DE112015001421T5 - Gleichspannungswandler - Google Patents

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DE112015001421T5 DE112015001421.7T DE112015001421T DE112015001421T5 DE 112015001421 T5 DE112015001421 T5 DE 112015001421T5 DE 112015001421 T DE112015001421 T DE 112015001421T DE 112015001421 T5 DE112015001421 T5 DE 112015001421T5
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

Es ist eine Anzahl von n ersten Reihenschaltungen (CS11 und CS12), die jeweils eine Drossel und ein Schaltelements beinhalten, sowie eine zweite Reihenschaltung (CS2) vorgesehen, bei der eine Anzahl von n Gleichrichterelementen (D1 und D2) in Reihe geschaltet sind, so dass sie dieselbe Gleichrichtungsrichtung aufweisen. Im Fall von n = 2, ist das eine Ende der zweiten Reihenschaltung (CS2) mit einem Knotenpunkt (P11) zwischen einer Drossel (L1) und einem Schaltelement (Q1) in der ersten Reihenschaltung (CS11) verbunden, und das andere Ende der zweiten Reihenschaltung (CS2) ist mit einem Ende eines Glättungskondensators (Cout) und einem Ende einer Last (RL) verbunden. Ein Knotenpunkt (P12) zwischen einer Drossel (L2) und einem Schaltelement (Q2) ist mit einem Knotenpunkt zwischen den Gleichrichterelementen (D1 und D2) über einen Kondensator (C2) verbunden. Das ungeradzahlige Schaltelement (Q1) und das geradzahlige Schaltelement (Q2) in der Verbindungsreihenfolge mit der zweiten Reihenschaltung (CS2) werden komplementär angesteuert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungswandler bzw. DC-DC-Wandler zum Erhöhen einer Gleichstrom-Eingangsspannung und Abgeben einer resultierenden Spannung.
  • Einschlägiger Stand der Technik
  • Eine Ladungspumpen-Boostschaltung, die einen Kondensator und Dioden verwendet, wird üblicherweise als Gleichspannungswandler verwendet, für den eine Stromversorgungs-Eingangsspannung niedrig ist und der eine relativ niedrige Strombelastbarkeit aufweist. Das Patentdokument 1 offenbart eine Stromversorgungsschaltung mit einer Rechteckwellen-Generatorschaltung sowie einer Schaltung zum Ausführen einer Spannungsverdopplungs-Gleichrichtung an einer von der Rechteckwellen-Generatorschaltung abgegebenen Rechteckwelle unter Verwendung eines Kondensators und Dioden.
  • Eine Ladungspumpen-Boostschaltung erzeugt im Prinzip eine Spannung mit einer vorbestimmten Amplitude und glättet die Spannung zum Erzeugen einer Gleichspannung. Die Ladungspumpen-Boostschaltung überlagert der Gleichspannung eine Wechselspannung (normalerweise eine Rechteckwelle, bei der es sich um eine Schalt-Wellenform handelt) und glättet eine resultierende Spannung zum Erzeugen einer Spannung mit einem doppelten Amplitudenwert.
  • Liste des Standes der Technik
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-323046
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Eine Ladungspumpen-Boostschaltung, die einen Kondensator und Dioden verwendet, kann eine Spannung mit einer einfachen Schaltung ”boosten” bzw. erhöhen. Dabei entstehen jedoch folgende Probleme.
    • (1) Da die Spannungserhöhung nur mit einem Kondensator und Dioden ausgeführt wird, ist es unmöglich, einen Lade-/Entladestrom für den Kondensator zu erhöhen sowie auf den Bedarf für einen hohen Laststrom zu reagieren.
    • (2) Da eine Schaltungskonfiguration vorgesehen ist, bei der nach dem Erzeugen einer Gleichspannung durch Glättung der Gleichspannung eine Wechselspannung überlagert wird, sind stets zwei Dioden für die Spannungsverdopplungs-Gleichrichtung erforderlich. Daher kommt es zu großen Verlusten an den Dioden.
    • (3) Da ein hoher Pulsstrom von dem Kondensator in ein Schaltelement fließt, tritt an dem Schaltelement ein hoher Verlust auf. Die Wärmemenge, die in dem Schaltelement erzeugt wird, ist daher hoch, und es ist schwierig, die Leistungsumwandlungseffizienz zu erhöhen. Zum Reduzieren eines Pulsstroms ist es erforderlich, die Kapazität des Kondensators zu reduzieren. In diesem Fall ist es jedoch schwierig, einen hohen Strom abzugeben.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Gleichspannungswandlers mit geringer Wärmeerzeugung und hoher Leistungsumwandlungseffizienz, bei dem ein Laststrom erhöht werden kann und Verluste an Dioden und Schaltelementen gering sind.
  • Lösung des Problems
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler, bei dem eine Anzahl von n ersten Reihenschaltungen, die jeweils eine Induktivität bzw. Drossel und ein Schaltelement beinhalten, zwischen Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen in Parallelschaltung vorgesehen ist, wobei das eine Ende einer zweiten Reihenschaltung, die eine Anzahl von n Gleichrichterelementen beinhaltet, die zur Bereitstellung derselben Gleichrichtungsrichtung in Reihenschaltung vorgesehen sind, mit einem Knotenpunkt zwischen der Drossel und dem Schaltelement in einer der n ersten Reihenschaltungen verbunden ist, wobei ein Knotenpunkt zwischen den Gleichrichterelementen in der zweiten Reihenschaltung und ein Knotenpunkt zwischen der Drossel und dem Schaltelement in den übrigen (n – 1) ersten Reihenschaltungen über einen Kondensator verbunden sind, wobei das andere Ende der zweiten Reihenschaltung mit dem einen Ende eines Glättungskondensators und dem einen Ende einer Last verbunden ist, und wobei eine Schaltsteuerschaltung vorgesehen ist, die zum derartigen Steuern der Anzahl von n Schaltelementen, die mit n Gleichrichterelementen verbunden sind, ausgebildet ist, dass ein ungeradzahliges Schaltelement und ein geradzahliges Schaltelement in einer Verbindungsreihenfolge der Gleichrichterelemente in der zweiten Reihenschaltung komplementär angesteuert werden.
  • Auf diese Weise werden das ungeradzahlige Schaltelement und das geradzahlige Schaltelement der Anzahl von n Schaltelementen in der Anzahl von n ersten Reihenschaltungen komplementär angesteuert. Da ein Kondensator, der eine Drossel und einen Schaltelement verbindet, bei jedem komplementären Ansteuern der Schaltelemente geladen/entladen wird, lässt sich der Lade-/Entladestrom steigern. Dies führt zu einer Steigerung des Lastversorgungsstroms. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, eine Gleichrichterdiode vorzusehen, die zum Erzeugen einer Gleichspannung durch Glättung verwendet wird, so dass das Auftreten eines Verlusts an der Diode eliminiert ist.
  • Bei den Schaltelementen handelt es sich vorzugsweise um Feldeffekttransistoren. In diesem Fall kann ein Leitungsverlust vermindert werden.
  • Die Gleichrichterelemente sind vorzugsweise Feldeffekttransistoren, und die Schaltsteuerschaltung steuert vorzugsweise die Gleichrichterelemente an. In diesem Fall kann ein Leitungsverlust bei den Gleichrichterelementen vermindert werden.
  • Jedes der Gleichrichterelemente in der zweiten Reihenschaltung sowie das Schaltelement, das mit einer vorgeordneten Seite des Gleichrichterelements in einer Verbindungsreihenfolge der Gleichrichterelemente verbunden ist, werden vorzugsweise komplementär angesteuert. Bei dieser Konfiguration ist es möglich, einfache Ansteuersignale zum Ansteuern einer Mehrzahl von Schaltelementen und einer Mehrzahl von Gleichrichterelementen zu verwenden sowie die Konfiguration der Schaltsteuerschaltung zu vereinfachen.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Gesamtmenge des Lade-/Entladestroms für einen zur Spannungserhöhung verwendeten Kondensator gesteigert werden, und es kann ein den Kondensator beinhaltender Gleichspannungswandler für eine Stromversorgung mit einem hohen Lastversorgungsstrom verwendet werden. Außerdem erfolgt bei der vorliegenden Erfindung die Überlagerung einer Wechselspannung nicht an einer durch Glättung erzielten Gleichspannung, sondern an einer Wechselspannung. Eine resultierende Wechselspannung wird dann gleichgerichtet und geglättet. Es ist daher nicht notwendig, eine Gleichrichterdiode zum Erzeugen einer Gleichspannung durch Glättung vorzusehen, und das Auftreten eines Verlusts an der Diode ist eliminiert.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 zeigt ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 101 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt ein Wellenform-Diagramm von Gatesignalen von Schaltelementen Q1 und Q2, die in 1 veranschaulicht sind.
  • 3 zeigt ein Wellenform-Diagramm einer Spannung in jeder in 1 veranschaulichten Komponente.
  • 4 zeigt ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 102 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt ein Wellenform-Diagramm von Gatesignalen von Schaltelementen Q1, Q2 und Q3, die in 4 veranschaulicht sind.
  • 6 zeigt ein Wellenform-Diagramm einer Spannung in jeder in 4 veranschaulichten Komponente.
  • 7 zeigt ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 103 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 8 zeigt ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 104 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 9 zeigt ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 105 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ausführlich beschrieben. In den Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung von gleichen Komponenten oder gleichen Teilen verwendet. Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung, und Konfigurationen gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen können teilweise ausgetauscht oder kombiniert werden.
  • <<Erstes Ausführungsbeispiel>>
  • Die 1(A) und 1(B) zeigen Schaltungsdiagramme eines Gleichspannungswandlers 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Gleichspannungswandler 101 beinhaltet einen Eingangsanschluss T1, der mit einer Gleichstrom-Eingangsstromversorgung E verbunden ist, und einen Ausgangsanschluss T2, der mit einer Last RL verbunden ist. Die 1(A) und 1(B) veranschaulichende Wege, über die ein Strom in den beiden nachfolgend erläuterten Zuständen fließt.
  • Der Gleichspannungswandler 101 beinhaltet einen Kondensator Cin auf einer Eingangsseite und einen Kondensator Cout auf einer Ausgangsseite. Ferner beinhaltet der Gleichspannungswandler 100 erste Reihenschaltungen CS11 und CS12, d. h. zwei erste Reihenschaltungen. Die erste Reihenschaltung CS11 beinhaltet eine Induktivität bzw. Drossel L1 und ein Schaltelement Q1. Die erste Reihenschaltung CS12 beinhaltet eine Drossel L2 und ein Schaltelement Q2. Die ersten Reihenschaltungen CS11 und CS12 sind zwischen Eingangsanschlüssen einer Gleichspannung E in Parallelschaltung vorgesehen.
  • In der ersten Reihenschaltung CS11, bei der es sich um eine der beiden ersten Reihenschaltungen CS11 und CS12 handelt, ist ein Knotenpunkt P11 zwischen der Drossel L1 und dem Schaltelement Q1 mit dem einen Ende einer zweiten Reihenschaltung CS2 verbunden, die zwei Dioden D1 und D2 beinhaltet. Die Dioden D1 und D2 sind in Reihe geschaltet, so dass sie dieselbe Gleichrichtungsrichtung aufweisen.
  • Ein Knotenpunkt P21 zwischen den Dioden D1 und D2 in der zweiten Reihenschaltung CS2 und ein Knotenpunkt P12 zwischen der Drossel L2 und dem Schaltelement Q2 in der ersten Reihenschaltung CS12, bei der es sich um die andere der beiden ersten Reihenschaltungen CS11 und CS12 handelt, sind über einen Kondensator C2 verbunden.
  • Das andere Ende der zweiten Reihenschaltung CS2 ist mit dem einen Ende eines Glättungskondensators Cout sowie dem einen Ende der Last RL verbunden.
  • Der Gleichspannungswandler 101 beinhaltet eine Schaltsteuerschaltung 1. Die Schaltsteuerschaltung 1 steuert die Schaltelemente Q1 und Q2, bei denen es sich um Feldeffekttransistoren handelt, durch Abgeben von Gatesignalen an die Schaltelemente Q1 und Q2 an. Die Schaltsteuerschaltung 1 steuert die beiden Schaltelemente Q1 und Q2 komplementär an, die mit den beiden Dioden D1 und D2 in der Verbindungsreihenfolge der Dioden D1 und D2 in der zweiten Reihenschaltung CS2 verbunden sind, d. h. in der Reihenfolge des ersten Schaltelements Q1 und des zweiten Schaltelements Q2.
  • 2 zeigt ein Wellenform-Diagramm von Gatesignalen der in 1 veranschaulichten Schaltelemente Q1 und Q2. Den Schaltelementen Q1 und Q2 wird ein Zweiphasen-Ansteuersignal zugeführt. In dem vorliegenden Beispiel werden das erste Schaltelement Q1 und das zweite Schaltelement Q2 abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet. In einem ”Zustand 1” ist das erste Schaltelement Q1 ausgeschaltet und das zweite Schaltelement Q2 ist eingeschaltet. In einem ”Zustand 2” ist das zweite Schaltelement Q2 ausgeschaltet und das erste Schaltelement Q1 ist eingeschaltet.
  • 3 zeigt ein Wellenform-Diagramm einer Spannung in jeder der in 1 veranschaulichten Komponenten. Die Bedeutung der jeweiligen Bezeichnungen in 3 ist wie folgt.
    • vd1:
    die Drainspannung des Schaltelements Q1
    vd2:
    die Drainspannung des Schaltelements Q2
    vg1:
    die Gatespannung des Schaltelements Q1
    vg2:
    die Gatespannung des Schaltelements Q2
    VD2:
    die Anodenspannung der Diode D2
    Vout:
    die an die Last abgegebene Spannung
  • Die Arbeitsweisen in den vorstehend genannten Zuständen 1 und 2 sind wie folgt.
  • [Zustand 1] Wenn das Schaltelement Q1 ausgeschaltet ist und das Schaltelement Q2 eingeschaltet ist, fließt ein Erregerstrom i2 durch die Drossel L2, und ein Strom i3 fließt von der Drossel L1 über die Diode D1 und den Kondensator C2 zu dem Schaltelement Q2, wie dies in 1(A) dargestellt ist. Als Ergebnis hiervon wird Erregungsenergie von der Drossel L1 abgegeben, und der Kondensator C2 wird aufgeladen.
  • [Zustand 2] Wenn das Schaltelement Q1 eingeschaltet ist, wird die Diode D1 in Rückwärtsrichtung bzw. Sperrrichtung vorgespannt, und es fließt einen Erregerstrom i1 durch die Drossel L1, wie dies in 1(B) veranschaulicht ist. Da sich das Schaltelement Q2 im AUS-Zustand befindet, fließt ein Strom i4 von der Drossel L2 über den Kondensator C2 und die Diode D2. Zu diesem Zeitpunkt wird, wie in 3 veranschaulicht, eine Spannung abgegeben, die sich ergibt, indem die Ladespannung des Kondensators C2 der Drainspannung Vd2 des Schaltelements Q2 (der Spannung der Drossel L2) überlagert wird.
  • Anschließend werden der ”Zustand 1” und der ”Zustand 2” abwechselnd wiederholt. Durch diesen Vorgang wird eine Boost-Chopper-Schaltung durch die Diode D1 an der ersten Stufe in der Verbindungsreihenfolge der Dioden in der zweiten Reihenschaltung CS2 und die mit der Diode D1 verbundene erste Reihenschaltung CS11 gebildet. Zum Zeitpunkt der Energiefreisetzung von dieser Boost-Chopper-Schaltung wird der Kondensator C2 aufgeladen, der mit der Diode D2 in der nachfolgenden Stufe in der Verbindungsreihenfolge der Dioden in der zweiten Reihenschaltung CS2 verbunden ist. Zum Zeitpunkt der Energiefreisetzung von der Drossel L2 in der mit dem Kondensator C2 verbundenen ersten Reihenschaltung CS12 wird eine Spannung abgegeben, die sich ergibt, indem die Spannung des Kondensators C2 der Spannung der Drossel L2 überlagert wird. Diese Spannung wird durch den Glättungskondensator Cout geglättet und wird dann der Last RL zugeführt. Als Ergebnis hiervon wird eine Spannung abgegeben, bei der es sich um das Doppelte der Spannung handelt, die von einer einzigen Boost-Chopper-Schaltung erzeugt wird. Bei dem in 3 veranschaulichten Beispiel erzeugt eine einzige Boost-Chopper-Schaltung 20 V, und es können 40 V, d. h. das Doppelte der generierten Spannung, an eine Last abgegeben werden.
  • Bei einem Gleichspannungswandler des einschlägigen Standes der Technik, bei dem nach der Erzeugung einer Gleichspannung durch Glättung der Gleichspannung eine Wechselspannung überlagert wird, sind in einem Fall, in dem eine Boost-Chopper-Schaltung eine Spannung direkt erhöht, ein Schaltelement sowie ein Gleichrichterelement erforderlich, die höhere Standhaltespannungen als eine Ausgangsspannung aufweisen. Da jedoch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Wechselspannung eine Wechselspannung überlagert wird und eine resultierende Spannung geglättet wird, um eine Gleichspannung zu erzeugen, wird eine niedrigere Spannung als eine Ausgangsspannung an ein Schaltelement und ein Gleichrichterelement angelegt. Daher ist es möglich, ein Element mit einer niedrigen Standhaltespannung sowie guten charakteristischen Eigenschaften auszuwählen.
  • In einem Fall, in dem eine Ausgangsspannung gesteuert wird, können die relativen Einschaltdauern der Schaltelemente Q1 und Q2 durch Pulsweitenmodulations- bzw. PWM-Steuerung gesteuert werden.
  • <<Zweites Ausführungsbeispiel>>
  • 4 zeigt ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 102 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gleichspannungswandler 102 weist den mit der Gleichstrom-Eingangsstromversorgung E verbundenen Eingangsanschluss T1 sowie den mit der Last RL verbundenen Ausgangsanschluss T2 auf.
  • Der Gleichspannungswandler 102 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet drei erste Reihenschaltungen CS11, CS12 und CS13. Darüber hinaus beinhaltet der Gleichspannungswandler 102 die zweite Reihenschaltung CS2, bei der drei Dioden D1, D2 und D3 in Reihe geschaltet sind.
  • Es ist zwar eine Schaltsteuerschaltung zum Ansteuern von Schaltelementen Q1, Q2 und Q3 in den drei ersten Reihenschaltungen CS11, CS12 und CS13 mit den Schaltelementen Q1, Q2 und Q3 verbunden, jedoch ist die Darstellung derselben in 4 weggelassen. Die Schaltsteuerschaltung nimmt eine komplementäre Ansteuerung der ungeradzahligen Schaltelemente Q1 und Q3 sowie des geradzahligen Schaltelements Q2 in der Verbindungsreihenfolge der Dioden D1, D2 und D3 in der zweiten Reihenschaltung CS2 vor.
  • 5 zeigt ein Wellenform-Diagramm von Gatesignalen der in 4 veranschaulichten Schaltelemente Q1, Q2 und Q3. Bei dem vorliegenden Beispiel werden die Schaltelemente Q1, Q2 und Q2 mit einem Einschaltverhältnis von 50% ein- und ausgeschaltet. In dem ”Zustand 1” befinden sich das erste Schaltelement Q1 und das dritte Schaltelement Q3 im AUS-Zustand, und das zweite Schaltelement Q2 befindet sich im EIN-Zustand. Im ”Zustand 2” befindet sich das zweite Schaltelement Q2 im AUS-Zustand, und das erste Schaltelement Q1 und das dritte Schaltelement Q3 befinden sich im EIN-Zustand.
  • 6 veranschaulicht ein Wellenform-Diagramm einer Spannung in jeder der in 4 dargestellten Komponenten. Die Bedeutung der jeweiligen Bezeichnungen in 4 ist wie folgt.
    • vd1:
    die Drainspannung des Schaltelements Q1
    vd2:
    die Drainspannung des Schaltelements Q2
    vd3:
    die Drainspannung des Schaltelements Q3
    VD2:
    die Anodenspannung der Diode D2
    VD3:
    die Anodenspannung der Diode D3
    Vout:
    die an die Last abgegebene Spannung
  • Die Arbeitsweisen in den vorstehend genannten Zuständen 1 und 2 sind wie folgt. In einem normalen Betriebszustand werden abwechselnd der ”Zustand 1” und der ”Zustand 2” in regelmäßigen Intervallen wiederholt.
  • [Zustand 1] Da sich das Schaltelement Q2 im EIN-befindet und sich die Schaltelemente Q1 und Q3 im AUS-Zustand befinden, fließt der Erregerstrom i2 durch die Drossel L2, wie dies in 4(A) dargestellt ist. Da sich das Schaltelement Q1 im AUS-Zustand befindet, fließt der Strom i3 über die Drossel L1, die Diode D1 und den Kondensator C2. Als Ergebnis hiervon wird der Kondensator C2 aufgeladen. Da sich das Schaltelement Q3 im AUS-Zustand befindet, fließt ein Erregerstrom i5 durch eine Drossel L3. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung, die sich ergibt, indem die Ladespannung eines Kondensators C3 (der Kondensator C3 ist durch den Vorgang des noch zu beschreibenden ”Zustands 2” in einer früheren Periode aufgeladen worden) der Spannung der Drossel L3 überlagert wird, über die Diode D3 abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt ist die Diode D2 in Sperrrichtung vorgespannt und ausgeschaltet.
  • [Zustand 2] Da die Schaltelemente Q1 und Q3 im EIN-Zustand sind und das Schaltelement Q2 im AUS-Zustand ist, fließt der Strom i4 von der Drossel L2 zu dem Kondensator C3 über den Kondensator C2 und die Diode D2, wie dies in 4(B) veranschaulicht ist. Da zu diesem Zeitpunkt das Schaltelement Q3 im EIN-Zustand ist, wird der Kondensator C3 aufgeladen. Als Ergebnis hiervon wird Erregungsenergie von der Drossel L2 freigesetzt, und der Kondensator C3 wird mit der Spannung des Kondensators C2 aufgeladen. Da sich die Schaltelemente Q1 und Q3 im EIN-Zustand befinden, fließen der Erregerstrom i1 der Drossel L1 und der Erregerstrom i3 der Drossel L3.
  • Anschließend werden der ”Zustand 1” und der ”Zustand 2” abwechselnd wiederholt. Durch diesen Vorgang wird zum Zeitpunkt der Energiefreisetzung von der Drossel L1 in der ersten Reihenschaltung CS11 der Kondensator C2 in der ersten Reihenschaltung CS12, die der anschließenden Stufe in der Verbindungsreihenfolge der Dioden in der zweiten Reihenschaltung CS2 entspricht, aufgeladen. Zum Zeitpunkt der Energiefreisetzung von der ersten Reihenschaltung CS12 wird die Spannung des Kondensators C2 der Spannung des Kondensators C3 in der ersten Reihenschaltung CS13 überlagert, die der nachfolgenden Stufe in der Verbindungsreihenfolge der Dioden in der zweiten Reihenschaltung CS2 entspricht, und eine resultierende Spannung wird abgegeben. Die resultierende Spannung wird durch den Kondensator Cout geglättet und wird dann der Last RL zugeführt. Als Ergebnis hiervon kann eine Spannung, die das Dreifache der von einer einzelnen Boost-Chopper-Schaltung erzeugten Spannung entspricht, an eine Last abgegeben werden.
  • Da bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wechselspannung einer Wechselspannung überlagert wird und eine resultierende Spannung geglättet wird, um eine Gleichspannung zu erzeugen, wird eine niedrigere Spannung als eine Ausgangsspannung an ein Schaltelement angelegt. Es ist somit möglich, ein Element mit einer niedrigen Standhaltespannung und guten charakteristischen Eigenschaften auszuwählen.
  • <<Drittes Ausführungsbeispiel>>
  • 7 zeigt ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 103 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gleichspannungswandler 103 beinhaltet den mit der Gleichstrom-Eingangsstromversorgung E verbundenen Eingangsanschluss T1 und den mit der Last RL verbundenen Ausgangsanschluss T2.
  • Der Gleichspannungswandler 103 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anzahl von n ersten Reihenschaltungen CS11, CS12, CS13, CS14, ... CS1n sowie die zweite Reihenschaltung CS2, bei der eine Anzahl von n Dioden D1, D2, D3, D4, .... und Dn in Reihe geschaltet sind.
  • Eine Schaltsteuerschaltung zum Ansteuern von Schaltelementen Q1, Q2, Q3, Q4, ... und Qn in der Anzahl von n ersten Reihenschaltungen CS11, CS12, CS13, CS14, ... CS1n ist mit den Schaltelementen Q1, Q2, Q3, Q4, ... und Qn verbunden. Die Schaltsteuerschaltung nimmt eine komplementäre Ansteuerung der ungeradzahligen Schaltelemente Q1, Q3 usw. sowie der geradzahligen Schaltelemente Q2, Q4 usw. in der Verbindungsreihenfolge der Dioden D1, D2, D3, D4, .... und Dn in der zweiten Reihenschaltung CS2 vor.
  • Wie bei den Gleichspannungswandlern gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel werden auch bei dem Gleichspannungswandler 103 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der ”Zustand 1” und der ”Zustand 2” abwechselnd wiederholt. Durch diesen Vorgang kann eine Spannung, die das n-fache der von einer einzigen Boost-Chopper-Schaltung erzeugten Spannung beträgt, an eine Last abgegeben werden.
  • <<Viertes Ausführungsbeispiel>>
  • Die 8(A) und 8(B) zeigen Schaltungsdiagramme eines Gleichspannungswandlers 104 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gleichspannungswandler 104 kehrt die Polarität einer Spannung um, erhöht die Spannung und gibt eine resultierende Spannung ab. Der Gleichspannungswandler 104 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist eine Schaltungskonfiguration auf, bei der die Anordnungsstellen der Drossel und des Schaltelements bei dem Gleichspannungswandler 101 gemäß dem in den 1(A) und 1(B) veranschaulichten ersten Ausführungsbeispiel vertauscht sind. D. h., jede Chopper-Schaltung hat die Konfiguration eines invertierenden Wandlers.
  • Die Arbeitsweise des Gleichspannungswandlers 104 ist wie folgt.
  • [Zustand 1] Wenn das Schaltelement Q1 ausgeschaltet ist und das Schaltelement Q2 eingeschaltet ist, fließt der Erregerstrom i2 durch die Drossel L2, wie dies in 8(A) dargestellt ist. Der Strom i3 fließt über den Kondensator C2 und die Diode D1 zu der Drossel L1. Als Ergebnis hiervon wird Erregungsenergie von der Drossel L1 freigesetzt, und der Kondensator C2 wird aufgeladen.
  • [Zustand 2] Wenn das Schaltelement Q1 eingeschaltet ist, wird die Diode D1 in Sperrrichtung vorgespannt, und der Erregerstrom fließt durch die Drossel L1, wie dies in 8(B) dargestellt ist. Da sich das Schaltelement Q2 im AUS-Zustand befindet, fließt der Strom i4 über die Diode D2 und den Kondensator C2 zu der Drossel L2. Dabei wird eine negative Spannung, die sich ergibt, indem die Ladespannung des Kondensators C2 der Spannung der Drossel L2 überlagert wird, an dem Ausgangsanschluss T2 abgegeben.
  • <<Fünftes Ausführungsbeispiel>>
  • 9 zeigt ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 105 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Beispiel sind die Dioden D1 und D2 als Gleichrichterelemente vorgesehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind Gleichrichterelemente Q21 und Q22 vorgesehen, bei denen es sich um Feldeffekttransistoren handelt. Die Schaltsteuerschaltung 1 steuert nicht nur die Schaltelemente Q1 und Q2, sondern auch die Gleichrichterelemente Q21 und Q22. Im Spezielleren nimmt die Schaltsteuereinheit 1 eine komplementäre Ansteuerung von Schaltelementen vor, die mit der vorgeordneten Seite der Gleichrichterelemente Q21 und Q22 in der Verbindungsreihenfolge der Gleichrichterelemente Q21 und Q22 verbunden sind. D. h., das Gleichrichterelement Q21 und das Schaltelement Q1, das mit der vorgeordneten Seite des Gleichrichterelements Q21 verbunden ist, werden komplementär angesteuert, und das Gleichrichterelement Q22 und das Schaltelement Q2, das mit der vorgeordneten Seite des Gleichrichterelements Q22 verbunden ist, werden komplementär angesteuert. Somit wird das Gleichrichterelement Q21 eingeschaltet, wenn sich das Schaltelement Q2 im EIN-Zustand befindet, und das Gleichrichterelement Q22 wird eingeschaltet, wenn sich das Schaltelement Q1 im EIN-Zustand befindet.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, Leitungsverluste an den Gleichrichterelementen zu vermindern. Darüber hinaus kann die Schaltsteuereinheit 1 die Schaltelemente Q1 und Q2 sowie die Gleichrichterelemente Q21 und Q22 unter Verwendung von einfachen Ansteuersignalen ansteuern.
  • Bezugszeichenliste
    • CS11, CS12, CS13, CS14, ... und CS1n
    erste Reihenschaltung
    CS2
    zweite Reinschaltung
    C2, C3, C4, ... Cn
    Kondensator
    Cin und Cout
    Kondensator
    D1, D2, D3, D4, ... und Dn
    Diode (Gleichrichterelement)
    E
    Gleichstrom-Eingangsstromversorgung
    i1 bis i4
    Strom
    L1, L2, L3, L4, ... und Ln
    Drossel
    Q1, Q2, Q3, Q4, ... und Qn
    Schaltelement
    Q21 und Q22
    Gleichrichterelement
    RL
    Last
    T1
    Eingangsanschluss
    T2
    Ausgangsanschluss
    Vd1, Vd2 und Vd3
    Drainspannung
    1
    Schaltsteuerschaltung
    101 bis 105
    Gleichspannungswandler

Claims (4)

  1. Gleichspannungswandler, bei dem eine Anzahl von n ersten Reihenschaltungen, die jeweils eine Drossel und ein Schaltelement beinhalten, zwischen Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen in Parallelschaltung vorgesehen ist, wobei das eine Ende einer zweiten Reihenschaltung, die eine Anzahl von n Gleichrichterelementen beinhaltet, die zur Bereitstellung derselben Gleichrichtungsrichtung in Reihenschaltung vorgesehen sind, mit einem Knotenpunkt zwischen der Drossel und dem Schaltelement in einer der n ersten Reihenschaltungen verbunden ist, wobei ein Knotenpunkt zwischen den Gleichrichterelementen in der zweiten Reihenschaltung und ein Knotenpunkt zwischen der Drossel und dem Schaltelement in den übrigen (n – 1) ersten Reihenschaltungen über einen Kondensator verbunden sind, wobei das andere Ende der zweiten Reihenschaltung mit dem einen Ende eines Glättungskondensators und dem einen Ende einer Last verbunden ist, und wobei eine Schaltsteuerschaltung vorgesehen ist, die zum derartigen Steuern der Anzahl von n Schaltelementen, die mit n Gleichrichterelementen verbunden sind, ausgebildet ist, dass ein ungeradzahliges Schaltelement und ein geradzahliges Schaltelement in einer Verbindungsreihenfolge der Gleichrichterelemente in der zweiten Reihenschaltung komplementär angesteuert werden.
  2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Schaltelementen um Feldeffekttransistoren handelt.
  3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei den Gleichrichterelementen um Feldeffekttransistoren handelt und die Schaltsteuerschaltung die Gleichrichterelemente ansteuert.
  4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, wobei jedes der Gleichrichterelemente in der zweiten Reihenschaltung und das Schaltelement, das mit einer vorgeordneten Seite des Gleichrichterelements in einer Verbindungsreihenfolge der Gleichrichterelemente verbunden ist, komplementär angesteuert werden.
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