen gewünschten, an den Sensorausgang 17 angelegten Offset festlegen, der die Ereignisauslöseschwelle festlegt.
In diesem Zusammenhang beträgt in dieser Ausführungsform die Auslöseschwelle 50 % des Hochspannungssignals, und daher können die ersten und zweiten Widerstände die gleichen Widerstandswerte haben. Der reaktive Teiler wird das Hochspannungs-AC-Signal dämpfen, während die DC-Vorspannung den 50%-Übergang bei der gleichen Schwelle des Controllers festlegt; falls beispielsweise der AC-Übergang 0 - 400 V beträgt, kann der Controller den Übergang bei 1,65 V (Bereich 0 - 3,3 V) detektieren. Der reaktive Teiler könnte beispielsweise genutzt werden, um die AC-Spannung im Bereich 0 - 2 V zu reduzieren, während die Vorspannungsschaltung und der Widerstandsteiler je nach dem Verhältnis die Variation bzw. Schwankung um 1,65 V +/- 1V oder 1,3 V +/- 1 V fixieren. Die durch die DC-Versorgung 16 angelegte Spannung entspricht einer Hilfsstromversorgung, wie etwa 3,3 V, und der Offset kann bei dem vom Controller detektierbaren Schwellenwert, wie etwa der Hälfte der Hilfsstromversorgung (z. B. 1,65 V) oder einem anderen Wert (z. B. 1,3 V), festgelegt werden. Folglich bleibt, während sich die maximale Spannung absolut ändert, die Schwelle bei 50 % von dieser.
Im Einsatz extrahiert die Spannungssensoranordnung den AC-Signalanteil aus dem Hochspannungssignal auf der Schaltknotenleitung SN1 6 und gibt über die Sensorausgangsleitung 17 ein Signal ab, wenn die Spannung unter die Schwelle fällt. Das heißt, wenn das gedämpfte AC-Signal unter die durch die DC-Vorspannungsschaltung angelegte DC-Vorspannung fällt, wird das Ausgangssignal in den Mikroprozessor 101 eingespeist. Dementsprechend reduziert der kapazitive Teiler die Spannungsschwankung am Schaltknoten auf einen Pegel, der für den Controller-Eingang geeignet ist (weniger als 5 V). Die AC-Kopplung des Kondensators 12 ermöglicht, dass die Schwellenspannung des Controller-Eingangs unabhängig von der Schwellenspannung des Schaltknotens eingestellt wird, selbst wenn die eine oder die andere von diesen variiert. Diese wird dann vom Mikroprozessor 101 genutzt, um den zwischen den Schaltansteuerungssignalen benötigten Betrag der Totzeit festzulegen.
Einige Ausführungsformen des Spannungssensors können auch eine Schutzschaltung zum Schützen der Integrität bzw. Unversehrtheit des Signals und eine Filterschaltung zum Filtern der Signale enthalten.
Es versteht sich, dass die oben beschriebene Ausführungsform eine Anwendung nur zu Veranschaulichungszwecken darstellt. In der Praxis können Ausführungsformen für viele verschiedene Konfigurationen verwendet werden, wobei die detaillierten Ausführungsformen für den Fachmann einfach zu implementieren sind.
Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der Controller 10 so konfiguriert sein, dass die angewandte Totzeit innerhalb eines Bereichs mit einer vorbestimmten minimalen und/oder maximalen Totzeit liegt.
Obwohl oben eine Halbbrückentopologie beschrieben wurde, versteht es sich darüber hinaus beispielsweise, dass die Erfindung auch auf andere Topologien angewendet werden kann. Beispielsweise kann in alternativen Ausführungsformen die Topologie einen resonanten Gegentaktwandler, zwei Low-Side-Schalter und einen mittig abgegriffenen Transformator/Induktor aufweisen.

Claims

Schalt-Controller-Schaltung zum Steuern von Schaltvorgängen in einer Topologie, die einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter und einen dazwischen gekoppelten Schaltknoten aufweist, wobei die Controller-Schaltung aufweist: eine Treiberanordnung zum Steuern der ersten und zweiten Schalter, um abwechselnd zu öffnen und zu schließen, wobei eine Totzeitperiode zwischen dem Öffnen eines Schalters und dem Schließen des anderen Schalters im Einsatz angewendet wird; einen Spannungssensor für eine Verbindung mit dem Schaltknoten zum Bereitstellen einer Rückkopplung basierend auf einer erfassten Spannung, wenn sie während der Totzeitperiode zwischen Hoch- und Niederspannungszuständen übergeht; und wobei der Controller so konfiguriert ist, dass er eine Länge der Totzeitperiode basierend auf einer gemessenen ersten Zeitperiode und einem Multiplikatorkoeffizienten festlegt, wobei die erste Zeitperiode von einem Zeitpunkt des Öffnens von einem der Schalter bis zu einem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die erfasste Spannung eine zwischen den Hoch- und Niederspannungszuständen festgelegte Schwelle durchläuft.
Schalt-Controller-Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Schwelle eine Spannung an einem mittleren Punkt zwischen den Hoch- und Niederspannungszuständen ist.
Schalt-Controller-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schwelle eine Spannung ist, die halb so hoch wie die Spannung im Hochspannungszustand ist.
Schalt-Controller-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multiplikatorkoeffizient zwischen 1 und 5 liegt.
Schalt-Controller-Schaltung nach Anspruch 4, wobei der Multiplikatorkoeffizient 2 ist.
Schalt-Controller-Schaltung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Treiberanordnung einen High-Side-Treiber zum Ansteuern des High-Side-Schalters und einen Low-Side-Treiber zum Ansteuern des Low-Side-Schalters aufweist.
Schalt-Controller-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Prozessor zum Steuern der Treiberanordnung und Festlegen der Länge der Totzeitperiode, wobei der Prozessor die erste Zeitperiode von dem Zeitpunkt des Öffnens von einem der Schalter bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die erfasste Spannung die Schwelle durchläuft, basierend auf einer Rückkopplung vom Spannungssensor misst.
Schalt-Controller-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungssensor einen reaktiven Teiler aufweist.
Schalt-Controller-Schaltung nach Anspruch 8, wobei der Spannungssensor ferner eine Vorspannungsschaltung aufweist, wobei die Vorspannungsschaltung eine der detektierten Schwelle des Controllers entsprechende Vorspannung bereitstellt.
Schalt-Controller-Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Vorspannungsschaltung ferner erste und zweite Widerstände in einer Spannungsteileranordnung zum Teilen der Vorspannung aufweist.
Schalt-Controller-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungssensor einen Ausgang aufweist und so konfiguriert ist, dass er ein Rückkopplungssignal am Ausgang erzeugt, wenn die Schaltknotenspannung die Schwelle durchläuft.
Schalt-Controller-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Topologie um eine Halbbrücken-, Vollbrücken- oder Dreiphasentopologie handelt.
Schalt-Controller-Schaltung nach einem der Ansprüche 1-11, wobei die Topologie zwei Low-Side-Schalter oder zwei High-Side-Schalter nutzt.
Verfahren zum Steuern von Schaltvorgängen in einer Topologie, die einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter und einen dazwischen gekoppelten Schaltknoten aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Steuern der ersten und zweiten Schalter, um abwechselnd zu öffnen und zu schließen, unter Verwendung einer Treiberanordnung, wobei die Totzeitperiode zwischen dem Öffnen eines Schalters und dem Schließen des anderen Schalters angewendet wird; Empfangen einer Rückkopplung basierend auf einer erfassten Spannung durch einen mit dem Schaltknoten verbundenen Spannungssensor, wenn sie während der Totzeitperiode zwischen Hoch- und Niederspannungszuständen übergeht; und Festlegen einer Länge der Totzeitperiode basierend auf einer gemessenen ersten Zeitperiode und einem Multiplikatorkoeffizienten, wobei die erste Zeitperiode von einem Zeitpunkt des Öffnens eines der Schalter bis zu einem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die erfasste Spannung eine zwischen den Hoch- und Niederspannungszuständen festgelegte Schwelle durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Schwelle eine Spannung ist, die halb so hoch wie Spannung im Hochspannungszustand ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Multiplikatorkoeffizient 2 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Treiberverzögerungen addiert oder subtrahiert werden, bevor oder nachdem der Multiplikatorkoeffizient angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei es sich bei der Topologie um eine Halbbrücken-, Vollbrücken- oder Dreiphasentopologie handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-17, wobei die Topologie zwei Low-Side-Schalter oder zwei High-Side-Schalter nutzt.
Spannungssensor zum Bereitstellen einer Rückkopplung basierend auf einer erfassten Knotenspannung, die zwischen Hoch- und Niederspannungszuständen variiert, wobei der Spannungssensor aufweist: einen reaktiven Teiler; eine Vorspannungsschaltung zum Bereitstellen einer Vorspannung, die dem Hochspannungszustand entspricht, und mit ersten und zweiten Widerständen in einer Spannungsteileranordnung zum Teilen der Vorspannung, um eine Schwelle festzulegen; und einen Ausgang für ein Rückkopplungssignal, wobei der Spannungssensor so konfiguriert ist, dass er das Rückkopplungssignal am Ausgang erzeugt, wenn die Knotenspannung die Schwelle durchläuft.