DE60007558T2 - Resonante gatteransteuerung für sychrongleichrichter - Google Patents

Resonante gatteransteuerung für sychrongleichrichter Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft allgemein DC/DC-Wandler und insbesondere einen Resonanz-Gatterantrieb bzw. Resonanz-Gateantrieb für Synchrongleichrichter unter Verwendung einer externen Treiberschaltung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Da sich logische, integrierte Schaltungen (ICs) bei der Suche nach höheren Betriebsfrequenzen zu niedrigeren Arbeitsspannungen bewegt haben und da Gesamtsystemgrößen fortgesetzt kleiner werden, sind Leistungsversorgungsentwicklungen mit kleineren und effizienteren Leistungsmodulen ein Erfordernis. Bei einer Anstrengung zum Verbessern von Effizienzen und zum Erhöhen von Leistungsdichten ist eine Synchrongleichrichtung für diese Art von Anwendungen nötig geworden. Eine Synchrongleichrichtung hat in den letzten zehn Jahren eine große Popularität gewonnen, da sich Halbleitervorrichtungen mit niedriger Spannung fortentwickelt haben, um dies zu einer lebensfähigen Technologie zu machen. Weil sich jedoch die Betriebsfrequenz erhöht, werden Umschaltverluste wichtig.
  • Für Anwendungen bei einer Synchrongleichrichtung kann die durch Laden und Entladen der Eingangskapazität der Gleichrichter dissipierte Energie signifikant werden. Zum Erhalten des vollständigen Vorteils aus einer Synchrongleichrichtung müssen Komponenten mit einem niedrigen Drain-zu-Source-Widerstand ausgewählt werden. Jedoch resultiert ein niedriger Drain-zu-Source-Widerstand normalerweise in Vorrichtungen mit einem relativ großen Chip und einer großen Eingangskapazität. Weiterhin muss die Eingangskapazität in Nanosekunden geladen und entladen werden. Dies bedeutet, dass deshalb, weil sich die Betriebsfrequenz erhöht, die zur Gatetreiberschaltung gehörenden Verluste signifikant werden.
  • Es sind Topologien vorgeschlagen worden, um Umschaltverluste aufgrund einer Strom- und Spannungsüberlagerung zu minimieren und um Umschaltverluste aufgrund der Ausgangskapazität von typischen Halbleitervorrichtungen zu minimieren. In "A MOS gate drive with resonant transitions", IEEE PESC 91 Conference Proceedings, S. 527 – 532, zeigte D. Maksimovic einen Resonanz-Gateantrieb, basierend auf der Quasi-Quadratwellen-Leistungsumwandlung. Diese Lösung stellt eine Einrichtung zum Laden und Entladen der Eingangskapazität einer MOS-Typ-Vorrichtung auf eine verlustlose Weise zur Verfügung, aber auf die Kosten von großen Mengen von zirkulierender Energie. Eine ähnliche Idee, die auf dem nullspannungsgeschalteten (ZVS = Zero-Voltage- Switched) Quasi-Resonanzwandler (QRC = Quasi-Resonant-Converter) basiert, wurde in "Novel High Efficiency Base Drive Using Zero Voltage Switching Converter", IEEE PESC 91 Conference Proceedings, S. 545 – 550 von H. S. Kim et al. vorgeschlagen. Eine Leistungsversorgungsschaltung, die in DE 4315906 A1 (17. November 1994) offenbart ist, verwendet, eine Logikschaltung zum Umschalten einer Gleichrichteranordnung in einem extern angetriebenen DC/DC-Leistungswandler. Ein induktives Speicherelement wird zum Speichern von eingegebener Energie verwendet, die zum Steuern einer freilaufenden Stromdissipationsanordnung verwendet wird. Diese Lösungen umfassen nicht eine Ebene einer Effizienz, bei welcher das meiste der Lade- und Entladeenergie wiedergewonnen wird. B. S. Jacobson schlug in "High Frequency Resonant Gate Driver With Partial Energy Recovery", High Frequency Power Conversion Conference Proceedings, 1993, S. 133 – 141 eine Lösung vor, bei welcher ein Bruchteil der Lade- und Entladeenergie wiedergewonnen wird. Diese Lösung ist aufgrund ihrer Grundoperation besser geeignet zum Umschalten von Frequenzen im Megahertzbereich, was somit ihre Verwendung bei Synchrongleichrichterschaltungen begrenzt. Was benötigt wird, besteht in einem Resonanz-Gateantrieb für eine extern angetriebene Synchrongleichrichtungsschaltung, die keine großen Mengen an zirkulierender Energie verliert und die auf effiziente Weise bei Umschaltfrequenzen außerhalb des Megahertzbereichs verwendet werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung ist eine neue Gateantriebskonfiguration, die bei Anwendungen verwendet werden kann, bei welchen eine externe Treiberschaltung nötig ist, um die Synchrongleichrichter anzutreiben (nicht selbst angetriebene Anwendungen).
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung erreicht technische Vorteile, wie einen Resonanz-Gateantrieb, unter Verwendung eines extern angetriebenen Synchrongleichrichtungsschemas, der auf einfache Weise an alle Typen von Topologien angepasst werden kann.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Resonanz-Gateantrieb einer extern angetriebenen Synchrongleichrichterschaltung für einen DC-DC-Leistungswandler offenbart. Die Synchrongleichrichterschaltung weist eine externe Treiberschaltung mit einem sekundären Transformator, einen ersten und einen zweiten Synchrongleichrichter, einen primären Transformator und einen Ausgangsanschluss auf. Der Resonanz-Gatetreiber bzw. Gateantrieb enthält eine Energiewiedergewinnungsschaltung für jeden der Synchrongleichrichter. Jede Wiedergewinnungsschaltung weist eine erste und eine zweite Synchrongleichrichterdiode, einen Wiedergewinnungsschalter und eine Resonanzspule auf. Die erste Synchrongleichrichterdiode ist konfiguriert, um die Spannung über dem Synchrongleichrichter zu regeln. Die Resonanzspule wird verwendet, um die Energie zu speichern, die dann dissipiert wird, wenn die Eingangskapazität des Synchrongleichrichters geladen und entladen wird. Eine zweite Synchrongleichrichterdiode ist zwischen der Resonanzspule und dem Synchrongleichrichter angeschlossen, um zu verhindern, dass Energie zu dem Synchrongleichrichter unter bestimmten Bedingungen zurückkehrt. Die Resonanzspule ist an den Wiedergewinnungsschalter gekoppelt, der die gespeicherte Energie in der Resonanzspule zum Ausgang transferiert, um dadurch die Synchrongleichrichterschaltung energieeffizienter zu machen.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die Energiewiedergewinnungsschaltung für jeden Gleichrichter einen zusätzlichen Widerstand, der an die erste Synchrongleichrichterdiode der Wiedergewinnungsschaltung gekoppelt ist. Der Widerstand stellt sicher, dass die Schaltung in Situationen richtig arbeiten wird, in welchen ein Strom über die erste synchrone Diode zurückfließt, um dadurch die Eingangskapazität der Synchrongleichrichter erneut zu laden, die sich zu einem unrichtigen Zeitpunkt wiederum einschalten werden. Durch Hinzufügen des Widerstands wird zugelassen, dass die Spannung über dem Gate der Synchrongleichrichter unter Null schwingt, um zum Rückstrom beizutragen.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Schaltung zur Energiewiedergewinnung N-Typ-MOSFETS verwenden, um die Spannung über den Synchrongleichrichtern auf einen anderen Wert als denjenigen der Eingangsspannung der Synchrongleichrichter zu begrenzen.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Schaltung zur Energiewiedergewinnung eine Hilfswicklung verwenden, um die Gate-Kapazität der Synchrongleichrichter auf eine Weise zu laden, auf welche die Energie zum Laden der Gate-Kapazität wiedergewonnen wird. Die Hilfswicklung wird den richtigen Ladepuls für die Synchrongleichrichter ermöglichen.
  • Ebenso ist ein Verfahren zum Wiedergewinnen von Energie einer extern angetriebenen Synchrongleichrichterschaltung offenbart. Das Verfahren enthält die Schritte zum Einfangen von Energie von der Eingangs-Kapazität der Synchrongleichrichter in wenigstens einer Spule und zum Transferieren der Energie von den Speicherspulen zum Ausgang, wenn die Wiedergewinnungsschalter ausschalten. Das Verfahren enthält auch ein Wiedergewinnen der Energie, die zum Laden und Entladen der Synchrongleichrichter nötig ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus einer Betrachtung der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit beigefügten Zeichnungen klarer verstanden werden, wobei:
  • 1 einen hartgeschalteten bzw. -verdrahteten Vollbrückenwandler mit einer extern angetriebenen Synchrongleichrichtung nach dem Stand der Technik darstellt;
  • 2A einen Vollwellengleichrichter mit einer extern angetriebenen Synchrongleichrichtung unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2B Spannungswellenformen des extern angetriebenen Synchrongleichrichters für eine Push-Pull-Topologie zeigt;
  • 3 ein Ausführungsbeispiel des vorliegenden, extern angetriebenen Synchrongleichrichters mit eine rückwärtige Wiedergewinnung einer Diode begrenzenden Widerständen zeigt;
  • 4 ein Ausführungsbeispiel des gegenwärtigen, extern angetriebenen Synchrongleichrichters zeigt, wenn die zwei Resonanznetzwerke verknüpft sind;
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit spannungsbegrenzenden MOSFETs ist;
  • 6A ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Hilfs-Ausgangsspulenwicklung ist;
  • 6B typische Wellenformen zeigt, die den Betrieb des Resonanz-Gateantriebs darstellen, der in 7A gezeigt ist;
  • 7A ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Hilfs-Ausgangsspulenwicklung darstellt;
  • 7B ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Hilfs-Ausgangsspulenwicklung darstellt;
  • 8 eine Implementierung für einen typischen Halbwellengleichrichter unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 9A eine Implementierung für einen Wandler vom Entgegenwirkungstyp unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 9B eine weitere Implementierung für einen Wandler vom Entgegenwirkungstyp unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist.
  • Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den unterschiedlichen Figuren beziehen sich auf entsprechende Teile, solange nichts anderes angezeigt ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Das Folgende ist eine Beschreibung der Struktur und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Eine Schaltung nach dem Stand der Technik wird zuerst diskutiert werden, gefolgt durch eine Beschreibung von mehreren bevorzugten Ausführungsbeispielen und Alternativen der vorliegenden Erfindung und eine Diskussion der Vorteile.
  • 1 zeigt eine extern angetriebene Synchrongleichrichterkonfiguration für einen hartgeschalteten bzw. hartverdrahteten Vollbrückenwandler nach dem Stand der Technik, der allgemein mit 10 bezeichnet ist. Dabei ist folgendes gezeigt: Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2, ein Transformator Tx mit einer primären und einer sekundären Wicklung 11 bzw. 12, eine Spule Lo, ein Kondensator Co und eine externe Treiberschaltung 16. SQ1 und SQ2 sind an die sekundäre Wicklung 12 des Transformators Tx gekoppelt. Die Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 sind an einen Transformator Tsx einer externen Treiberschaltung gekoppelt, um die nötige Zeitgabe abzuleiten, die die Einschalt- und Ausschaltsignale für die Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 zur Verfügung stellt.
  • Bei der in 1 gezeigten Implementierung nach dem Stand der Technik ist der Leistungsverlust, der zu einem Laden und Entladen der Eingangskapazität zu jedem der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 gehört, größer als oder gleich fs · Ciss_eq · Vgs2, wobei fs die Betriebsfrequenz ist, Ciss_eq die äquivalente Eingangskapazität der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 ist und Vgs die Spannung ist, auf welche die Kapazität geladen wird. Der zu dem Laden und Entladen von Ciss_eq gehörende Energieverlust wird nicht wiedergewonnen, was bedeutet, dass die Gleichrichtungsschaltung 10 als Ganzes effizient ist. Somit ist das, was nötig ist, eine Einrichtung zum Wiedergewinnen der Energie, die zu einem Laden und Entladen der Eingangskapazität Ciss_eq des ersten und des zweiten Synchrongleichrichters SQ1 und SQ2 gehört.
  • 2A zeigt eine Synchrongleichrichterschaltung 18, die einen Resonanz-Gateantrieb mit einer Energiewiedergewinnungsschaltung 20 verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung gewinnt die Energie wieder, die in der äquivalenten Kapazität Ciss_eq der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 gespeichert ist, und zwar auf ein Entladen hin. Wie es gezeigt ist, weist die Energiewiedergewinnungsschaltung 20 zwei kleine Resonanzspulen LR1 und LR2 und vier Dioden D1, D2, D3 und D4 auf. Die Resonanzspulen LR1 und LR2 und die Dioden D1, D2, D3 und D4 werden zum Speichern der Energie verwendet, die aus einem Entladen des ersten und des zweiten Synchrongleichrichters SQ1 und SQ2 resultiert. Zum Transferieren der Energie von den Resonanzspulen LR1 und LR2 zum Ausgangsanschluss Vout sind die Resonanzspulen LR1 und LR2 an die Wiedergewinnungsschalter SQ3 und SQ5 gekoppelt. Die Wiedergewinnungsschalter SQ3 und SQ5 sind wiederum an den Ausgangsanschluss Vout gekoppelt. Jede Treiberkreuzleitungsenergie und das gesamte der Energie, die in den Resonanzspulen LR1 und LR2 gespeichert ist, werden zu den Wiedergewinnungsschaltern SQ3 und SQ4 transferiert und dann zum Ausgangsanschluss, um dadurch eine energieeffizientere Schaltung zur Verfügung zu stellen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Energie, die zum Laden der Eingangskapazität der Synchrongleichrichter erforderlich ist, auf keine Weise wiedergewonnen.
  • 2B zeigt die Grundwellenformen, die den Betrieb der vorliegenden Erfindung zum Wiedergewinnen der Energie aus einem Entladen des ersten Synchrongleichrichters SQ1 darstellen. Vor der Zeit T0 sind beide Synchrongleichrichter eingeschaltet und läuft der Laststrom über die kurzgeschlossenen, sekundären Wicklungen und die Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 frei. Zur Zeit T0 schaltet das von der primären Wicklung 11 kommende Signal den Wiedergewinnungsschalter SQ3 ein. Da der Schalter SQ4 noch eingeschaltet ist, bildet sich ein Strom über die Resonanzspule LR1. Zu der Zeit T1 schaltet der Schalter SQ4 aus und beginnt der Strom durch LR1 ein Entladen der Eingangskapazität des Synchrongleichrichters SQ1. Während dieser Stufe entlädt die Spule LR1 die Eingangskapazität des Synchrongleichrichters auf eine Resonanzweise. Der Schalter SQ3 transferiert diese Energie zum Ausgangsanschluss Vout. Diese Resonanz treibt die Spannung über dem Gate des ersten Synchrongleichrichters SQ1 unter die Erdung, wenn sich die Resonanzspule LR1 rücksetzt. Die Diode D1 ist vorgesehen, um zu verhindern, dass diese Spannung ins Negative schwingt.
  • Zu einer Zeit T2 ist die Resonanzspule LR1 rückgesetzt worden und trennt die Diode D2 die Resonanzspule vom ersten Synchrongleichrichter SQ1. Da sowohl der Wiedergewinnungsschalter SQ3 als auch der Schalter SQ4 vom selben Signal angetrieben werden, wird die Verzögerung zwischen dem Einschalten des Wiedergewinnungsschalters SQ3 und dem Ausschalten des Schalters SQ4 durch den Wert des Widerstands R1 und die Eingangskapazität des Schalters SQ4 gesteuert. Der Betrieb des Wiedergewinnungsschalters SQ5 und der Resonanzspule LR2 erfolgt auf dieselbe Weise, wie es oben beschrieben ist, um die Energie von einem Entladen des zweiten Synchrongleichrichters SQ2 wiederzugewinnen.
  • Bei den meisten praktischen Implementierungen schalten dann, wenn der Strom durch die Resonanzspulen LR1 und LR2 sich wieder auf Null erniedrigt, die Dioden D2 und D4 nicht sofort aus, und ein Strom fließt zurück durch die Dioden D2 und D4 (dies ist der rückwärtige Wiedergewinnungseffekt), um dadurch die Eingangskapazität der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 erneut zu laden. Wenn diese Kapazität erneut über 1 Volt geladen ist, werden die Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 versuchen, sich wieder einzuschalten, was in einem defekten Betrieb resultiert. Zum Minimieren dieses Effekts kann eine sättigbare Spule anstelle von Resonanzspulen LR1 und LR2 verwendet werden, oder Widerstände R3 und R4 können jeweils in Reihe zu den Dioden D1 und D3 geschaltet werden, wie es in 3 gezeigt ist. Ein Hinzufügen von Widerständen R3 und R4 lässt zu, dass die Spannung über den Synchrongleichrichtern SQ1 und SQ2 unter die Erdung schwingt. Daher wird dann, wenn die Eingangskapazität der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 erneut geladen wird, aufgrund der Effekte einer rückwärtigen Wiedergewinnung bei den Dioden D2 und D3, die Spannung über den Synchrongleichrichtern SQ1 und SQ2 unter der Erdung bleiben. Dies wird den richtigen Betrieb der Energiewiedergewinnungsschaltung für die Synchrongleichrichterschaltung 30 garantieren.
  • Selbst wenn zwei Resonanznetzwerke verknüpft sind, kann eine sehr ähnliche Leistungsfähigkeit, wie sie durch die vorliegende Erfindung zur Verfügung gestellt wird, dann erhalten werden, wenn die zwei Resonanznetzwerke in eines verknüpft sind, wie es bei der Synchrongleichrichterschaltung der 4 gezeigt ist. Wie es gezeigt ist, ist eine zusätzliche Verzögerung bei den Treiber-Wiedergewinnungsschaltern SQ3 und SQ5 eingeführt, da sie über die Resonanzspule LR1 eingeschaltet werden müssen. Die Widerstände R1 und R2 können auf einfache Weise neu bemaßt bzw. skaliert werden, um für diese Verzögerung bereit zu sein, wodurch die richtige Zeitgabe für die Synchrongleichrichterschaltung 40 sichergestellt wird.
  • Bei einigen Anwendungen kann es nötig sein, eine Spannung über den Synchrongleichrichtern SQ1 und SQ2 zur Verfügung zu stellen, die unterschiedlich von derjenigen ist, die durch die Sekundärversorgungsspannung Vccs zur Verfügung gestellt ist. Die unterschiedliche Spannung kann durch Hinzufügen von zwei zusätzlichen N-Typ-MOSFETs zur Verfügung gestellt werden, wie es in 5 gezeigt ist. In 5 hat Vccs2 einen niedrigeren Wert als Vccs und begrenzt somit die Ladespannung über den Synchrongleichrichtern SQ1 und SQ2.
  • Bei den vorherigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist nur das Entladen der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 auf eine verlustlose Weise erreicht worden (d.h. die Energie von einem Entladen wird durch Transferieren von ihr zum Ausgangsanschluss Vout wiedergewonnen). Wenn es erwünscht ist, auch die Gate-Kapazität der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 auf eine verlustlose Weise zu laden, kann eine zusätzliche Wicklung 50 zur Ausgangsspule Lo hinzugefügt werden, um den richtigen Ladepuls für die Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 zur Verfügung zu stellen, wie es in 6A gezeigt ist. In 6B sind typische Wellenformen gezeigt, die den Betrieb der Synchrongleichrichterschaltung 60 beschrieben, wie sie in 6A gezeigt ist. Es ist wichtig zu beachten, dass die Treiber nun von einer pulsierenden Quelle angetrieben werden, die durch die Hilfswicklung 50 in der Ausgangsspule Lo zur Verfügung gestellt ist. Es ist diese pulsierende Quelle, die zulässt, dass die Gate-Kapazität der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 auf eine verlustlose Weise geladen wird.
  • Für Anwendungen mit niedriger Spannung hat die Hilfswicklung 50 in der Ausgangsspule Lo eine hohe Anzahl von Windungen, was sie unpraktisch macht. Zum Reduzieren der Anzahl von Windungen in der Hilfswicklung können die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie sie in den 7A und 7B gezeigt sind. Insbesondere ist bei der Synchrongleichrichterschaltung 70 die Hilfswicklung 50 an die positive Seite des Spannungsanschlusses Vout gekoppelt, was entgegengesetzt zu der Kopplung der Hilfswicklung 50 an den Rücklauf des Spannungsanschlusses Vout ist, wie es in 6A gezeigt ist. Dies wird eine reduzierte Anzahl von Windungen für die Hilfswicklung zulassen.
  • Bei der in 7B gezeigten Synchrongleichrichterschaltung schwingt die Spannung der pulsierenden Quelle nicht notwendigerweise zum Negativen. Wo die Windungsverhältnisse der Hilfswicklung kleiner als 1/(1 – Vo*N/Vin) sind, wobei N das Windungsverhältnis des primären Transformators ist, ist die Spannung der pulsierenden Quelle immer positiv. Für diese Bedingung wird kein wirkliches, verlustloses Laden der Eingangskapazität der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 erhalten. Jedoch selbst unter dieser Bedingung werden die zu einem Laden der Kapazität von Synchrongleichrichtern SQ1 und SQ2 gehörenden Verluste wesentlich reduziert. Weiterhin wird durch nicht Beziehen der Hilfswicklung 50 zur Erdung eine Treiberkapazität während Kurzschlusszuständen nicht verloren werden.
  • Die Ausführungsbeispiele des Resonanz-Gateantriebs für einen Vollwellengleichrichter sind gezeigt worden. Jedoch kann die vorliegende Erfindung angepasst werden, um für den Halbleitergleichrichter und nicht isolierte Topologien implementiert zu werden. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Resonanz-Gateantrieb für den Halbleitergleichrichter. Eine zweite Hilfswicklung 52 ist hinzugefügt worden, um die Verwendung der vorliegenden Erfindung für einen Halbleitergleichrichter zu ermöglichen. Wiederum können beide Resonanznetzwerke kombiniert werden, und auf die Hilfswicklungen 50 und 52 kann von unterschiedlichen Stellen in der Schaltung Bezug genommen werden, wie es oben erklärt ist.
  • Die Wiedergewinnung der entladenen Energie, die in der Eingangskapazität des Hauptschalters gespeichert ist, und die Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 für einen Entgegenwirkungswandler 90 (Abwärtswandler), die keine Isolierstufe haben, können auch unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 9A gezeigt. Wenn es gewünscht ist, kann die Eingangskapazität der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 auch auf eine verlustlose Weise geladen werden, wie es in 9B gezeigt ist.
  • Das neue Verfahren und das neue System des vorliegenden Resonanz-Gateantriebs stellt den Vorteil eines effizienten Wiedergewinnens der Energie von einem Laden und einem Entladen der Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 zur Verfügung. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Fähigkeit, große Mengen an zirkulierender Energie der Schaltung wiederzugewinnen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Anpassbarkeit der vorliegenden Erfindung, um effizient bei einem breiten Bereich von Umschaltfrequenzen verwendet zu werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit zum Anpassen der vorliegenden Erfindung an verschiedene Typen von Wandlertopologien.
  • Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf illustrative Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn gedacht sein. Verschiedene Modifikationen in Kombinationen der illustrativen Ausführungsbeispiele sowie andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden Fachleuten auf dem Gebiet bei einer Bezugnahme auf die Beschreibung offensichtlich werden. Die Synchrongleichrichter SQ1 und SQ2 und die Schalter SQ3, SQ4, SQ5 und SQ6 sind als MOSFETs gezeigt; jedoch wird erwogen, dass ein anderer Typ von FET oder Umschaltvorrichtung zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet wäre. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartige Modifikationen oder Ausführungsbeispiele umfassen.

Claims (24)

  1. Energiewiedergewinnungsschaltung für einen extern angetriebenen Synchrongleichrichter mit einem ersten und einem zweiten Synchrongleichrichter, einem ersten und einem zweiten Schalter, einem ersten und einem zweiten Widerstand, einem primären und einem sekundären Transformator, einer Spule mit einer Wicklung, einem Ausgangskondensator und einem Ausgangsanschluss mit einem positiven Ende und einem Rückende, wobei die Energiewiedergewinnungsschaltung folgendes aufweist: eine erste Synchrongleichrichter-Wiedergewinnungsschaltung mit einem ersten Wiedergewinnungsschalter mit einem Gateanschluss, wobei der Gateanschluss des ersten Wiedergewinnungsschalters mit dem ersten Anschluss des zweiten Transformators gekoppelt ist, wobei der erste Wiedergewinnungsschalter eine Übertragung von Energie zum Ausgangsanschluss initiiert, und eine zweite Synchrongleichrichter-Wiedergewinnungsschaltung mit einem zweiten Wiedergewinnungsschalter mit einem Gateanschluss, wobei der Gateanschluss des zweiten Wiedergewinnungsschalters mit dem zweiten Anschluss des zweiten Transformators gekoppelt ist, wobei der erste Wiedergewinnungsschalter eine Übertragung von Energie zum Ausgangsanschluss initiiert, wobei die Eingangskapazitätsenergie des ersten und des zweiten Synchrongleichrichters, die zum Entladen des ersten und des zweiten Synchrongleichrichters benötigt wird, wiedergewonnen wird.
  2. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Synchrongleichrichter-Wiedergewinnungsschaltung eine erste Diode für den ersten Synchrongleichrichter aufweist, die betriebsmäßig mit dem ersten Synchrongleichrichter gekoppelt ist, wobei die erste Diode für den ersten Synchrongleichrichter die Spannung über dem ersten Synchrongleichrichter reguliert.
  3. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die zweite Synchrongleichrichter-Wiedergewinnungsschaltung eine erste Diode für den zweiten Synchrongleichrichter aufweist, die betriebsmäßig mit dem zweiten Synchrongleichrichter gekoppelt ist, wobei die erste Diode für den zweiten Synchrongleichrichter die Spannung über dem ersten Synchrongleichrichter reguliert.
  4. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Synchrongleichrichter-Wiedergewinnungsschaltung weiterhin folgendes aufweist: eine erste Resonanzspule, die mit dem ersten Wiedergewinnungsschalter gekoppelt ist, und eine zweite Diode für den ersten Synchrongleichrichter, die in Reihe zur ersten Resonanzspule gekoppelt ist, wodurch Energie vom ersten Synchrongleichrichter in der ersten Resonanzspule gespeichert wird, wobei die zweite Diode für den ersten Synchrongleichrichter verhindert, dass die Energie zum ersten Synchrongleichrichter zurückkehrt, und verhindert, dass die Energie rückwärts und vorwärts zirkuliert, was in einem Energieverlust resultiert.
  5. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 3, wobei die zweite Synchrongleichrichter-Wiedergewinnungsschaltung weiterhin folgendes aufweist: eine zweite Resonanzspule, die mit dem zweiten Wiedergewinnungsschalter gekoppelt ist, und eine zweite Diode für den zweiten Synchrongleichrichter, die in Reihe zur zweiten Resonanzspule gekoppelt ist, wodurch die Energie von dem zweiten Synchrongleichrichter in der ersten Resonanzspule gespeichert wird, wobei die zweite Diode für den zweiten Synchrongleichrichter verhindert, dass die Energie zum zweiten Synchrongleichrichter zurückkehrt und verhindert, dass die Energie rückwärts und vorwärts zirkuliert, was in einem Energieverlust resultiert.
  6. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes aufweist: eine Speicherspule, die mit dem ersten und dem zweiten Wiedergewinnungsschalter gekoppelt ist, und eine Ausgangsdiode, die in Reihe zu der Speicherspule gekoppelt ist, wobei die Ausgangsdiode verhindert, dass Energie zum ersten und zum zweiten Wiedergewinnungsschalter zurückkehrt, wodurch die Energie von dem ersten und dem zweiten Synchrongleichrichter zur Speicherspule übertragen bzw. transferiert wird, um durch die Synchrongleichrichterschaltung verwendet zu werden.
  7. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Zeitgabe des ersten und des zweiten Wiedergewinnungsschalters durch den ersten und den zweiten Widerstand beeinflusst wird.
  8. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes aufweist: einen ersten Wiedergewinnungswiderstand, der mit der ersten Synchrongleichrichterdiode gekoppelt ist, und einen zweiten Wiedergewinnungswiderstand, der mit der ersten Diode für den zweiten Synchrongleichrichter gekoppelt ist, wodurch die Spannung über dem ersten und dem zweiten Synchrongleichrichter gesteuert wird, um die Effekte eines Stroms zu minimieren, der über die erste Diode für den ersten Synchrongleichrichter und die erste Diode für den zweiten Synchrongleichrichter zurückfließt.
  9. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 9, die weiterhin folgendes aufweist: einen dritten Wiedergewinnungsschalter, der zwischen dem ersten Synchrongleichrichter und der zweiten Diode für den ersten Synchrongleichrichter gekoppelt ist, und einen vierten Wiedergewinnungsschalter, der zwischen dem zweiten Synchrongleichrichter und der zweiten Diode für den zweiten Synchrongleichrichter gekoppelt ist, wodurch die Spannung über dem ersten und dem zweiten Synchrongleichrichter auf eine Spannung begrenzt werden kann, die eine andere als die Versorgungsspannung ist.
  10. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 9, wobei der dritte und der vierte Wiedergewinnungsschalter MOSFETs mit Gateanschlüssen aufweisen, wobei die Gateanschlüsse an eine Spannungsquelle angeschlossen sind.
  11. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin eine erste Hilfswicklung für eine Spule Lo aufweist, wodurch die Eingangskapazitätsenergie des ersten und des zweiten Synchrongleichrichters, die zum Laden des ersten und des zweiten Synchrongleichrichters nötig ist, wiedergewonnen wird.
  12. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 11, wobei die erste Hilfswicklung mit dem Rückende des Ausgangsanschlusses gekoppelt ist.
  13. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 11, die weiterhin folgendes aufweist: eine erste Ladediode, die mit der Ausgangsspulenwicklung gekoppelt ist, und eine zweite Ladediode, die mit der ersten Hilfswicklung gekoppelt ist.
  14. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 11, wodurch die Hilfswicklung eine pulsierende Quelle aufweist, wobei die pulsierende Quelle den richtigen Ladeimpuls für den ersten und den zweiten Synchrongleichrichter liefert.
  15. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 14, wobei die Hilfswicklung mit dem positiven Ende des Ausgangsanschlusses gekoppelt ist, wodurch die Anzahl von Wicklungen der Hilfswicklung für Synchrongleichrichterschaltungen niedriger Spannung reduziert wird.
  16. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 15, wobei die Schaltung weiterhin folgendes aufweist: eine Hilfswicklungsdiode, die mit dem ersten und dem zweiten Wiedergewinnungsschalter gekoppelt ist, und einen zweiten Kondensator, der in Reihe zu der Hilfswicklungsdiode gekoppelt ist.
  17. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 11, die weiterhin eine zweite Hilfswicklung aufweist, wodurch die Energiewiedergewinnungsschaltung als ein Halbwellengleichrichter anpassbar ist.
  18. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 17, die weiterhin folgendes aufweist: eine erste Hilfsdiode, die in Reihe zu dem zweiten Wiedergewinnungsschalter gekoppelt ist und die mit der Ausgangsspulenwicklung verbunden ist, und eine zweite Hilfsdiode, die in Reihe zu dem ersten Schalter gekoppelt ist und die mit der zweiten Hilfswicklung verbunden ist.
  19. Energiewiedergewinnungsschaltung für einen extern angetriebenen Synchrongleichrichter mit einem ersten und einem zweiten Synchrongleichrichter, einem ersten und einem zweiten Schalter, einem ersten und einem zweiten Widerstand, einem primären und einem sekundären Transformator, einer Spule mit einer Wicklung, einem Ausgangskondensator und einem Ausgangsanschluss mit einem positiven Ende und einem Rückende, wobei die Energiewiedergewinnungsschaltung folgendes aufweist: eine erste Synchrongleichrichter-Wiedergewinnungsschaltung mit einem ersten Wiedergewinnungsschalter mit einem Gateanschluss, wobei der Gateanschluss des ersten Wiedergewinnungsschalters mit dem ersten Anschluss des zweiten Transformators gekoppelt ist, wobei der erste Wiedergewinnungsschalter eine Übertragung von Energie zum Ausgangsanschluss initiiert, und eine zweite Synchrongleichrichter-Wiedergewinnungsschaltung mit einem zweiten Wiedergewinnungsschalter mit einem Gateanschluss, wobei der Gateanschluss des zweiten Wiedergewinnungsschalters mit dem zweiten Anschluss des zweiten Transformators gekoppelt ist, wobei der erste Wiedergewinnungsschalter eine Übertragung von Energie zum Ausgangsanschluss initiiert, wodurch die Eingangskapazitätsenergie des ersten und des zweiten Synchrongleichrichters, die zum Entladen des ersten und des zweiten Synchrongleichrichters nötig ist, wiedergewonnen wird, und wodurch die Energiewiedergewinnungsschaltung als Kompensationstypwandler anpassbar ist.
  20. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 19, die weiterhin folgendes aufweist: eine erste Diode, die an den ersten Synchrongleichrichter angeschlossen ist; eine zweite Diode, die an den zweiten Synchrongleichrichter angeschlossen ist; eine dritte Diode, die steuerbar mit dem ersten Synchrongleichrichter gekoppelt ist; eine vierte Diode, die mit dem zweiten Wiedergewinnungsschalter gekoppelt ist; einen ersten Leiter, der in Reihe zwischen der dritten Diode und dem ersten Wiedergewinnungsschalter gekoppelt ist, und eine zweite Spule, die in Reihe zwischen dem Gateanschluss des zweiten Synchrongleichrichters und der vierten Diode gekoppelt ist.
  21. Energiewiedergewinnungsschaltung nach Anspruch 20, die weiterhin folgendes aufweist: eine Hilfswicklung, die am Ausgangsanschluss angeschlossen ist, und eine Ausgangsdiode, die in Reihe zu dem Spannungsanschluss geschaltet ist.
  22. Verfahren zur Energiewiedergewinnung für eine Energiewiedergewinnungsschaltung, die mit einer Synchrongleichrichterschaltung mit Eigenantrieb mit einem ersten und einem zweiten Synchrongleichrichter und einem Ausgangsanschluss verwendet wird, wobei die Energiewiedergewinnungsschaltung einen ersten und einen zweiten Schalter und wenigstens eine Speicherspule hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Einfangen der Energie der Kapazität der Synchrongleichrichter in der wenigstens einen Speicherspule und Übertragen der Energie der Kapazität der Synchrongleichrichter von der wenigstens einen Speicherspule zum Ausgang.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt zum Einfangen der Energie der Kapazität der Synchrongleichrichter ein Einfangen der Ladeenergie der Synchrongleichrichter enthält.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt zum Einfangen der Energie der Kapazität der Synchrongleichrichter ein Einfangen der Entladeenergie der Synchrongleichrichter enthält.
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