DE112018003431T5

DE112018003431T5 - Eine einstellbare leistungszufuhrvorrichtung zum zuführen von leistung an eineleistungsschaltersteuervorrichtung

Info

Publication number: DE112018003431T5
Application number: DE112018003431.3T
Authority: DE
Inventors: Frank WARNES
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2020-04-02
Also published as: GB2565297B; GB201712666D0; CN110999053A; US11502593B2; US20200177087A1; GB2565297A; CN110999053B; WO2019030516A1

Abstract

Offenbart wird eine einstellbare Leistungszufuhr, die für einen Leistungsschaltertreiberschaltkreis geeignet ist, die eine Eingangsspannung aufnimmt und Ausgangsspannungen an drei Ausgangsklemmen erzeugt. Zwei der Ausgangsklemmen stellten Gate-Spannungssignale an eine Leistungsschaltersteuervorrichtung bereit, während die dritte mit einer Referenzspannung verbunden ist. Die Ausgangsspannungen können unter Verwendung eines ersten und eines zweiten externen Widerstands eingestellt werden, wodurch die Leistungsanforderungen für eine große Vielzahl an Leistungsschaltervorrichtungen erfüllt werden können.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf einen einstellbaren Leistungszufuhrschaltkreis für Leistungsschalter-Gate-Treiber, und insbesondere auf einen einstellbaren Leistungszufuhrschaltkreis, der mit mehreren Varianten von Leistungsschalter-Gate-Treiberschaltkreisen verwendet werden kann.
Leistungselektronikvorrichtungen, wie Gleichstromwandler und getaktete Leistungsnetzteile, verwenden Hochleistungstransistoren, um eine stabile Ausgangsspannung eines vorgegebenen Wertes aus einer gegebenen Eingangsleistungszufuhr bereitzustellen. Die Transistoren werden ein- und ausgeschaltet, um die Ausgangsspannung zu regulieren. Leistungselektronikvorrichtungen weisen wichtige Anwendungen beim Schalten hoher Ströme in unterbrechungsfreien Leistungsnetzteilen, Motorantrieben, Solarwechselrichtern und Elektrofahrzeugen auf und müssen daher strenge Auflagen und Anforderungen erfüllen, die auf die von ihnen produzierte Ausgangsspannung auferlegt werden. Beispielsweise kann es nicht akzeptabel sein, dass die Ausgangsspannung von einem Nennwert um mehr als eine vorgegebene Toleranz abweicht.
Leistungselektronikvorrichtungen können Potenzialdifferenzen des Gate-Treibers an Leistungsschaltervorrichtungen bereitstellen. Typischerweise benötigen Leistungsschaltervorrichtungen wie Hochleistungstransistoren jeweils eine Potentialdifferenz des Gate-Treibers von 25 Volt (V). Nach dem allgemein anerkannten Industriestandard erfordern Bipolartransistoren mit isoliertem Gate eine Verbindung zu Schienen, die bei +15 V und -10 V gehalten werden; Siliziumkarbid-Transistoren erfordern eine Verbindung zu Schienen, die bei +20 V und -5 V gehalten werden; und Metalloxid-Feldeffekt-Transistoren erfordern eine Verbindung zu Schienen, die bei +15 V und -5 V gehalten werden.
Andere Leistungsschaltervorrichtungen, insbesondere aufstrebende Technologien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (Ga_N), weisen jedoch unterschiedliche Leistungsanforderungen auf. Dies wird ferner dadurch übertrieben, dass die an dem Schalter erforderlichen Spannungen nicht unbedingt die Spannungen sind, die von der Gate-Treiberleistungszufuhr benötigt werden. Dies ist auf Systemunterschiede wie Spannungsabfälle in dem Treiber-IC und die Notwendigkeit, die Induktivität in der Quellen oder Emitter-Verbindung des Schalters zu überwinden, zurückzuführen. Dies führt dazu, dass die Leistungszufuhr eine etwas höhere positive und negative Spannung liefern muss, um diese Spannungsabfälle zu überwinden.
Es besteht daher ein Bedarf an einer einzigen einstellbaren Leistungs- bzw. Stromzufuhr für die Verwendung in leistungselektronischen Anwendungen, die eine Vielzahl von Eingangsspannungen benötigen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche definiert, auf die nun Bezug genommen werden soll. Vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
In einem ersten Aspekt wird eine einstellbare Leistungszufuhrvorrichtung zum Zuführen von Leistung an eine Leistungsschaltersteuervorrichtung, die konfiguriert ist, um Steuersignale an eine Leistungsschaltersteuervorrichtung bereitzustellen, die Folgendes aufweist: ein Paar Eingangsklemmen bzw. Eingangsanschlüsse; eine Umschalt-Schaltung, die mit den Eingangsklemmen verbunden ist; eine Wandlerschaltung, wobei die Wandlerschaltung ein Paar Zwischenklemmen bzw. Zwischenanschlüsse und drei Ausgangsklemmen bzw. Ausgangsanschlüsse zum Ausgeben von Leistung an die Leistungsschaltersteuervorrichtung aufweist; einen Transformator mit einer Windung der Primärseite, die mit den Eingangsklemmen gekoppelt ist, und mit einer Windung der Sekundärseite, die mit den Zwischenklemmen gekoppelt ist, wobei eine zwischen den Zwischenklemmen erzeugte Potentialdifferenz durch einen Teilschaltkreis in eine erste Ausgangsspannungsdifferenz, die über die erste und die zweite Ausgangsklemme angelegt wird, und in eine zweite Ausgangsspannungsdifferenz geteilt wird, die über die zweite und die dritte Ausgangsklemme angelegt wird;
wobei die Wandlerschaltung einen ersten Einstellschaltkreis zum Einstellen der ersten Ausgangsspannungsdifferenz und der zweiten Ausgangsspannungsdifferenz enthält, wobei der erste Einstellschaltkreis wenigstens eine externe Klemme bzw. Anschluss zum Koppeln an ein erstes Widerstandselement aufweist; und die Umschalt-Schaltung einen zweiten Einstellschaltkreis zum Einstellen der zwischen den Zwischenanschlüssen erzeugten Potentialdifferenz enthält, wobei der zweite Einstellschaltkreis wenigstens eine externe Klemme zum Koppeln an ein zweites Widerstandselement aufweist; die zweite Ausgangsklemme wird auf einer Referenzspannung gehalten; und die erste Ausgangsklemme eine erste Ausgangsspannungsdifferenz an einen ersten Eingang der Leistungsschaltersteuervorrichtung bereitstellt und die dritte Ausgangsklemme die zweite Ausgangsspannungsdifferenz an einen zweiten Eingang der Leistungsschaltersteuervorrichtung bereitstellt.
Optional kann die Umschalt-Schaltung ferner eine Schaltersteuervorrichtung aufweisen, die mit einem Schalter gekoppelt ist und mit der Windung der Primärseite zum Steuern eines Stroms, der durch die Windung der Primärseite fließt, gekoppelt ist.
Optional kann eine der wenigstens einen externen Klemmen des zweiten Einstellschaltkreises mit der Schaltersteuervorrichtung gekoppelt sein.
Optional kann eine der wenigstens einen externen Klemmen des zweiten Einstellschaltkreises mit einem Spannungsrückkopplungsanschluss der Schaltersteuervorrichtung gekoppelt sein.
Optional kann der Spannungsrückkopplungsanschluss der Schaltersteuervorrichtung mit einer Rückkopplungswindung der Primärseite gekoppelt sein.
Optional kann der zweite Einstellschaltkreis einen Umschalt-Schaltung-Spannungsteiler mit wenigstens einem ersten Widerstand, der zwischen dem Spannungsrückkopplungsanschluss und der Rückkopplungswindung der Primärseite verbunden ist, und mit einem zweiten Widerstand enthalten, der zwischen dem Spannungsrückkopplungsanschluss und der Masse verbunden ist, wobei der Spannungsrückkopplungsanschluss der Schaltersteuervorrichtung mit dem Umschalt-Schaltung-Spannungsteiler verbunden ist.
Optional kann der zweite Einstellschaltkreis ein Paar externer Klemmen zum Koppeln mit einem Paar entsprechender externer Verbindungen aufweisen, die konfiguriert sind, um das erste externe Widerstandselement dazwischen aufzunehmen, und wobei die andere des Paars externer Klemmen mit der Masse gekoppelt ist, wobei das erste externe Widerstandselement, wenn es zwischen dem Paar externer Verbindungen verbunden ist, über die externen Klemmen mit einem Widerstand des Umschalt-Schaltung-Spannungsteilers parallel gekoppelt ist.
Optional kann der zweite Einstellschaltkreis die Potentialdifferenz, die zwischen den Zwischenklemmen erzeugt wird, durch ein Einstellen des Betriebszyklus der Schaltersteuervorrichtung einstellen.
Optional kann der Teilschaltkreis ein weiteres resistives Element enthalten.
Optional kann eine der wenigstens einen externen Klemmen des ersten Einstellschaltkreises über eine der Zwischenklemmen mit einer Niedrigspannungsseite der zweiten Windung gekoppelt sein.
Optional kann der erste Einstellschaltkreis einen Wandlerschaltung-Spannungsteilers mit wenigstens einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand enthalten, die zwischen den Zwischenklemmen parallelgeschaltet sind.
Optional kann der erste Einstellschaltkreis ein Paar externer Klemmen zum Koppeln mit einem Paar externer Verbindungen aufweisen, die konfiguriert sind, um das dazwischen montierte zweite externe Widerstandselement aufzunehmen.
Optional kann die andere des Paars externer Klemmen mit einem Teilerschaltkreis und über die andere Zwischenklemme und den Wandlerschaltung-Spannungsteiler mit der Hochspannungsseite der zweiten Windung derart gekoppelt sein, dass das erste externe Widerstandselement mit dem weiteren Widerstandselement in dem Teilschaltkreis gekoppelt ist.
Optional kann das weitere resisitive Element ein Transistor sein.
Optional kann die andere des Paars externer Klemmen mit der Basis/dem Steueranschluss bzw. Gate des Transistors gekoppelt sein.
Optional kann der Transistor zwischen den Zwischenklemmen derart parallelgeschaltet sein, dass die Quellen-/Emitter-Klemme des Transistors mit der Hochspannungsseite der sekundären Windung gekoppelt ist.
Optional kann das weitere Widerstandselement einen einstellbaren Spannungsabfall aufweisen.
Optional kann ein Knoten des ersten Einstellschaltkreises mit dem weiteren Widerstandselement derart verbunden sein, dass eine Veränderung der Spannung an dem Knoten die Spannung, die über dem weiteren Widerstandselement abgefallen ist, einstellt.
Optional kann der erste Einstellschaltkreises die erste Ausgangsspannungsdifferenz und die zweite Ausgangsspannungsdifferenz durch ein Einstellen der Spannung, die über dem weiteren Widerstandselement abgefallen ist, einstellen.
Ein zweiter Aspekt betrifft eine Vorrichtung, die aufweist: eine Leiste, auf der die Umschalt-Schaltung, die Wandlerschaltung und der Transformator montiert sind; wobei das Paar Eingabeklemmen und die wenigstens eine externe Klemme des ersten und des zweiten Einstellschaltkreises Verbindungen auf der externen Oberfläche der Leiste zum Verbinden mit einer Platine eines Drittanbieters sind.
Optional kann die Referenzspannung die Quellenspannung der Leistungsschaltervorrichtung sein.
Optional kann die Referenzspannung null Volt sein.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden nun in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, hierbei zeigen:

1 einen bekannten Gleichstromwandler, der feste Spannungen an einen Gate-Treiber bereitstellt;
2 ein vereinfachtes Schaubild einer Pulsweitenmodulationssteuervorrichtung zum Zuführen von Gate-Steuersignalen an einen Transistor;
3 eine einstellbare Leistungszufuhr zum Bereitstellen von einstellbaren Spannungen an einen Gate-Treiber; und
4 eine alternative Ausführungsform einer einstellbaren Leistungszufuhr zum Bereitstellen von einstellbaren Spannungen an einen Gate-Treiber.
5 eine Leistungszufuhreinheit, einschließlich einer Leiste, eines planaren Transformators und einer Leiterplatte, die in Position montiert ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Zur Veranschaulichung ist in den beigefügten Figuren ein Sperrwandler dargestellt, jedoch wären ebenso andere Gleichstromwandler-Konfigurationen, wie ein Durchflusswandler, akzeptabel.
1 zeigt einen Gleichstromwandler 100 in einer Sperrwandler-Konfiguration. Der Wandler akzeptiert eine Eingangsspannung Vin relativ zu einer Massespannung und ist konfiguriert, um drei feste Spannungen, beispielsweise +20 V, 0 V und -5 V, an den Ausgangsklemmen 131, 132 und 133 bereitzustellen.
Der in 1 gezeigte Gleichstromwandler 100 weist einen Transformator TX1, eine primärseitige Schaltung, die mit einem Paar Eingangsklemmen einschließlich einer Eingangsspannungsklemme (Vin) und einer Masse-Eingangsklemme verbunden ist, und eine sekundärseitige Schaltung auf, die mit drei Ausgangsklemmen 131, 132 und 133 verbunden ist. Die in 1 gezeigte primärseitige Schaltung enthält eine Umschalt-Schaltung 101 zum periodischen Steuern, ob sich ein Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) Q5 in einem leitenden oder nicht-leitenden Zustand befindet. Die sekundärseitige Schaltung enthält eine Wandlerschaltung 102 und stellt sicher, dass die über die Zwischenklemmen 121 und 122 zugeführte Potenzialdifferenz korrekt auf die Ausgangsklemmen 131, 132 und 133 verteilt wird.
Der Transformator TX1 enthält die Transformator-Primärwicklungen P1 und P2 und eine Transformator-Sekundärwicklung S1, die um einen Transformatorkern gewickelt sind. In einer Ausführung besteht der Transformatorkern aus Ferrit, jedoch ist es in alternativen Anordnungen möglich, andere Materialien für den Kern zu verwenden, oder der Kern kann fehlen, in welchem Fall die Wicklungen luftkernig sind.
Die Eingangsspannungsklemme Vin ist mit der Hochspannungsseite der Primärwicklung P1 verbunden und der Drain eines Metalloxid-Feldeffekttransistors (MOSFET) Q5, der sich in der Umschalt-Schaltung 101 befindet, ist mit der Niederspannungsseite der Primärwicklung P1 verbunden. Die Rückkopplungsprimärwicklung P2 ist mit der Rückkopplungsschaltung 103 verbunden, die sich auf der Primärseite des Transformators TX1 befindet, und die Sekundärwicklung S1 ist mit der Wandlerschaltung 102 verbunden. Ein Kondensator C6 ist zwischen die Eingangsklemmen Vin und der Masse verbunden und dient als kurzer Bypass-Pfad zum Bereitstellen hoher Spitzenströme für den Transistor Q5.
Der Transistor Q5 weist einen Drain, eine Quelle und ein Gate auf. Wie vorstehend angegeben, ist der Drain des Transistors Q5 mit der Niederspannungsseite der Primärwicklung P1 des Transformators verbunden. Die Quelle des Transistors Q5 ist über einen Transistorquellenwiderstand R1 mit der Masse verbunden. Das Gate des Transistors Q5 ist mit einer Pulsbreitenmodulationsschaltersteuervorrichtung (Pulse Width Modulation - PWM) U3 derart verbunden, dass Q5 Gate-Steuersignale von der Schaltersteuervorrichtung U3 empfängt.
Die Rückkopplungsprimärwicklung P2 ist mit der Rückkopplungsschaltung 103 verbunden, die sich innerhalb der Umschalt-Schaltung 101 befindet und eine Diode D1, einen Kondensator C1 und eine Spannungsteilerschaltung R2, R3 enthält. Die Primärwicklung P2 ist mit der Rückkopplungsschaltung 103 an den Knoten 111 und 112 verbunden. Ein weiterer Knoten 113 befindet sich in der Mitte der Spannungsteilerschaltung R2, R3 und ist mit der PWM-Schaltersteuervorrichtung U3 derart verbunden, dass die Spannung an dem Knoten 113 an eine Eingangsleiste der PWM-Schaltersteuervorrichtung U3 bereitgestellt wird.
Der Kondensator C1 ist zwischen den Knoten 111 und 112 verbunden und wirkt als Glättungskondensator, wie weiter unten beschrieben. Der Knoten 112 ist mit der Masse verbunden und die Diode D1 ist zwischen dem Knoten 111 und der Niederspannungsseite der Rückkopplungsprimärwicklung P2 derart verbunden, dass die Diode D1 beim Einschalten des Transistors Q5 in einer Sperrrichtung vorgespannt ist. Die Spannungsteiler-Widerstände R2 und R3 sind zwischen dem Knoten 111 und der Masse an dem Knoten 114 in Reihe geschaltet. Der Knoten 113 des Rückkopplungsspannungsteilers ist an der Vfb-Leiste (Voltage Feedback - Vfb, Spannungsrückkopplung) mit der PWM-Schaltersteuervorrichtung U3 verbunden.
Die in 1 dargestellte PWM-Schaltersteuervorrichtung U3 enthält 8 Anschlussstifte: einen positiven Spannungsanschlussstift Vp; einen Massespannungsanschlussstift Gnd; einen Rückkopplungsspannungsanschlussstift Vfb; einen Referenzspannungsanschlussstift Ref; einen Vergleichsspannungsanschlussstift Comp; einen Stromerfassungsspannungsanschlussstift Sense; einen Oszillatoreingangsanschlussstift Osz; und einen Ausgangsspannungsanschlussstift Vaus. Die in 1 gezeigte Schaltersteuervorrichtung U3 kann als Teil eines integrierten Schaltkreises (IC) bereitgestellt werden, der innerhalb der in 1 gezeigten Schaltung eingeschlossen ist.
Obwohl in 1 nicht dargestellt, kann der PWM-Schaltersteuervorrichtung U3 über die Eingangsanschlussstifte Vp und Gnd eine Zufuhrspannung bereitgestellt werden. Der Gnd-Eingangsanschlussstift ist über den Knoten 115 mit der Masse verbunden. Eine Spannung an dem Knoten 113 in der Rückkopplungsschaltung 103 wird an den Vfb-Anschlussstift bereitgestellt. Gate-Steuersignale, die durch U3 produziert werden, werden an den Transistor Q5 über den Vaus-Anschlussstift bereitgestellt. Obwohl die Ref-, Osz-, Comp- und Sense-Anschlussstifte in 1 als nicht angeschlossen dargestellt sind, ist darauf hinzuweisen, dass in einigen Ausführungsformen andere Komponenten und Signale an diese Anschlussstifte bereitgestellt werden können.
Auf der Sekundärseite des Transformators TX1 enthält die sekundärseitige Schaltung 102: eine Diode D2 und einen Kondensator C2; die Zwischenklemmen 121 und 122; einen kapazitiven Spannungsteiler C3, C4; einen Widerstand und Zenerdioden-Spannungsteiler R4, D3; und die Ausgangsklemmen 131, 132 und 133.
Die Diode D2 ist zwischen der Zwischenklemme 121 und der Niederspannungsseite der Transformator-Sekundärwicklung S2 derart verbunden, dass D2 in einer Sperrrichtung vorgespannt ist, wenn sich Q5 in einem leitenden Modus befindet. Der Kondensator C2 ist zwischen den Zwischenklemmen 121 und 122 bereitgestellt, um die an die Zwischenklemmen 121 und 122 angelegte Spannung zu glätten. Demnach werden D2 und C2 als ein Einweggleichrichterschaltkreis mit einem Glättungskondensator zum Bereitstellen einer Gleichspannung über die Zwischenklemmen 121 und 122.
Der kapazitive Spannungsteiler enthält die Kondensatoren C3 und C4, die über die Zwischenklemmen 121 und 122 in Reihe geschaltet sind. Wie in 1 dargestellt, ist der Kondensator C3 über den Knoten 123 mit der Klemme 121 und über den Knoten 124 mit dem Kondensator C4 verbunden. Auf ähnliche Weise ist der Kondensator C4 über den Knoten 125 mit der Klemme 122 und über den Knoten 124 mit dem Kondensator C3 verbunden.
Der in 1 dargestellte sekundärseitige Spannungsteiler enthält den Widerstand R4 und die Zenerdiode D3, die über die Zwischenklemmen 121 und 122 über die Knoten 126 und 128 in Reihe geschaltet sind. Wie in 1 dargestellt, ist der Widerstand R4 über die Knoten 126 und 123 mit der Klemme 121 und über den Knoten 127 mit der Zenerdiode D3 verbunden. Auf ähnliche Weise ist die Zenerdiode D3 über die Knoten 128 und 125 mit der Klemme 122 und über den Knoten 127 mit dem Widerstand R4 verbunden.
Der Widerstand und der Zenerdioden-Spannungsteiler und der kapazitive Spannungsteiler sind zwischen den Knoten 124 und 127 verbunden, was dazu führt, dass diese Knoten auf dem gleichen Potential fest sind.
Die Ausgangsklemme 131 ist über den Knoten 126 mit dem Widerstand und der Zenerdioden-Spannungsteilerschaltung verbunden und über die Knoten 126 und 123 mit dem kapazitiven Spannungsteilerschaltkreis verbunden. Die Ausgangsklemme 132 ist über den Knoten 127 mit dem Widerstand und der Zenerdioden-Spannungsteilerschaltung verbunden und über die Knoten 127 und 124 mit der kapazitiven Spannungsteilerschaltung verbunden. Die Ausgangsklemme 132 ist ebenso über den Knoten 129 mit der Quelle der Leistungsschaltervorrichtung Q1 verbunden und wird auf einer Referenzspannung, V_Quelle, gehalten. In einigen Ausführungsformen wird die Ausgangsklemme 132 auf 0 V derart gehalten, dass die Ausgangsklemme 132 als eine Gate-Treiber 0 V-Referenz dient. Die Ausgangsklemme 133 ist über den Knoten 128 mit dem Widerstand und der Zenerdioden-Spannungsteilerschaltung verbunden und über die Knoten 128 und 125 mit der kapazitiven Spannungsteilerschaltung verbunden.
Die an den Ausgangsklemmen 131, 132 und 133 produzierten Spannungen können über eine Leistungsschaltervorrichtung, beispielsweise den integrierten Gate-Treiber-Schaltkreis (IC) U1, einer Leistungsschaltervorrichtung wie dem Transistor Q1 bereitgestellt werden.
In 1 enthält der Gate-Treiber-IC U1: einen festen Zufuhrspannungs-Eingangsanschlussstift (VCC); einen Masse-Eingangsanschlussstift (COM); einen Steuereingangsanschlussstift (IN) zum Empfangen eines Taktsignals von dem Taktsignalgenerator U2; einen absoluten Zufuhrspannungs-Eingangsanschlussstift (VB), der mit der Ausgangsklemme 131 zum Empfangen einer ersten, hohen, festen Spannung verbunden ist; einen Versatz-Zufuhrspannungs-Eingangsanschlussstift (VS), der mit der Ausgangsklemme 133 zum Empfangen einer zweiten, niedrigen, festen Spannung verbunden ist; und einen Ausgangsspannungsanschlussstift (HO) zum Senden von Gate-Treibersignalen an Q1. Die IN-, VS- und VB-Anschlussstifte können mit einer Logikschaltung verbunden werden, um dem Ausgangsanschlussstift HO Gate-Treibersignale bereitzustellen.
Ein Gate-Treiber IC U1 wird durch die von den Klemmen 131 und 133 bereitgestellte Potenzialdifferenz gespeist. Die Gate-Treiberwellenform, die dem Gate der Leistungsschaltervorrichtung Q1 bereitgestellt wird, variiert zwischen einer ersten und einer zweiten festen Spannung, die von den Klemmen 131 und 133 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann dem Gate der Leistungsschaltervorrichtung Q1 ein zwischen +20 V und -5 V wechselndes Signal bereitgestellt werden. Das Signal wechselt zwischen der ersten und der zweiten festen Spannung als Reaktion auf ein durch U2 produziertes Taktsignal.
Der Gate-Treiber-IC U1 wird mit einem ersten und einer zweiten Spannungssignal von der Leistungszufuhr versehen. Das erste feste Spannungssignal kann dem VB-Anschlussstift von der Klemme 131 bereitgestellt werden, die in einer bestimmten Ausführungsform auf einem Spannungsniveau von +20 V gehalten werden kann, und das zweite feste Spannungssignal kann dem VS-Anschlussstift von der Klemme 133 bereitgestellt werden, die in einer bestimmten Ausführungsform auf einem Spannungsniveau von -5 V gehalten werden kann.
Die in 1 gezeigte Gate-Treiber-IC U1 kann als Teil eines integrierten Schaltkreises (IC) bereitgestellt werden, der innerhalb der in 1 gezeigten Schaltung eingeschlossen ist. Zusätzlich wird von Fachmännern erkannt, dass die Leistungsschaltervorrichtung Q1 in anderen Konfigurationen als jenen, die in 1 gezeigt werden, enthalten sein kann. Beispielsweise kann die Leistungsschaltervorrichtung Q1 direkt mit Masse verbunden sein, mit einer Last in Reihe geschaltet sein oder mit einem anderen Transistor in einer Halbbrückenkonfiguration in Reihe geschaltet sein.
Wie von dem Fachmann erkannt wird, bewirkt die Eingangsspannung Vin, die über die Primärwicklungen des Transformators TX1 angelegt wird, wenn sich der Transistor Q5 in einem leitenden Zustand befindet, dass Strom in den Wicklungen fließt und Energie dadurch in dem durch den Transformator TX1 produzierten magnetischen Feld gespeichert wird. Ein Schalten von Q5 in einen nicht leitenden Zustand induziert eine Spannung über die Rückkopplungs- und sekundären Transformatorwicklungen. Die Energie, die in dem magnetischen Feld gespeichert wird, wird in elektrische Energie umgewandelt, die dazu verwendet werden kann, um beispielsweise Transistoren in getakteten Leistungsnetzteilen oder Leistungsschaltervorrichtungen zu versorgen.
Wenn der Transistor Q5 eingeschaltet ist, treibt eine angelegte Spannung Vin einen Strom durch die primären Transformatorwicklungen P1, wodurch der Wicklung Energie zugeführt wird. Wenn der Primärwicklung P1 Energie zugeführt wird, induziert der zunehmende magnetische Fluss, der durch den Kern des Transformators TX1 fließt, eine Spannung über der Rückkopplungsprimärwicklung P2 und der Sekundärwicklung S1. Bei einem idealen Transformator ist die in den Sekundär- und Rückkopplungswicklungen induzierte Spannung proportional zu der Anzahl der Windungen auf den Sekundär- und Rückkopplungswicklungen und dem sich ändernden magnetischen Fluss durch die Wicklungen. Die Polarität der Transformatorwicklungen ist derart gewählt, dass, wenn der Primärwicklung P1 Energie zugeführt wird, die Dioden D1 und D2 in einer Sperrrichtung derart vorgespannt sind, dass kein Strom durch die Rückkopplungswicklung P2 und die Sekundärwicklung S1 fließt. Die Energie wird daher in dem magnetischen Feld innerhalb des Transformators gespeichert, bis Q5 ausgeschaltet wird.
Wenn der Umschalt-Schaltung 101 die Primärwicklungen durch ein Ausschalten des Schalters Q5 von der Eingangsspannung trennt, wird der Primärwicklung P1 keine Energie mehr zugeführt und das magnetische Feld innerhalb des Transformators bricht zusammen, was zu einem raschen Abfall des magnetischen Flusses führt. Dieser rasche Abfall des magnetischen Flusses induziert eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität in den Sekundär- und Rückkopplungswicklungen. Daher werden die Dioden D1 und D2 bei dem Ausschalten von Q5 in einer Vorwärtsrichtung vorgespannt, was zu einem Stromfluss durch die Wicklungen P2 und S1 führt. Die in dem magnetischen Feld gespeicherte Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und an die Zwischenklemmen 121 und 122 auf der Ausgangsseite und an den Vfb-Anschlussstift auf der Eingangsseite geliefert.
Die Rückkopplungsschaltung 103 ermöglicht es der PWM-Schaltersteuervorrichtung U3, zu entscheiden, ob das Tastverhältnis der Gate-Treiber-Pulse erhöht oder verringert werden soll. Dadurch wird eine konstante Ausgangsspannung über die Zwischenklemmen 121 und 122 aufrechterhalten.
Wie bereits beschrieben, wird die Diode D1 in der Rückkopplungswicklung in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn Q5 aufgrund eines abnehmenden magnetischen Flusses abgeschaltet wird. Die in dem Transformator gespeicherte Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und durch den Rückkopplungsschaltkreis übertragen. Glättungskondensator C1 stellt sicher, dass der Strom und die Spannung durch die Rückkopplungsschaltung auf einem konstanten Niveau anstelle eines Pulses geliefert werden. Demnach werden D1 und C1 als ein Einweggleichrichterschaltkreis mit einem Glättungskondensator zum Bereitstellen einer Gleichspannung an den Knoten 111 betrieben. Die Widerstände R2 und R3 dienen als ein Spannungsteiler, um ein geeignetes Spannungsniveau zum Schalten des Transistor-Vfb-Anschlussstift über den Knoten 113 bereitzustellen.
Da die Rückkopplungs- und Sekundärspulen eine feste Differenz zwischen den Windungsverhältnissen aufweisen, ist die an dem Kondensator C1 induzierte Spannung direkt proportional zu der Spannung, die an dem Kondensator C2 und ebenso an den Zwischenklemmen 121 und 122 induziert wird. Die Verwendung des Kondensators C1 und des Spannungsteilers R2, R3 bietet daher eine Rückkopplung, die proportional zu dem Ausgang auf der Sekundärseite des Transformators ist, ohne dass ein separater isolierter Rückkopplungspfad erforderlich ist.
Die Einstellung des Spannungsniveaus an dem Knoten 113 ändert das Tastverhältnis der PWM-Schaltersteuervorrichtung-IC U3, wie nachstehend mit Bezug auf 2 beschrieben wird. Die Komponenten, die ebenso in 1 erscheinen, wurden mit den gleichen Ziffern versehen.
2 zeigt eine PWM-Schaltersteuervorrichtung U3 zum Bereitstellen von Gate-Steuersignalen für das Gate des Transistors Q5. In dem in 2 gezeigten Beispiel besteht U3 aus einem Fehlerverstärker 141, einem Komparator 142, einer Set-Reset(SR)-Sperre 143 und einem Pulsoszillator 144.
Der Knoten 113 der Rückkopplungsschaltung 103 ist über den Vfb-Anschlussstift (nicht dargestellt) mit dem negativen Eingang des Fehlerverstärkers 141 derart verbunden, dass die Spannung an dem Knoten 113 dem Fehlerverstärker 141 als eine Rückkopplungsspannung bereitgestellt wird. Der positive Eingang des Fehlerverstärkers 141 ist mit einer Referenzspannung VRef verbunden und die Differenz zwischen Vfb und VRef wird als ein Fehlersignal V_Fehler ausgegeben.
Der Ausgang des Fehlerverstärkers 141 ist mit dem negativen Eingang des Komparators 142 verbunden und der positive Eingang des Komparators 142 ist mit dem Knoten 116 verbunden, der sich zwischen der Quelle von Q5 und dem Widerstand R1 derart befindet, dass der Knoten 116 eine Spannung V_Sense an den Komparator 142 zuführt.
Der Ausgang des Komparators 142 wird dem Reset-Eingang R der SR-Sperre 143 zugeführt. Der eingestellte Eingang S der SR-Sperre 143 ist mit dem Pulsoszillator 144 verbunden, der ein Signal mit einer eingestellten Frequenz bereitstellt. Der Q-Ausgang der SR-Sperre 143 ist über den Ausgangsanschlussstift Vaus (nicht gezeigt) mit dem Gate des Transistors Q5 verbunden.
Der Wert von V_Sense hängt von dem durch Q5 fließenden Strom ab. Aufgrund von induktiven Effekten in der Primärwicklung P1 des Transformators steigt beim Einschalten von Q5 der in der Primärwicklung fließende Strom und damit auch der durch Q5 fließende Strom linear an. Dementsprechend wird eine linear ansteigende Spannung, Vsense, über R1 hergestellt. Wenn V_Sense V_Fehler entspricht, ist der Ausgang des Komparators 142 hoch (1). Dies setzt die RS-Sperre zurück und beendet den Gate-Treiberpuls. Der Q-Ausgang der RS-Sperre produziert das nächste Gate-Treibersignal, wenn der interne Oszillator ein hohes Signal (1) bereitstellt, um den Eingang S der RS-Sperre einzustellen.
Wenn das Schaltertastverhältnis und die Schaltkreiskapazitäten richtig eingestellt sind, wird eine vorbestimmte und im Wesentlichen konstante Spannung zwischen den Zwischenklemmen 121 und 122 bereitgestellt. Unter Rückbezug auf 1 werden die Zwischenklemmen 121 und 122 der Wandlerschaltung durch die in dem Kapazitor C2 gespeicherte Ladung oder durch die entgegengesetzte Ladung, die in der Sekundärwicklung eingestellt ist, abwechselnd auf einem Potential gehalten, während der Umschalt-Schaltung 101 Energie zugeführt wird und den Wicklungen des Transformators TX1 keine Energie zugeführt wird. Der Kapazitator C2 dient dazu, die Variationen in der über die Zwischenklemmen 121 und 122 angelegte Spannung zu verringern, die aus dieser wechselnden Beanspruchung entsteht, wodurch eine Ausgangsspannung bereitgestellt wird, die als ein konstanter Gleichstromausgang behandelt werden kann.
Die Positionierung einer in einer Sperrrichtung vorgespannten Zenerdiode D3 zwischen den Knoten 127 und 128 führt zu einem nahezu konstanten Spannungsabfall über der Zenerdiode D3, wenn die an der Sekundärwicklung induzierte Spannung größer als die Sperrdurchschlagsspannung der Zenerdiode ist. Der Widerstand R4 und die Zenerdiode D3 wirken daher als ein Wandlerschaltung-Spannungsteiler. Es ist anzumerken, dass andere resistive Komponenten als ein Spannungsteiler innerhalb der Wandlerschaltung wirken können.
In dem kapazitiven Spannungsteiler sind die Kondensatoren C3 und C4 Hochfrequenzkondensatoren, die zusätzlich hohe Spitzenströme bereitstellen, um die Schaltverluste beim Ein- und Ausschalten der Leistungsschaltervorrichtung Q1 zu minimieren. Da das Gate von Q1 eine zugehörige Kapazität aufweist, kann der durchschnittliche Strom, der in das Gate fließt, sehr niedrig sein. Die zusätzlichen Kondensatoren C3 und C4 weisen demnach die zusätzliche Funktionalität auf, um Spitzenströme während des Schaltens bereitzustellen.
Der Verbindungsknoten 127 des resistiven Spannungsteilers zu dem Knoten 124 des kapazitiven Spannungsteilers stellt sicher, dass die Knoten 124 und 127 auf demselben Potential gehalten werden. Auf ähnliche Weise werden die Knoten 123 und 126 auf einem ersten festen Potential gehalten und die Knoten 125 und 128 werden auf einem zweiten festen Potential gehalten.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform werden die Knoten 124 und 127 auf einer Referenzspannung, beispielsweise auf 0 V gehalten. Da die Diode D2 sicherstellt, dass der Strom in der Wandlerschaltung nur in eine Richtung fließen kann, wird an den Knoten 125 und 128 eine feste negative Spannung produziert und an den Knoten 123 und 126 wird eine feste positive Spannung erzeugt. Die festen Spannungsniveaus, die durch die Spannungsteilerkonfiguration produziert werden, können den von den Klemmen einer Leistungsschaltervorrichtung benötigten Spannungsniveaus zugehörig sein.
In einem bestimmten Beispiel produziert die Sekundärwicklung eine Potentialdifferenz von 25 V und wird die Zenerdiode BZX79-5V1 verwendet, die eine Sperrdurchschlagsspannung von 5,1 V aufweist. Da die Klemme 132 auf 0 V gehalten wird, wird die Klemme 133 auf ungefähr -5 V und die Klemme 131 auf ungefähr +20 V gehalten. Die in diesem bestimmten Beispiel produzierten Spannungen wären für das Antreiben eines Siliziumkarbid-Transistor geeignet.
Bekannte Gleichstromsperrwandler, wie vorstehend beschrieben, lassen sich jedoch nicht ohne weiteres derart einstellen, dass sie Spannungsniveaus bereitstellen, die für eine Vielzahl von Leistungsschaltervorrichtungen mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen geeignet sind.
3 zeigt einen Gleichstromsperrwandler 200 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In 3 hat ein PNP-Transistor Q2 die Zenerdiode D3 aus 3 ersetzt. Ein resistiver Spannungsteiler R5, R6 ist zum Einstellen der an den Ausgangsklemmen 131 und 133 produzierten festen Spannung enthalten. Demnach wirken R5 und R6 als ein erster einstellbarer Schaltkreis, wie nachstehend weiter beschrieben. Erfindungsgemäße Ausführungsformen weisen den Vorteil auf, dass sie eine einstellbare Leistungszufuhr für einen Leistungsschaltergate-Treiber bereitstellen, wie weiter unten beschrieben.
Der erste einstellbare Schaltkreis, der in 3 gezeigt ist, enthält R5 und den externen Widerstand R6, der in Reihe über die Zwischenklemmen 121 und 122 geschaltet sind. Wie in 3 gezeigt, ist der Widerstand R5 über die Knoten 221 und 123 mit der Zwischenklemme 121 verbunden und über die Knoten 222 und 224 mit dem externen Widerstand R6 verbunden. Der externe Widerstand ist mit der Wandlerschaltung über die Knoten 223 und 224 und mit dem Widerstand R5 über den Knoten 222 verbunden.
Die Basisklemme des PNP-Transistors Q2 ist über den Knoten 222, den Widerstand R5 und den Knoten 221 mit der Klemme 121 verbunden und über die Knoten 222 und 224, den externen Widerstand R6 und den Knoten 223 mit der Klemme 122 verbunden. Die Emitter-Klemme des PNP-Transistors Q2 ist ebenso über den Knoten 127, den Widerstand R4 und den Knoten 126 mit der Klemme 121 verbunden. Die Emitter-Klemme ist ebenso mit der Quelle der Leistungsschaltervorrichtung Q1 über den Knoten 132 verbunden. Die Kollektorklemme des PNP-Transistors Q2 ist mit der Klemme 122 über den Knoten 128 verbunden.
In der in 3 gezeigten Schaltkreiskonfiguration wird der Knoten 127 auf einer Referenzspannung gehalten, beispielsweise 0 V, und die Knoten 126 und 128 werden aufgrund des nahezu konstanten Emitter-Kollektor-Spannungsabfalls über dem PNP-Transistor auf einer konstanten Spannung gehalten. In einer Ausführungsform wird der Knoten 128 durch das Herstellen einer Emitterspannung von ungefähr 5 V bei -5 V gehalten.
Die Emitterspannung ist die Summe aus der in der Vorwärtsrichtung vorgespannten Emitter-Basis-Spannung des Transistors, die ungefähr 0,6 V beträgt, und der Spannung an dem Knoten 222. Dementsprechend kann eine Emitterspannung von 5 V durch das Produzieren einer Spannung von ungefähr 4,4 V an dem Knoten 222 in Bezug auf den Knoten 128 eingestellt werden.
Da Knoten 127 auf einer Referenzspannung von 0 V festgesetzt ist, kann der Knoten 128 durch das Einstellen der Spannungsteilerwiderstände R5 und R6 zum Produzieren einer Spannung von ungefähr 4,4 V an dem Knoten 222 in Bezug auf den Knoten 128 auf -5 V gehalten werden. Sobald die Spannung an dem Knoten 222 eingestellt worden ist, bleibt die Emitterspannung und somit die Spannung an dem Knoten 128 auf einem ungefähr konstanten Niveau, wenn die Spannung über C4 ansteigt.
Mit anderen Worten wirken der Widerstand R4 und der Transistor Q2 als ein Teilerschaltkreis zum Teilen einer über den Zwischenklemmen 121 und 122 erzeugte Potentialdifferenz in eine erste Ausgangsspannungsdifferenz, die über die Ausgangsklemmen 131 und 132 angelegt wird, und in eine zweite Ausgangsspannungsdifferenz, die über die Ausgangsklemmen 132 und 133 angelegt wird. Die Menge der durch den Transistor Q2 abgefallenen Spannung hängt von der Spannung an dem Knoten 222 ab, die durch einen ersten Anpassungsschaltkreis, der einen externen Widerstand R6 enthält, eingestellt wird.
Die Spannung an dem Knoten 222 entspricht: $V_{222} = V_{C 2} \frac{R_{6}}{R_{5} + R_{6}}$
wobei V_C2 die Potentialdifferenz über den Kondensator C2 oder mit anderen Worten, die Potentialdifferenz ist, die über den Zwischenklemmen 121 und 122 erzeugt wird.
Dementsprechend könnte in einer bestimmten Ausführung eine geeignete Widerstandskombination für eine 25 V-Zufuhr, die 20 V und -5 V an den Ausgangsklemmen 131 und 133 erzeugt, R6 = 4,3 kΩ und R5 = 20 kΩ sein.
Das Einstellen des Widerstands von R6 beeinflusst das Verhältnis, mit dem die zwischen den Zwischenklemmen 121 und 122 angelegte Spannung zwischen R5 und R6 und damit der Spannung an dem Knotenpunkt 222 geteilt wird. Das Ansteigen des Widerstands von R6 führt zu einer angestiegenen Spannung an dem Knoten 222. Eine größere Spannung an dem Knoten 222 führt zu einer größeren Emitter-Kollektor-Potentialdifferenz und somit einem größeren Emitter-Kollektor-Spannungsabfall. Dies hat zur Folge, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsklemmen 132 und 133 derart eingestellt wird, dass an der Ausgangsklemme 133 eine größere negative Spannung produziert wird. Beispielsweise kann eine Erhöhung des Widerstandswerts von R6 dazu führen, dass die an der Ausgangsklemme 133 produzierte Spannung von -5 V auf -10 V ansteigt.
Da die zwischen den Zwischenklemmen 121 und 122 erzeugte Potentialdifferenz auf die Ausgangsklemmen 131, 132 und 133 geteilt wird, hat das Einstellen der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsklemmen 132 und 133 eine Änderung der zwischen den Ausgangsklemmen 131 und 132 produzierten Spannungsdifferenz zur Folge. Wenn die an der Klemme 133 produzierte Spannung ansteigt, fällt die an der Klemme 131 produzierte Spannung ab. In dem vorstehenden Beispiel produziert ein Spannungsanstieg von -5 V auf -10 V an der Klemme 133 einen Spannungsabfall von +20 V auf +15 V an der Klemme 131.
Die an eine Leistungsschaltervorrichtung bereitgestellte Zufuhrspannung kann durch ein Modifizieren des Tastverhältnisses des Schalters Q5 unter Verwendung eines zweiten Einstellschaltkreises, einschließlich eines externen Widerstands R7 eingestellt werden, wie nachstehend weiter beschrieben wird.
Wie vorstehend in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben, hängt die zwischen den Zwischenklemmen 121 und 122 erzeugte Spannung von dem Tastverhältnis des Schalters Q5 ab, das durch eine Rückkopplungsspannung Vfb an dem Knoten 113 reguliert wird. Wenn beispielsweise Vfb derart verringert wird, dass eine größere Differenz zwischen einer Referenzspannung VRef und Vfb besteht, steigt ebenso das Differenzsignal V_Fehler . Dies führt dazu, dass Vsense linear auf ein höheres Niveau ansteigen kann, bevor die RS-Sperre 143 das Gate-Treibersignal beendet. Daher wird das Tastverhältnis von U3 verlängert, wodurch mehr Energie gespeichert und an die Zwischenklemmen 121 und 122 und somit an die Ausgangsklemmen 131 und 133 übertragen werden kann. Auf eine ähnliche Weise führt das Ansteigen von Vfb dazu, dass das Tastverhältnis von U3 verringert wird. Das Variieren der Spannung an dem Knoten 113 modifiziert ebenso das Tastverhältnis von U3, was zur Folge hat, dass die Ausgangsspannungsdifferenz zwischen den Ausgangsklemmen 131 und 132 und die Ausgangsspannungsdifferenz zwischen den Ausgangsklemmen 132 und 133 eingestellt wird. Demnach kann die Leistungszufuhr eingestellt werden, einer Leistungsschaltervorrichtung eine Vielzahl an Zufuhrspannungen zuzuführen. Beispielsweise kann eine 15 V, 20 V oder eine 25 V Zufuhr an eine Leistungsschaltervorrichtung zugeführt werden.
Die externen Widerstände R6 und R7 werden extern an die Umschalt-Schaltung 101 und die Wandlerschaltung 102 bereitgestellt. R6 und R7 können über externe Verbindungen oder Knoten, die extern zu der Schalt- oder Wandlerschaltung liegen, mit der Leistungszufuhr verbunden sein. Dies weist den Vorteil auf, dass der Widerstand von R6 und R7 einfach eingestellt werden kann, ohne dass auf die Leistungszufuhrschaltung zugegriffen werden muss. Wie in 3 gezeigt, kann der Widerstand R6 mit der Wandlerschaltung über die Knoten 223 und 224 verbunden sein und der Widerstand R7 kann mit der Umschalt-Schaltung über die Knoten 225 und 226 verbunden sein. Die Knoten 223, 224, 225 und 226 können extern zu der einstellbaren Leistungszufuhr bereitgestellt werden. Dies ermöglicht es, dass die Widerstände R6 und R7 eingestellt werden können, ohne dass auf die Leistungszufuhrschaltung zugegriffen werden muss.
Das Einstellen des Widerstands von R7 wirkt sich auf die Rückkopplungsspannung an dem Knoten 113 aus, was wiederum die Größe der Potentialdifferenz einstellt, die über den Zwischenklemmen 121 und 122 erscheint, wobei dadurch erlaubt wird, dass die an den Leistungsschaltergate-Treiber zuzuführende Ausgangsspannung eingestellt wird. R7 bildet einen Teil des resistiven Rückkopplungsspannungsteilers aus, zusammen mit den Rückkopplungsschaltkreiswiderständen R2 und R3. Das Erhöhen des Widerstands von R7 hat ein Erhöhen des Spannungsniveaus an dem Knoten 113 zur Folge. Wie vorstehend beschrieben, wenn die Spannung an dem Knoten 113 derart ansteigt, dass die Differenz zwischen Vfb und einer Referenzspannung VRef verringert wird, das Tastverhältnis der PWM-Schaltersteuervorrichtung U3 eingestellt wird, um die Spannung, die über die Zwischenklemmen 121 und 122 angelegt wird, zu verringern.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass für einige nicht regulierte Leistungszufuhrtopologien mit einem festen Ausgang, wie dem Royer-Schaltkreis, die an die Zwischenklemmen 121 und 122 zugeführte Spannung einfach durch das Variieren der Eingangsspannung eingestellt werden kann.
Somit ermöglicht das Einstellen des Widerstands der externen Widerstände R6 und R7 es dem Wandler, eine einstellbare Ausgangsspannungspotentialdifferenz an eine Last bereitzustellen, und ermöglicht es ebenso dem Wandler, einen großen Bereich an positiven und negativen Spannung an den Ausgangsklemmen 131 und 133 bereitzustellen. Die Erfindung ist daher in der Lage, die Spannungsanforderungen für viele Schaltervarianten vorteilhaft unter Verwendung nur einer einzigen Leistungszufuhr bereitzustellen. Produkte, die die Erfindung verkörpern, weisen daher den kommerziellen Vorteil auf, die Qualifizierungszeit zu verkürzen, die Qualifizierungskosten zu senken und zukünftigen Entwicklungen Rechnung tragen zu können.
4 zeigt einen Gleichstromsperrwandler 300 entsprechend einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zenerdiode D3 aus 1 durch einen integrierten Referenzschaltkreis U4 ersetzt wird. Die vorstehend genannten Vorteile, die der in 3 gezeigten Ausführungsform zugehörig sind, gelten ebenso für die in 4 gezeigte alternative Ausführungsform.
In der Ausführungsform der 4 sind der Kondensator C3, der Kondensator C4, der Widerstand R4 und der integrierte Referenzschaltkreis U4 verbunden, um einen kapazitiven Spannungsteiler und einen resistiven Spannungsteiler auszubilden. Wie zuvor in 4, wird der Knoten 127 auf einer Referenzspannung von 0 V gehalten und ist mit der Quelle der Leistungsschaltervorrichtung Q1 über den Knoten 129 verbunden. Der Kompensationskondensator C5 ist über den Knoten 311 mit dem Kathodenanschlussstift des integrierten Schaltkreises und über den Knoten 312 mit dem VRef-Anschlussstift verbunden. Der Kompensationskondensator ist für das Stabilisieren des integrierten Schaltkreises U4 enthalten.
Die über den Zwischenklemmen 121 und 122 erzeugte Potentialdifferenz wird in eine erste Ausgangsspannungsdifferenz, die über die Ausgangsklemmen 131 und 132 angelegt wird, und in eine zweite Ausgangsspannungsdifferenz, die über die Ausgangsklemmen 132 und 133 angelegt wird, gemäß dem Widerstands bzw. Widerstandswert der Widerstände R4, R6 und R8 geteilt. R8 ist ein interner Widerstand, der mit dem Kathodenanschlussstift des integrierten Schaltkreises über die Knoten 313 und 127 und dem VRef-Anschlussstift des integrierten Schaltkreises über die Knoten 314 und 312 verbunden ist. R6 ist ein externer Widerstand, der über den Knoten 223, die Ausgangsklemme 133 und den Knoten 128 mit dem Anodenanschlussstift des integrierten Schaltkreises verbunden ist und über die Knoten 224, 314 und 312 mit dem VRef-Anschlussstift verbunden ist.
Die Widerstände R4, R8 und R6 bilden einen Einstellschaltkreis aus, wobei die Spannung an dem Knoten 314 auf einer Referenzspannung gehalten wird, die von dem integrierten Schaltkreis an dem VRef-Anschlussstift bereitgestellt wird. In einer bestimmten Ausführungsform kann der integrierte Schaltkreis ein Nebenschlussregulierer sein. Beispielsweise kann der Nebenschlussregulierer TL431 verwendet werden, um die Ausgangsklemme 133 auf -5 V zu halten. Da der Nebenschlussregulierer TL431 einen Spannungsabfall von etwa 2,5 V zwischen den Knoten 313 und 314 aufrechterhält, kann der Wert des externen Widerstands R6 gewählt werden, um die festen Spannungen an den Ausgangsklemmen 131 und 133 zu bestimmen. Wenn beispielsweise der Widerstand von R6 mit dem von R8 übereinstimmt, ist der Spannungsabfall über R6 gleich dem Spannungsabfall über R8. Da der Knoten 314 von U4 auf etwa -2,5 V gehalten wird, wird die Spannung an dem Knoten 223, und damit an dem Knoten 133, auf -5 V gehalten. Die verbleibende Spannung wird über R4 verteilt. Wenn beispielsweise eine Potentialdifferenz von 25 V zwischen den Zwischenklemmen 121 und 122 angelegt wird, wird durch das Halten der Ausgangsklemme 133 auf -5 V sichergestellt, dass die Ausgangsklemme 131 auf +20 V gehalten wird.
Wie vorstehend wirkt sich das Einstellen des externen Widerstandes R6 darauf aus, wie die Potentialdifferenz zwischen den Zwischenklemmen 121 und 122 auf die Ausgangsklemmen 131 und 133 geteilt wird. Der Widerstand R6 kann extern an die Leistungszufuhr angepasst werden, mit den vorstehend in Bezug auf 3 beschriebenen Vorteilen, nämlich dem Bereitstellen von einstellbaren Ausgangsspannungen für die Leistungsschaltervorrichtung Q1.
Wie ebenso vorstehend in Bezug auf 3 beschrieben, wird durch das Einstellen des externen Widerstands R7 das Tastverhältnis der PWM-Schaltersteuervorrichtung U3 derart eingestellt, dass die Potenzialdifferenz zwischen den Zwischenklemmen 121 und 122 eingestellt werden kann. Beispielsweise kann der Leistungszufuhrausgang in einer Ausführungsform in einem Bereich von 20 V bis 30 V liegen.
5 stellt ein Beispiel einer Leistungszufuhreinheit 10 dar, die eine vorstehend beschriebene Leistungszufuhrschaltung enthalten kann. Die Leistungszufuhreinheit 10 weist eine Leiste 20, einen Planartransformator 30 und eine Hauptleiterplatte (printed circuit board - PCB) 40 auf. Wie in 5 zu sehen ist, besteht die Leiste 20 aus mehreren Seitenwänden 21 und elektrischen Verbindern 22, die von der Oberseite der Leiste 20 zu der Unterseite verlaufen und sowohl mechanische als auch elektrische Verbindungen bereitstellen, über die der Planartransformator 30 und die Hauptleiterplatte 40 mit der Leiste 20 und untereinander verbunden sind. Die Hauptleiterplatte 40 kann auf eine PCT- oder Mutterplatine eines Drittanbieters montiert werden (nicht gezeigt).
Der Planartransformator 30 weist ein Substrat 31 und ein umgebenden Magnetkern 32 auf. Der Magnetkern kann beispielsweise aus einem Ferritmaterial hergestellt sein und kann in der Leiste 20 mit Klammern 33 befestigt werden 20. Das Substrat 31 ist in der Regel ein einzelnes Stück harzähnliches Material, das den Magnetkern 32 von einer Eingangs- zu einer Ausgangsseite durchläuft.
Das Substrat 31 enthält die Transformatorwicklungen P1, P2 und S1, die sich in seinem Inneren befinden und von dem Magnetkern 32 umgeben sind. In dem gezeigten Beispiel weist die Anordnung der Transformatorwicklungen eine Wicklungsachse auf, die senkrecht zu der Ober- und Unterseite des Substrats verläuft, um dadurch die Wicklungen des Planartransformators auszubilden. Die Spulenanordnung weist Primärspulenwicklungen P1, P2, die über Leiterbahnen (nicht gezeigt) mit dem Eingang oder den Verbindern 22 der Primärseite der Leiste 20 verbunden sind, und Sekundärspulenwicklungen S1 auf, die über Leiterbahnen (nicht gezeigt) mit dem Ausgang oder den Verbindern 22 der Sekundärseite der Leiste 20 verbunden sind. Die Verbinder 22 können bei plattierten Durchgangslöchern 34 durch das Substrat 31 passieren. Die plattierten Durchgangslöcher 34 und die Verbinder 22 führen durch das Substrat 31 von einer Seite des Substrats 31 zu der anderen.
Die Haupt-PCB 40 enthält eine Umschalt-Schaltung 101 zum Steuern des Transformators und eine Wandlerschaltung 102 zum Wandeln einer erzeugten Potentialdifferenz in drei feste Spannungen. Die vorstehend beschriebenen Komponenten in Bezug auf die Umschalt-Schaltung 101 und die Wandlerschaltung 102 können oberhalb und/oder unterhalb der Haupt-PCB 40 montiert werden.
Die Haupt-PCB 40 enthält ebenso oberflächenmontierbare Füße (nicht gezeigt) für die Verbindung mit den PCB-Länder auf der PCB eines Drittanbieters. In einer Ausführungsform handelt es sich bei den externen Verbindern 223, 224, 225 und 226 um oberflächenmontierbare Füße der Haupt-PCB 40, die mit einem ersten und einem zweiten externen Widerstand verbunden sind, die sich auf der PCB des Drittanbieters befinden.
Die externen Verbinder 223, 224, 225 und 226 und die externen Widerstände R6, R7 sind daher außerhalb der Leiste 20, der Umschalt-Schaltung 101 und der Wandlerschaltung 102. Das Bereitstellen der Verbinder 223, 224, 225 und 226 außerhalb der Leiste 20, der Umschalt-Schaltung 101 und der Wandlerschaltung 102 hat den Vorteil, dass die externen Widerstände R6 und R7 eingestellt werden können, ohne dass auf die auf der Haupt-PCB 40 innerhalb der Leiste 20 montierten Schalt- oder Wandlerschaltung zugegriffen werden muss. Ein Verbraucher kann daher die einem Leistungsschaltergate-Treiber bereitgestellten Spannungen auf eine einfache Weise einstellen, ohne dass auf die in der Leistungszufuhreinheit befindliche Schaltung zugegriffen werden muss.
Die vorstehend beschrieben Ausführungsformen sind nicht auf Leistungszufuhren für IGBT, SIC, MOS und GaN-Leistungsschalter beschränkt und können leicht in anderen Leistungsschaltertechnologien verwendet werden. Zusätzlich kann die vorstehend beschriebene Technik zum Einstellen einer Teilung von Spannung über zwei Ausgänge auf eine beliebige Leistungszufuhrtopologie, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Sperrwandler-, Halbbrücken-, Vollbrücken-, Gegentakt-, Abwärts-, Boost-, SEPIC-, CUK- oder Zeta-Schaltkreiskonfigurationen angewendet werden.
Verschiedene Modifikationen an den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind möglich und sind Fachmännern ersichtlich, ohne von dem Umfang der Erfindung, der durch die folgenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Einstellbare Leistungszufuhrvorrichtung zum Zuführen von Leistung an eine Leistungsschaltersteuervorrichtung, die konfiguriert ist, um Steuersignale an eine Leistungsschaltersteuervorrichtung bereitzustellen, aufweisend: ein Paar Eingangsklemmen; eine Umschalt-Schaltung, die mit den Eingangsklemmen verbunden ist; eine Wandlerschaltung, wobei die Wandlerschaltung ein Paar Zwischenklemmen und drei Ausgangsklemmen zum Ausgeben von Leistung an die Leistungsschaltersteuervorrichtung aufweist; einen Transformator mit einer Wicklung der Primärseite, die mit den Eingangsklemmen gekoppelt ist, und mit einer Wicklung der Sekundärseite, die mit den Zwischenklemmen gekoppelt ist, wobei eine zwischen den Zwischenklemmen erzeugte Potentialdifferenz durch einen Teilschaltkreis in eine erste Ausgangsspannungsdifferenz, die über die erste und die zweite Ausgangsklemme angelegt wird, und in eine zweite Ausgangsspannungsdifferenz geteilt wird, die über die zweite und die dritte Ausgangsklemme angelegt wird; wobei die Wandlerschaltung einen ersten Einstellschaltkreis zum Einstellen der ersten Ausgangsspannungsdifferenz und der zweiten Ausgangsspannungsdifferenz enthält, wobei der erste Einstellschaltkreis wenigstens eine externe Klemme zum Koppeln an ein erstes Widerstandselement aufweist; und die Umschalt-Schaltung einen zweiten Einstellschaltkreis zum Einstellen der zwischen den Zwischenanschlüssen erzeugten Potentialdifferenz enthält, wobei der zweite Einstellschaltkreis wenigstens eine externe Klemme zum Koppeln an ein zweites Widerstandselement aufweist; und wobei: die zweite Ausgangsklemme auf einer Referenzspannung gehalten wird; und die erste Ausgangsklemme eine erste Ausgangsspannungsdifferenz an einen ersten Eingang der Leistungsschaltersteuervorrichtung bereitstellt und die dritte Ausgangsklemme die zweite Ausgangsspannungsdifferenz an einen zweiten Eingang der Leistungsschaltersteuervorrichtung bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umschalt-Schaltung ferner eine Schaltersteuervorrichtung aufweist, die mit einem Schalter gekoppelt ist und mit der Wicklung der Primärseite zum Steuern eines Stroms, der durch die Wicklung der Primärseite fließt, gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine der wenigstens einen externen Klemmen des zweiten Einstellschaltkreises mit der Schaltersteuervorrichtung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die eine der wenigstens einen externen Klemmen des zweiten Einstellschaltkreises mit einem Spannungsrückkopplungsanschluss der Schaltersteuervorrichtung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Spannungsrückkopplungsanschluss der Schaltersteuervorrichtung mit einer Rückkopplungswicklung der Primärseite gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der zweite Einstellschaltkreis einen Umschalt-Schaltung-Spannungsteiler mit wenigstens einem ersten Widerstand, der zwischen dem Spannungsrückkopplungsanschluss und der Rückkopplungswicklung der Primärseite verbunden ist, und mit einem zweiten Widerstand enthält, der zwischen dem Spannungsrückkopplungsanschluss und der Masse verbunden ist, wobei der Spannungsrückkopplungsanschluss mit dem Umschalt-Schaltung-Spannungsteiler verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der zweite Einstellschaltkreis ein Paar externer Klemmen zum Koppeln mit einem Paar entsprechender externer Verbindungen aufweist, die konfiguriert sind, um das erste externe Widerstandselement dazwischen aufzunehmen, und wobei die andere des Paars externer Klemmen mit der Masse gekoppelt ist, wobei das erste externe Widerstandselement, wenn es zwischen dem Paar externer Verbindungen verbunden ist, über die externen Klemmen mit einem Widerstand des Umschalt-Schaltung-Spannungsteilers parallel gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der zweite Einstellschaltkreis die Potentialdifferenz, die zwischen den Zwischenklemmen erzeugt wird, durch ein Einstellen des Betriebszyklus der Schaltersteuervorrichtung einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Teilschaltkreis ein weiteres resistives Element enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine der wenigstens einen externen Klemmen des ersten Einstellschaltkreises über eine der Zwischenklemmen mit einer Niedrigspannungsseite der zweiten Wicklung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der erste Einstellschaltkreis einen Wandlerschaltung-Spannungsteiler mit wenigstens einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand enthält, die zwischen den Zwischenklemmen parallelgeschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste Einstellschaltkreis ein Paar externer Klemmen zum Koppeln mit einem Paar externer Verbindungen aufweist, die konfiguriert sind, um das dazwischen montierte zweite externe Widerstandselement aufzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die andere des Paars externer Klemmen mit einem Teilschaltkreis und über die andere Zwischenklemme und den Wandlerschaltung-Spannungsteiler mit der Hochspannungsseite der zweiten Wicklung derart gekoppelt ist, dass das erste externe Widerstandselement mit dem weiteren Widerstandselement in dem Teilschaltkreis gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das weitere Widerstandselement ein Transistor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die andere des Paars externer Klemmen mit der Basis/dem Steueranschluss des Transistors gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Transistor zwischen den Zwischenklemmen derart parallelgeschaltet ist, dass die Quellen-/Emitter-Klemme des Transistors mit der Hochspannungsseite der sekundären Wicklung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das weitere Widerstandselement einen einstellbaren Spannungsabfall aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei ein Knoten des ersten Einstellschaltkreises mit dem weiteren Widerstandselement derart verbunden ist, dass eine Veränderung der Spannung an dem Knoten die Spannung, die über dem weiteren Widerstandselement abgefallen ist, einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der erste Einstellschaltkreis die erste Ausgangsspannungsdifferenz und die zweite Ausgangsspannungsdifferenz durch ein Einstellen der Spannung, die über dem weiteren Widerstandselement abgefallen ist, einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die aufweist: eine Leiste, auf der die Umschalt-Schaltung, die Wandlerschaltung und der Transformator montiert sind; wobei das Paar Eingabeklemmen und die wenigstens eine externe Klemme des ersten und des zweiten Einstellschaltkreises Verbindungen auf der externen Oberfläche der Leiste zum Verbinden mit einer Platine eines Drittanbieters sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Referenzspannung die Quellenspannung der Leistungsschaltervorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Referenzspannung null Voll beträgt.