LU501057B1 - Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung - Google Patents

Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung Download PDF

Info

Publication number
LU501057B1
LU501057B1 LU501057A LU501057A LU501057B1 LU 501057 B1 LU501057 B1 LU 501057B1 LU 501057 A LU501057 A LU 501057A LU 501057 A LU501057 A LU 501057A LU 501057 B1 LU501057 B1 LU 501057B1
Authority
LU
Luxembourg
Prior art keywords
semiconductor switch
wave
node
current
conductive
Prior art date
Application number
LU501057A
Other languages
English (en)
Inventor
Raphael Knoke
Benjamin Schacht
Jürgen Sasse
Thorsten Schulte
Original Assignee
Phoenix Contact Gmbh & Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact Gmbh & Co filed Critical Phoenix Contact Gmbh & Co
Priority to LU501057A priority Critical patent/LU501057B1/de
Priority to PCT/EP2022/086704 priority patent/WO2023117941A1/de
Application granted granted Critical
Publication of LU501057B1 publication Critical patent/LU501057B1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0025—Arrangements for modifying reference values, feedback values or error values in the control loop of a converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M1/4233—Arrangements for improving power factor of AC input using a bridge converter comprising active switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters

Abstract

Eine Technik zur Steuerung der Halbleiterschalter (112; 114) einer Schaltungsanordnung, insbesondere als Tiefsetzsteller (100), Hochtiefsetzsteller oder Sperrwandler an einer Gleichstromquelle oder an einer Wechselstromquelle, während einer Periode umfassend eine festgelegte Zeitdauer (ton) einer Aufmagnetisierungsphase (140) und eine veränderbare Zeitdauer (toff) einer Abmagnetisierungsphase (142) einer Induktivität (104) wird bereitgestellt. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) umfasst einen während der Aufmagnetisierungsphase (140) leitenden ersten Halbleiterschalter (112) und einen während der Abmagnetisierungsphase (142) leitenden zweiten Halbleiterschalter (114), die Induktivität (104), eine Kapazität (106) parallel zu einem elektrischen Verbraucher (108) und mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2) im Strompfad eines der Halbleiterschalter (112; 114). Ein Stromwert wird über der Strommessstelle (110-1; 110-2) während eines festgelegten Zeitpunkts der Periode gemessen und mit einem festgelegten Referenzstromwert verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis wird die Zeitdauer (toff) der Abmagnetisierungsphase (142) verändert.

Description

Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-
Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Technik zur Steuerung der Halbleiterschalter einer
Schaltungsanordnung zur Spannungswandlung zwischen einer Stromquelle und elektrischem Verbraucher. Insbesondere wird ein Stromregelverfahren einer
Zweischalter-Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Stromsignalinformation aus nur einem Halbleiterschalterpfad bereitgestellt.
Aus dem Stand der Technik ist eine Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 10 mit einer Diode 12 wie in Fig. 1 gezeigt bekannt. Die Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung kann auf der Grenze (auch: Grenzlücke, Englisch: ,Boundary Conduction Mode“, kurz BCM) zwischen einem nicht-lückenden
Betrieb und einem lückenden Betrieb einer Induktivitat L (auch: Drossel) betrieben werden, um ein verlustarmes Schalten eines Halbleiterschalters (S) zu erreichen, wobei üblicherweise ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) eingesetzt wird. Hierbei wird die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung in der Nähe der Lückgrenze des Drosselstroms I. so betrieben, dass sowohl ein stromloses (Englisch: „zero current switching“, kurz: ZCS) als auch ein spannungsloses (Englisch: „zero voltage switching“, kurz: ZVS) Einschalten des
Halbleiterschalters S ermöglicht wird. Die Drossel L der herkömmlichen
Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung sowie die Ausgangskapazität des
Halbleiterschalters Coss bilden dabei einen Serienresonanzschwingkreis. Dieser
Serienresonanzkreis wird innerhalb der halben Periodendauer seiner
Eigenfrequenz umgeladen, so dass bei Vorzeichenwechsel des Drosselstroms IL die Ausgangskapazität Coss auf den doppelten Wert der Tiefsetzsteller-
Eingangsspannung Vin, abzüglich der Tiefsetzsteller-Ausgangsspannung Vout umgeladen wird. Dadurch wird bei erneutem Einschalten des Halbleiterschalters
S die Schaltspannung sowie der Einschaltstrom und somit die Schaltverluste reduziert.
Wie in der Fig. 2 gezeigt lückt der Drosselstrom der herkömmlichen
Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung während jeder Schaltperiode des
Halbleiterschalters S. Dabei setzen sich die zeitlichen Zusammenhänge wie folgt zusammen: fon = rss (1), tory = GE-D+ton (2), tres = 10 * JL * Cogs (3).
Um ein möglichst verlustfreies Schalten des Halbleiterschalters S zu gewährleisten, darf die Periodendauer eines Schaltzyklus Ts nicht kürzer sein als:
Tsmin = ton + toss + tres (4).
In besonders verlustoptimierten Anwendungen kommt an Stelle einer herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Diode 12, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Halbbrückenschaltung mit mindestens zwei aktiven
Halbleiterschaltern (S1, S2) zum Einsatz, wie in Fig. 4 gezeigt. Dabei wird die
Diode 12 aus Fig. 1 durch den zweiten Halbleiterschalter S2 ersetzt. Die
Schaltung der Fig. 4 kann auch als Vollbrücken-Tiefsetzer-
Leistungsfaktorkorrektur-Schaltungsanordnung bezeichnet werden (kurz: „Vollbrücken-Buck-PFC-Schaltung“ mit Tiefsetzsteller auf Englisch: buck” und
Leistungsfaktorkorrektur auf Englisch: „power factor correction“, kurz: ,PFC*).
In Fig. 3 ist eine idealisierte zeitliche Abfolge der Ansteuerung der
Halbleiterschalter S1 und S> einer idealisierten verlustfreien Schaltung gemäß
Fig. 4 für eine positive Eingangsspannung Vin dargestellt.
Die Bedingung für das Abschalten des ersten Halbleiterschalters S1 und das
Einschalten des zweiten Halbleiterschalters Sz ist in diesem idealisierten Fall das
Überschreiten einer oberen Stromschwelle In des Drosselstroms IL Die
Stromschwelle In wird für den jeweiligen Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung von einem Stromregler vorgegeben.
Die Bedingung für das Abschalten des zweiten Halbleiterschalters S2 und das
Einschalten des ersten Halbleiterschalters S4 ist in diesem idealisierten Fall das
Unterschreiten einer unteren Stromschwelle li des Drosselstroms IL. Die
Stromschwelle |; ist statisch vorgegeben und sorgt für ein vollständiges Umladen von Coss.
Dabei bleibt im Gegensatz zur Schaltungsanordnung der Fig. 1 der
Halbleiterschalter S2 solange eingeschaltet, bis ein vollständiges Umladen von
Coss auf null Volt (0 V) erfolgt ist. Danach wird der erste Halbleiter S1 ein- und der zweite Halbleiterschalter Sa zeitgleich abgeschaltet, so dass der Strom IL vom zweiten Halbleiterschalter Sa auf den ersten Halbleiterschalter S1 kommutieren kann und die Steigung des Stromes wieder positiv wird.
In der Dissertation „Current Mode Control structure: Current-Mode Control:
Modeling and Digital Application” von Jian Li (14. April 2009, Blacksburg Virginia) ist ein alternatives Verfahren zur idealisierten Generierung von Schaltzeiten (Ton) des ersten Halbleiterschalters S4 und des zweiten Halbleiterschalters S2 für die eine idealisiert verlustfreie in Fig. 5 gezeigte Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung beschrieben. Fig. 6 (a) zeigt eine Spitzenstrom-Steuerung (Englisch: „peak current mode control“, kurz: ,PCMC*), Fig. 6 (b) zeigt eine idealisierte Talstrom-Steuerung (Englisch: ,valley current mode control“), Fig. 6 (c) zeigt eine idealisierte konstante ,On-Zeit*-Steuerung („constant on-time control“), Fig. 6 (d) zeigt eine idealisierte konstante ,Off-Zeit”-Steuerung („constant off-time control“) und Fig. 6 (e) zeigt eine idealisierte hysterische
Steuerung (,hysteric control“).
Die herkömmlichen Verfahren zur Generierung der Schaltsignale für
Tiefsetzsteller-Topologien, die mit zwei Halbleiterschaltern betrieben werden, benötigen die gesamte Information des Stromverlaufs durch die Induktivität L, um mit Komparatoren die Schaltsignale zu erzeugen. Es gibt zwei herkömmliche
Möglichkeiten, dies jeweils mit erheblichen Nachteilen zu realisieren.
Gemäß einer ersten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung wird der Strom IL direkt mit einem Strommesswiderstand (kurz: Messwiderstand; auch: ,Shunt*) im
Pfad von IL unter Einsatz eines Schaltkreises gemessen, der das Signal auf das
Messpotenzial bringt. Nachteilig an der ersten herkömmlichen Schaltsignal-
Steuerung ist, dass der Schaltkreis für eine Potenzialtrennung üblicherweise sehr teuer ist. Beispielsweise wird herkômmilicherweise eine Hall-Messung eingesetzt. Nachteilig an der ersten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung ist ferner, dass der Schaltkreis für die Potenzialtrennung üblicherweise eine nur geringe Bandbreite hat und das Signal verzerrt wiedergibt.
Gemäß einer zweiten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung wird der Strom mit
Stromwandlern in den einzelnen Schalterpfaden gemessen unter Einsatz zusätzlicher Beschaltung zur Entmagnetisierung der Stromwandler und zusätzlicher Beschaltung, um den Strom bidirektional zu messen. Nachteilig an der zweiten herkömmlichen Schaltsignal-Steuerung ist, dass die Schaltung aufwändig ist mit vielen Komponenten. Nachteilig an der zweiten herkömmlichen
Schaltsignal-Steuerung ist ferner, dass Stromwandler üblicherweise teurer sind als Strommesswiderstände (auch: „Shunts“).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Technik zur Steuerung der Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung zur Spannungswandlung zwischen einer Stromquelle und elektrischem Verbraucher anzugeben, in der ein
Potenzial für Messschaltungen und/oder Steuerungsschaltungen (insbesondere
Regelungsschaltungen) auf ein störungsarmes Potenzial, beispielsweise einer negativen Zwischenkreisspannung, gelegt werden kann. Alternativ oder ergänzend besteht die Aufgabe, eine geeignete Strommessung mit nur einem
Messwiderstand und/oder nur geringer Zusatzbeschaltung zur Generierung der
Halbleiterschaltersignale für die Halbleiterschalter zu erreichen.
Die Aufgabe wird oder die Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden unter teilweiser
Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt umfasst eine Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers eine zwischen einem ersten Knotenpunkt und einem zweiten Knotenpunkt geschaltete Induktivitat, eine zwischen dem zweiten Knotenpunkt und einem dritten Knotenpunkt geschaltete Kapazität, und einen zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem dritten Knotenpunkt parallel zur Kapazität geschalteten
Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers. Die Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung speisenden Stromquelle, wobei die
Eingangseinheit einen ersten Pol, der zumindest in einer positiven Halbwelle als
Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol, der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner einen ersten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den ersten Pol mit dem ersten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden, und einen zweiten
Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den ersten Knotenpunkt und den dritten Knotenpunkt über einen vierten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens eine Strommessstelle, die in einem den ersten Knotenpunkt, den zweiten
Knotenpunkt und den dritten Knotenpunkt umfassenden Strompfad hinter dem dritten Knotenpunkt angeordnet ist. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den ersten
Halbleiterschalter während einer festgelegten Zeitdauer (ton) einer
Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer (tor) einer
Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und den zweiten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (tor) der Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten.
Die festgelegte Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der (beispielsweise ersten) Induktivität ist für jede Schaltungsanordnung des ersten, zweiten und dritten Aspekts in Abhängigkeit von einem vorgegebenen maximalen Strom durch die Induktivität festgelegt. Alternativ oder ergänzend ist die veränderbare
Zeitdauer (tof) der Abmagnetisierungsphase der (beispielsweise ersten)
Induktivität für jede Schaltungsanordnung des ersten, zweiten und dritten
Aspekts in Abhängigkeit von einem Vergleich eines vorgegebenen minimalen
Stroms durch die Induktivität und eines über der mindestens einen
Strommessstelle messbaren Stroms veränderbar.
Die Tiefsetzsteller-Schaltung kann auch als Abwärtswandler-Schaltung (Englisch ,buck converter“ und/oder „step-down converter“) bezeichnet werden.
Die Stromversorgung des elektrischen Verbrauchers kann eine Gleichstrom-
Versorgung und/oder eine Gleichspannungs-Versorgung umfassen. Zumindest die positive Halbwelle kann der Versorgung mit Gleichstrom und/oder mit
Gleichspannung entsprechen.
Alternativ oder ergänzend kann die Stromversorgung eine Wechselstrom-
Versorgung und/oder eine Wechselspannungs-Versorgung umfassen. Die
Wechselstrom-Versorgung und/oder die Wechselspannungs-Versorgung kann die positive Halbwelle und eine negative Halbwelle umfassen.
Die Induktivität kann eine Spule und/oder Drossel umfassen.
Die Kapazität kann einen Kondensator, insbesondere einen
Glättungskondensator, umfassen.
Der elektrische Verbraucher kann auch als Last (Englisch: „load“) bezeichnet werden.
Die Strommessstelle kann einen Messwiderstand umfassen. Der
Messwiderstand kann auch als Strommesswiderstand oder fachsprachlich als „Shunt“ bezeichnet werden. Alternativ oder ergänzend kann die Strommessstelle einen Stromwandler (Englisch: „Current Sense Transformer“) umfassen.
Weiterhin alternativ oder ergänzend kann die Strommessstelle einen Hall-Sensor und/oder einen induktiven Stromwandler umfassen.
Der leitende Zustand eines jeden Halbleiterschalters kann auch als geschlossen und/oder zu bezeichnet werden. Alternativ oder ergänzend kann der nicht- leitende Zustand eines jeden Halbleiterschalters auch als offen bezeichnet werden.
Eine Kombination aus einer Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der
Induktivität und der zeitlich direkt nachfolgenden veranderbaren Zeitdauer, tof, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität kann als Periode, Tperiode, der
Schaltungsanordnung bezeichnet werden.
Der vierte Knotenpunkt kann geerdet sein und/oder mit einer Masse verbunden sein.
Ausführungsbeispiele der (beispielsweise Tiefsetzsteller-)
Schaltungsanordnungen können ein verlustarmes Schalten der, insbesondere ersten und zweiten, Halbleiterschalters ermöglichen, insbesondere auf der
Grenze (Englisch: „boundary conduction mode“, kurz: BCM) eines lückenden
Betriebs (Englisch: „discontinuous conduction mode“, kurz: DCM) zu einem nicht-lückenden Betrieb (Englisch: ,continuous conduction mode“, kurz: CCM).
Die Modifizierung einer herkömmlichen (beispielsweise Tiefsetzsteller- )Schaltungsanordnung kann dabei möglichst einfach gehalten sein, insbesondere durch Hinzufügen einer oder mehrerer Strommessstellen (beispielsweise eines oder mehrerer Messwiderstände) an geeigneten (vorzugsweise besonders störungsarmen hinsichtlich eines Bezugspotentials)
Stellen im Schaltkreis. Alternativ oder ergänzend können eine oder wenige vereinzelte Strommessungen an der einen oder mehreren Strommessstellen zu bestimmten Zeitpunkten einer Periode zur Bestimmung des/der
Umschaltzeitpunkts/e der mindestens zwei Halbleiterschalter ausreichen.
Die die Eingangseinheit der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung speisende
Stromquelle kann eine Wechselstromquelle umfassen, wobei der erste Pol in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, und wobei der zweite Pol in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung kann ferner einen dritten Halbleiterschalter, der den vierten Knotenpunkt über einen fünften Knotenpunkt mit dem ersten Pol wahlweise leitend verbindet, und einen vierten Halbleiterschalter, der den vierten Knotenpunkt über den fünften
Knotenpunkt mit dem zweiten Pol wahlweise leitend verbindet, umfassen. Die
Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, während der positiven Halbwelle den dritten Halbleiterschalter nicht-leitend und den vierten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, während der negativen Halbwelle den dritten Halbleiterschalter leitend und den vierten
Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, während der festgelegten Zeitdauer (ton) der
Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten
Halbleiterschalter nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, während der veränderbaren Zeitdauer (tor) der Abmagnetisierungsphase in der negativen
Halbwelle den ersten Halbleiterschalter leitend und den zweiten
Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten.
Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst eine Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers eine zwischen einem ersten Knotenpunkt und einem zweiten Knotenpunkt geschaltete Induktivität, eine zwischen einem dritten Knotenpunkt und einem vierten Knotenpunkt geschaltete Kapazität, und einen zwischen dem dritten
Knotenpunkt und dem vierten Knotenpunkt parallel zur Kapazität geschalteten
Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers. Die
Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung speisenden
Stromquelle, wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol, der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol, der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist. Die Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung umfasst ferner einen ersten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den ersten Pol mit dem ersten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden; einen zweiten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den ersten
Knotenpunkt und den vierten Knotenpunkt über einen fünften Knotenpunkt und einen sechsten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden; einen dritten
Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den zweiten Knotenpunkt und den dritten Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden; und einen vierten
Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, den zweiten Knotenpunkt und den fünften Knotenpunkt wahlweise leitend zu verbinden. Die Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens eine Strommessstelle, die in einem den vierten Knotenpunkt und den fünften Knotenpunkt umfassend
Strompfad und/oder den vierten Halbleiterschalter und den fünften Knotenpunkt umfassenden Strompfad angeordnet ist. Die Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, in einer Funktion als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung den ersten Halbleiterschalter während einer festgelegten
Zeitdauer (ton) einer Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer (torr) einer Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven
Halbwelle nicht-leitend zu schalten, in der Funktion als Tiefsetzsteller den zweiten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der
Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (tor) der
Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten, und in der Funktion als Tiefsetzsteller den dritten
Halbleiterschalter leitend zu schalten und den vierten Halbleiterschalter nicht- leitend zu schalten.
Die Steuereinheit ist ferner in einer Funktion als Hochsetzsteller der
Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, zumindest in einer positiven Halbwelle den ersten Halbleiterschalter leitend und den zweiten
Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten, wobei die Steuereinheit in der
Funktion als Hochsetzsteller ferner dazu ausgebildet ist, den vierten
Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der
Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (tor) der
Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und in der Funktion als Hochsetzsteller den dritten
Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der
Aufmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (tor) der
Abmagnetisierungsphase der Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten.
Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung kann auch als Aufabwärtswandler (Englisch auch: ,buck-boost converter”) bezeichnet werden.
Die Stromversorgung der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung kann eine
Gleichstromquelle und/oder eine Gleichspannungsquelle umfassen. Die positive
Halbwelle kann einer positiven Gleichstromquelle und/oder einer positiven
Gleichspannungsquelle entsprechen.
Alternativ oder ergänzend kann die Stromversorgung der Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung eine Wechselstromquelle und/oder eine
Wechselspannungsquelle umfassen. Der Wechselstromquelle und/oder der
Wechselspannungsquelle kann die positive Halbwelle und eine negative
Halbwelle zugeordnet sein. In der negativen Halbwelle kann der erste Pol dem
Minuspol entsprechend und der zweite Pol dem Pluspol.
Die die Eingangseinheit der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung speisende
Stromquelle kann eine Wechselstromquelle umfassen, wobei der erste Pol in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt. Die Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung kann ferner einen fünften Halbleiterschalter, der den sechsten Knotenpunkt mit dem ersten Pol wahlweise leitend verbindet, und einen sechsten Halbleiterschalter, der den sechsten Knotenpunkt mit dem zweiten Pol wahlweise leitend verbindet, umfassen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, während der positiven Halbwelle den fünften Halbleiterschalter nicht-leitend und den sechsten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die
Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, während der negativen
Halbwelle den fünften Halbleiterschalter leitend und den sechsten
Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten.
Die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Tiefsetzsteller während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter nicht-leitend und den zweiten
Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, in der Funktion als Tiefsetzsteller während der veränderbaren
Zeitdauer (tor) der Abmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter leitend und den zweiten Halbleiterschalter nicht-leitend zu schalten.
Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, in der Funktion als
Hochsetzsteller während der festgelegten Zeitdauer (ton) der
Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten
Halbleiterschalter nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, in der Funktion als Hochsetzsteller in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter leitend zu schalten.
Gemäß einem dritten Aspekt umfasst eine Sperrwandler-Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität, wobei die erste Induktivität und die zweite Induktivität induktiv gekoppelt sind, wobei die erste Induktivität und die zweite Induktivität galvanisch getrennt sind, und wobei die zweite Induktivität an einen ersten
Knotenpunkt angeschlossen ist. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung umfasst ferner eine zwischen dem ersten Knotenpunkt und einem zweiten
Knotenpunkt geschaltete Kapazität und einen zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt parallel zur Kapazität geschalteten
Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers. Die Sperrwandler-
Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Sperrwandler-Schaltungsanordnung speisenden Stromquelle, wobei die
Eingangseinheit einen ersten Pol, der zumindest in einer positiven Halbwelle als
Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol, der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung umfasst ferner einen ersten Halbleiterschalter, der dazu angeordnet ist, zumindest in der positiven Halbwelle die erste Induktivität mit dem zweiten Pol wahlweise leitend zu verbinden, und einen zweiten Halbleiterschalter, der zwischen dem zweiten
Knotenpunkt und der zweiten Induktivität dazu angeordnet ist, die zweite
Induktivität und die Kapazität wahlweise leitend zu verbinden. Die Sperrwandler-
Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens eine Strommessstelle, der in einem den ersten Halbleiterschalter und die Stromquelle umfassenden
Strompfad und/oder in einem den zweiten Knotenpunkt und zweiten
Halbleiterschalter umfassenden Strompfad angeordnet ist. Die Sperrwandler-
Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter während einer festgelegten Zeitdauer (ton) einer
Aufmagnetisierungsphase der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer (tor) einer
Abmagnetisierungsphase der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität nicht-leitend zu schalten, und den zweiten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (tor) der Abmagnetisierungsphase der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität zumindest in der positiven
Halbwelle leitend zu schalten.
Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung kann auch als ,Flyback converter“ bezeichnet werden.
Die Stromversorgung der Sperrwandler-Schaltungsanordnung kann eine
Gleichstromquelle und/oder eine Gleichspannungsquelle umfassen. Die positive
Halbwelle kann einer positiven Gleichstromquelle und/oder eine positiven
Gleichspannungsquelle entsprechen.
Alternativ oder ergänzend kann die Stromversorgung der Sperrwandler-
Schaltungsanordnung eine Wechselstromquelle und/oder eine
Wechselspannungsquelle umfassen. Der Wechselstromquelle und/oder der
Wechselspannungsquelle kann die positive Halbwelle und eine negative
Halbwelle zugeordnet sein. In der negativen Halbwelle kann der erste Pol dem
Minuspol entsprechend und der zweite Pol dem Pluspol.
Die die Eingangseinheit der Sperrwandler-Schaltungsanordnung speisende
Stromquelle kann eine Wechselstromquelle umfassen, wobei der erste Pol in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts mit
Wechselstromquelle kann die Sperrwandler-Schaltungsanordnung ferner einen dritten Halbleiterschalter, einen vierten Halbleiterschalter, einen fünften
Halbleiterschalter und einen sechsten Halbleiterschalter, wobei der dritte
Halbleiterschalter dazu ausgebildet ist, die erste Induktivitat wahlweise mit dem ersten Pol zu verbinden, wobei der vierte Halbleiterschalter dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität wahlweise mit dem zweiten Pol zu verbinden, wobei der fünfte Halbleiterschalter dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter wahlweise mit dem zweiten Pol zu verbinden, und wobei der sechste
Halbleiterschalter dazu angeordnet ist, den ersten Halbleiterschalter wahlweise mit dem ersten Pol zu verbinden.
Gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel des dritten Aspekts mit
Wechselstromquelle kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, den dritten
Halbleiterschalter und den fünften Halbleiterschalter jeweils während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase in der positiven
Halbwelle leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (torr) der
Abmagnetisierungsphase der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und den dritten Halbleiterschalter und den fünften Halbleiterschalter jeweils während der negativen Halbwelle nicht-leitend zu schalten. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, den vierten Halbleiterschalter und den sechsten
Halbleiterschalter wahrend der positiven Halbwelle jeweils nicht-leitend zu schalten, und den vierten Halbleiterschalter und den sechsten Halbleiterschalter während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle jeweils leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (torr) der Abmagnetisierungsphase der negativen Halbwelle jeweils nicht-leitend zu schalten.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts mit
Wechselstromquelle kann die Sperrwandler-Schaltungsanordnung ferner eine dritte Induktivität und einen dritten Halbleiterschalter umfassen, wobei der dritte
Halbleiterschalter dazu ausgebildet ist, die dritte Induktivitat wahlweise mit dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt zu verbinden.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts mit
Wechselstromquelle kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, den zweiten
Halbleiterschalter während der negativen Halbwelle nicht-leitend zu schalten. Die
Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, den dritten Halbleiterschalter während der positiven Halbwelle und während der festgelegten Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase zumindest der ersten Induktivitat in der negativen
Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer (tor) der
Abmagnetisierungsphase zumindest der ersten Induktivität der negativen
Halbwelle leitend zu schalten.
Die Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase kann für jede der erfindungsgemafen Schaltungsanordnungen in Abhängigkeit von einem maximalen Strom durch die Induktivität konstant sein, beispielsweise für eine
Betriebsdauer der (beispielsweise Tiefsetzsteller-) Schaltungsanordnung, für einen elektrischen Verbraucher und/oder für einen Arbeitspunkt der jeweiligen (beispielsweise Tiefsetzsteller-) Schaltungsanordnung festgelegt sein.
Alternativ oder ergänzend können tor, tofiset, torr + toffset UNd/oder ein minimaler
Strom durch die Induktivitäten der Schaltungsanordnungen von Toleranzen einzelner Bauteile und/oder Verzôgerungen in Treibern abhängen.
Einer oder jeder der Halbleiterschalter einer oder jeder Schaltungsanordnung kann einen MOSFET, insbesondere einen n-Kanal-MOSFET, einen bipolaren
Transistor, einen Thyristor und/oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-
Elektrode (IGBT) umfassen.
Die Steuereinheit einer oder jeder Schaltungsanordnung kann ferner dazu ausgebildet sein, die Schaltungsanordnung in einem nicht-lückenden Betrieb (CCM), einem lückenden Betrieb (DCM), und/oder auf einer Grenze zwischen dem nicht-lückenden und lückenden Betrieb (BCM) zu betreiben.
Der CCM kann eine Durchschnittsstrom-Regelung umfassen.
Die mindestens eine Strommessstelle einer oder jeder Schaltungsanordnung kann mindestens einen Messwiderstand umfassen.
Die mindestens eine Strommessstelle einer oder jeder Schaltungsanordnung kann im Strompfad des ersten Halbleiterschalters angeordnet sein. die
Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, mindestens einen Stromwert während der Aufmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle und/oder in der negativen Halbwelle Über der mindestens einen Strommessstelle zu messen.
Der mindestens eine Stromwert kann genau einen Stromwert zu einem festgelegten Zeitpunkt der Aufmagnetisierungsphase umfassen, vorzugsweise zu Beginn der Aufmagnetisierungsphase und/oder in der Nähe eines
Umschaltzeitpunkts vom nicht-leitenden zum leitenden Zustand des ersten
Halbleiterschalters.
Alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Strommessstelle einer oder jeder Schaltungsanordnung im Strompfad des zweiten Halbleiterschalters angeordnet sein. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, mindestens einen Stromwert während der Abmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle und/oder in der negativen Halbwelle Uber der mindestens einen Strommessstelle zu messen.
Alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Strommessstelle zwei
Strommessstellen, jeweils eine im Strompfad des ersten Halbleiterschalters (S1) und einen im Strompfad des zweiten Halbleiterschalters (Sz) beschrieben umfassen.
Die Steuereinheit einer oder jeder Schaltungsanordnung kann ferner dazu ausgebildet sein, mindestens einen oder jeden Halbleiterschalter in einem spannungslosen Zustand und/oder in einem stromlosen Zustand der Induktivität leitend zu schalten.
Der spannungslose Zustand wird auf Englisch auch als „zero voltage switching“ (kurz: ZVS) bezeichnet. Alternativ oder ergänzend wird der stromlose Zustand auf Englisch auch als „zero current switching“ (kurz: ZCS) bezeichnet.
Die Steuereinheit einer oder jeder Schaltungsanordnung kann einen Digitalen
Signalprozessor (DSP), einen Mikrokontroller mit Steuersoftware, einen Field
Programmable Gate Array (FPGA), und/oder eine anwendungsspezifische
Integrierte Schaltung (ASIC) umfassen. Die Anwendungsspezifische integrierte
Schaltung wird auf Englisch auch als ,application-specific integrated circuit“ (kurz: ASIC) bezeichnet.
Gemäß einem vierten Aspekt ist ein Verfahren zur Steuerung der
Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung während einer
Aufmagnetisierungsphase und einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivität bereitgestellt. Das Verfahren kann mittels einer Schaltungsanordnung gemäß dem ersten, zweiten und/oder dritten Aspekt ausgeführt werden.
Das Verfahren umfasst den Schritt des Messens eines Stromwerts über mindestens einer Strommessstelle einer der Schaltungsanordnungen des ersten, zweiten und/oder dritten Aspekts, wobei der Stromwert während eines festgelegten Zeitpunkts einer Periode, die eine festgelegte Zeitdauer (ton) einer
Aufmagnetisierungsphase und eine veränderbare Zeitdauer (torr) einer
Abmagnetisierungsphase einer Induktivität umfasst, gemessen wird. Die festgelegte Zeitdauer (ton) der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität ist in
Abhängigkeit von einem vorgegebenen maximalen Strom durch die Induktivität festgelegt. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Vergleichens des gemessenen Stromwerts mit einem für den Zeitpunkt der Messung festgelegten
Referenzstromwert. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Veränderns der veränderbaren Zeitdauer (tor) der Abmagnetisierungsphase der Induktivität in
Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichens des gemessenen
Stromwerts mit dem Referenzstromwert.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes schematisches Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit einem
Halbleiterschalter und einer Diode;
Fig. 2 einen idealisierten Stromverlauf durch die Induktivität und einen idealisierten Spannungsverlauf über dem Halbleiterschalter der herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der Fig. 1;
Fig. 3 einen idealisierten Stromverlauf durch die Induktivität und einen idealisierten Spannungsverlauf Über einem Halbleiterschalter der herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der nachfolgenden Fig. 4;
Fig. 4 ein zweites schematisches Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit zwei
Halbleiterschaltern;
Fig. 5 ein drittes schematisches Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit zwei
Halbleiterschaltern;
Fig. 6 idealisierte Stromverläufe durch die Induktivität und idealisierte
Spannungsverläufe über einem Halbleiterschalter der herkömmlichen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der Fig. 5;
Fig. 7A und 7B ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit
Gleichstromquelle während einer Aufmagnetisierungsphase bzw. einer Abmagnetisierungsphase, wobei die erfindungsgemäße
Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung zwei Halbleiterschalter und mindestens einem Messwiderstand umfasst;
Fig. 8A bis 8D ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäfen Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit
Wechselstromquelle während einer positiven Halbwelle (Fig. 8A und 8B) und während einer negativen Halbwelle (Fig. 8C und 8D) und jeweils einer Auf- und Abmagnetisierungsphase, wobei die erfindungsgemäße Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung vier
Halbleiterschalter und mindestens einen Messwiderstand umfasst;
Fig. 9A bis 9H ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung mit
Wechselstromquelle im Einsatz als Hochsetzsteller (Fig. 9A bis 9D) und als Tiefsetzsteller (Fig. 9E bis 9H), wobei die erfindungsgemäße Hochtiefsetzsteller- Schaltungsanordnung sechs Halbleiterschalter und mindestens einen Messwiderstand umfasst;
Fig. 10A und 10B ein schematisches erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sperrwandler-Schaltungsanordnung mit
Wechselstromquelle während einer positiven Halbwelle (Fig. 10A) und während einer negativen Halbwelle (Fig. 10B) und jeweils einer
Auf- und Abmagnetisierungsphase, wobei die erfindungsgemäße
Sperrwandler-Schaltungsanordnung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel fünf Halbleiterschalter im Stromkreis einer ersten Induktivität und einen Halbleiterschalter im Stromkreis einer zweiten Induktivität umfasst sowie mindestens einen
Messwiderstand in einem der beiden Stromkreise;
Fig. 11A und 11B ein schematisches zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sperrwandler-Schaltungsanordnung mit
Wechselstromquelle während einer positiven Halbwelle (Fig. 10A) und während einer negativen Halbwelle (Fig. 10B) und jeweils einer
Auf- und Abmagnetisierungsphase, wobei die erfindungsgemäße
Sperrwandler-Schaltungsanordnung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel mindestens einen Halbleiterschalter im
Stromkreis einer ersten Induktivität und je einen Halbleiterschalter im Stromkreis einer zweiten und dritten Induktivität umfassen sowie mindestens einen Messwiderstand in einem der Stromkreise.
Fig. 12 einen beispielhaften Stromverlauf für die Induktivität und die beiden
Halbleiterschalter der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der Fig. 7A und 7B, wobei die Zeitdauer (tor) der Abmagnetisierungsphase aufgrund eines unteren Referenzstroms veränderbar ist; und
Fig. 13 ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung der Halbleiterschalter der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der Fig. 7A und 7B.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird als mindestens eine
Strommessstelle jeweils mindestens ein Messwiderstand verwendet. Jedes der
Ausführungsbeispiele kann alternativ oder ergänzend auch jedes andere
Beispiel einer Strommessstelle (beispielsweise einen Hall-Sensor) verwenden.
Die Fig. 7A und 7B zeigen eine erfindungsgemäße Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 100, die an eine Gleichstromquelle mit Pluspol 102-1 und
Minuspol 102-2 angeschlossen ist. Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 umfasst einen ersten Halbleiterschalter (S1) 112, der während einer
Aufmagnetisierungsphase 140, gezeigt in Fig. 7A, einer Induktivität 104 leitend und während einer Abmagnetisierungsphase 142, gezeigt in Fig. 7B, der
Induktivität 104 nicht-leitend ist. Uber einen ersten Knotenpunkt 122 ist ein zweiter Halbleiterschalter (Sz) 114 mit der Induktivität 104 elektrisch leitend verbindbar während der Abmagnetisierungsphase 104.
Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für die Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 100 der Fig. 7A und 7B kann wie folgt zusammengefasst werden:
Die Induktivität 104 ist Über einen zweiten Knotenpunkt 124 mit einem elektrischen Verbraucher 108 und einer zum elektrischen Verbraucher 108 bis zu einem dritten Knotenpunkt 126 parallel geschalteten Kapazität 106 elektrisch leitend verbunden. Uber einem vierten Knotenpunkt 128 sind er elektrische
Verbraucher 108 und die Kapazität 106 wahlweise mit dem zweiten
Halbleiterschalter (S2) 114 und dem Minuspol 102-2 der Gleichstromquelle verbindbar.
Die Schaltung der beiden Halbleiterschalter 112; 114 wird von einer
Steuereinheit 150 in Abhängigkeit von einem gemessenen Stromwert gesteuert.
Der Stromwert wird wahlweise über einem ersten Messwiderstand 110-1 oder einem zweiten Messwiderstand 110-2 gemessen. Über dem ersten
Messwiderstand 110-1 kann der Stromwert wahlweise während der
Aufmagnetisierungsphase 140 und der Abmagnetisierungsphase 142 gemessen werden. Über dem zweiten Messwiderstand 110-2 kann der Stromwert nur während der Aufmagnetisierungsphase 140 gemessen werden.
Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der Fig. 7A und 7B kann wahlweise nur den ersten Messwiderstand 110-1 oder den zweiten
Messwiderstand 110-2 umfassen.
Fig. 8A, 8B, 8C und 8D zeigen eine erfindungsgemäße Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 100, die an eine Wechselstromquelle mit erstem Pol 102- 1 und zweitem Pol 102-2 angeschlossen ist. Die Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 100 der Fig. 8A bis 8D umfasst alle Elemente der
Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der Fig. 7A und 7B, und der erste
Halbleiterschalter (S1) 112 und der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 sind während einer positiven Halbwelle entsprechend schaltbar.
Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der Fig. 8A bis 8D umfasst zwei weitere Halbleiterschalter (Ss) 116 und (S4) 118, die als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter, der Wechselstromquelle fungieren.
In Fig. 8A und 8B sind während einer positiven Halbwelle die Strompfade während der Aufmagnetisierungsphase 140 der Induktivität 104 und während der
Abmagnetisierungsphase 142 der Induktivität 104 gezeigt.
In Fig. 8C und 8D sind während einer negativen Halbwelle die Strompfade der
Aufmagnetisierungsphase 144 der Induktivität 104 und während der
Abmagnetisierungsphase 146 der Induktivität 104 gezeigt.
Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für die Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 100 der Fig. 8A bis 8D kann wie folgt zusammengefasst werden:
Tiefsetzsteller, Wechselstromquelle, Schalterstellungen
Halbwelle | Magnet.-phase positiv Auf Leitend | Nicht- Nicht- | Leitend
Leitend Leitend
Ab Nicht- Leitend
Leitend negativ Auf Nicht- Leitend Leitend | Nicht-
Leitend Leitend
Ab Leitend | Nicht-
Leitend
Der Messwiderstand 110-1 führt in jeder Halbwelle und jeder
Magnetisierungsphase 140; 142; 144; 146 Strom. Der Messwiderstand 110-2 führt jeweils nur in der Aufmagnetisierungsphase 140; 144 jeder Halbwelle
Strom. Ein dritter Messwiderstand 110-3 der an die Wechselstromquelle angeordneten Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 führt nur Strom, wenn der zweite Halbleiterschalter (Sz) 114 leitend geschaltet ist, also in der
Abmagnetisierungsphase 142 der positiven Halbwelle und in der … Aufmagnetisierungsphase 144 der negativen Halbwelle.
Die Schaltung der vier Halbleiterschalter 112; 114; 116; 118 wird von einer (nicht gezeigten) Steuereinheit in Abhängigkeit von einem gemessenen Stromwert über mindestens einem der Messwiderstände 110-1; 110-2; 110-3 gesteuert.
Die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der Fig. 8A bis 8D kann wahlweise nur den ersten Messwiderstand 110-1, nur den zweiten Messwiderstand 110-2, nur den dritten Messwiderstand 110-3, oder eine Teilmenge von zwei der drei
Messwiderstände 110-1; 110-2; 110-3 umfassen.
Fig. 9A bis 9H zeigen eine Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200, die an einen ersten Pol 102-1 und einen zweiten Pol 102-2 einer Wechselstromquelle angeschlossen ist. Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 umfasst sechs Halbleiterschalter (S1; So; Sa; Sa; Ss; Se) 112; 114; 116; 118; 202; 204, die
Uber mehrere Knotenpunkte 122; 124; 126; 128; 130; 132 wahlweise mit der
Induktivitat 104, der Wechselstromquelle, und dem elektrischen Verbraucher 108 und parallel geschalteter Kapazität 106 elektrisch leitend verbunden werden können.
In Fig. 9A bis 9D sind die Stromverläufe für den Einsatz der Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 200 als Hochsetzsteller während der
Aufmagnetisierungsphase 140 und der Abmagnetisierungsphase 142 in der positiven Halbwelle und während der Aufmagnetisierungsphase 144 und der
Abmagnetisierungsphase 146 in der negativen Halbwelle gezeigt.
Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen für die Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 200 der Fig. 9A bis 9D als Hochsetzsteller kann wie folgt zusammengefasst werden:
Hochtiefsetzsteller als Hochsetzsteller, Wechselstromquelle,
Schalterstellungen phase positiv Auf Leitend | Nicht- | Nicht- | Leitend | Nicht- | Leitend
Leitend | Leitend Leitend
Ab Leitend | Nicht- leitend negativ Auf Nicht- | Leitend | Nicht- | Leitend | Leitend | Nicht-
Leitend Leitend Leitend
Ab Leitend | Nicht-
Leitend
Im Einsatz als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 dienen somit der dritte Halbleiterschalter (S3) 116 und der vierte
Halbleiterschalter (S4) 118 zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140; 144 und Abmagnetisierungsphase 142; 146. Die ersten, zweiten, fünften und sechsten Hableiterschalter (S1) 112, (Sz2) 114, (Ss) 202 und (Se) 204 dienen beim Einsatz als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter zum Umschalten zwischen positiver und negativer Halbwelle.
Im Einsatz als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 fließt in jeder Aufmagnetisierungsphase 140; 144 durch den ersten
Messwiderstand 110-1 Strom, und in jeder Abmagnetisierungsphase 142; 146 durch den zweiten Messwiderstand 110-2 Strom.
In Fig. 9E bis 9H sind die Stromverläufe für den Einsatz der Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 200 als Tiefsetzsteller wahrend der
Aufmagnetisierungsphase 140 und der Abmagnetisierungsphase 142 in der positiven Halbwelle und während der Aufmagnetisierungsphase 144 und der
Abmagnetisierungsphase 146 in der negativen Halbwelle gezeigt.
Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen fur die Hochtiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 200 der Fig. 9E bis 9H als Tiefsetzsteller kann wie folgt zusammengefasst werden:
24 151
LU501057
Hochtiefsetzsteller als Tiefsetzsteller, Wechselstromquelle,
Schalterstellungen
Halbwelle | Magnet.- | S1 S2 S3 Sa Ss Se phase positiv Auf Leitend | Nicht- | Leitend | Nicht- | Nicht- | Leitend leitend Leitend | Leitend
Ab Nicht- | Leitend leitend negativ Auf Nicht- | Leitend Leitend | Nicht-
Leitend Leitend
Ab Leitend | Nicht-
Leitend
Im Einsatz als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 dienen somit der erste Halbleiterschalter (S1) 112 und der zweite
Halbleiterschalter (S2) 114 zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140; 144 und Abmagnetisierungsphase 142; 146. Die funften und sechsten
Halbleiterschalter (Ss) 202 und (Se) 204 dienen beim Einsatz als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter zum Umschalten zwischen positiver und negativer Halbwelle.
Im Einsatz als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 fließt in jeder Aufmagnetisierungsphase 140; 144 und jeder
Abmagnetisierungsphase 142; 146 Strom durch den zweiten Messwiderstand 110-2.
Die beiden Messwiderstande 110-1; 110-2 sind nur beispielhaft gezeigt. Analog zur an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Tiefsetzsteller-Anordnung 100 der Fig. 8A bis 8D können weitere Messwiderstände an anderen Stellen im
Schaltbild vorgesehen sein.
Die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 mit Anschluss an eine
Wechselstromquelle kann durch Beschränkung auf eine (beispielsweise die positive) Halbwelle als Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 mit
Anschluss an eine Gleichstromquelle gelesen werden, in der der fünfte und sechste Halbleiterschalter (Ss) 202 und (Se) 204 durch eine galvanische
Trennung und eine leitende Verbindung ersetzt werden für die Wahl der positiven Halbwelle bzw. andersherum für die Wahl der negativen Halbwelle.
Fig. 10A und 10B zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sperrwandler-
Schaltungsanordnung 300 mit Anschluss an eine Wechselstromquelle während der positiven bzw. negativen Halbwelle. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 umfasst zwei Stromkreise, die über eine erste Induktivität 104 und eine zweite Induktivität 302 induktiv gekoppelt sind. Die erste Induktivität 104 ist wahlweise Uber einen ersten Halbleiterschalter (S1) 112 an die Pole 102-1; 102-2 der Wechselstromquelle angeschlossen.
Die zweite Induktivität 302 ist im ersten Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-
Schaltungsanordnung 300 wahlweise Uber einen zweiten Halbleiterschalter (Sa) 114 an einen elektrischen Verbraucher 108 und eine parallel geschaltete
Kapazität 106 angeschlossen.
Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen fur das erste
Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 der Fig. 10A und 10B kann wie folgt zusammengefasst werden:
Sperrwandler (1. Ausführungsbsp.), Wechselstromquelle,
Schalterstellungen phase positiv Auf Leitend | Nicht- | Leitend | Nicht- | Leitend | Nicht- leitend Leitend Leitend
Ab Nicht- | Leitend | Nicht- Nicht- leitend Leitend Leitend negativ Auf Leitend | Nicht- | Nicht- | Leitend | Nicht- | Leitend
Leitend | Leitend Leitend
Ab Nicht- | Leitend Nicht- Nicht-
Leitend Leitend Leitend
Im ersten Ausführungsbeispiel dienen somit der erste Halbleiterschalter (S1) 112 und der zweite Halbleiterschalter (Sz) 114 zum Umschalten zwischen
Aufmagnetisierungsphase 140; 144 (Stromfluss jeweils im linken Stromkreis der
Fig. 10A und 10B) und Abmagnetisierungsphase 142; 146 (Stromfluss jeweils im rechten Stromkreis der Fig. 10A und 10B).
26 / 51
LU501057
Die vier weiteren Halbleiterschalter (Ss) 116, (Sa) 118, (Ss) 202 und (Se) 204 wirken im ersten Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 gemeinsam als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter.
In dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 10A und 10B der Sperrwandler-
Schaltungsanordnung 300 fließt durch den ersten Messwiderstand 110-1 im
Stromkreis der ersten Induktivität 104 und der Wechselstromquelle während jeder Aufmagnetisierungsphase 140; 144 Strom. Während jeder
Abmagnetisierungsphase 142; 146 fließt durch den zweiten Messwiderstand 1102-2 im Stromkreis der zweiten Induktivitat 302, des elektrischen
Verbrauchers 108 und der Kapazität 106 Strom.
Fig. 11A und 11B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sperrwandler-
Schaltungsanordnung 300 mit Anschluss an eine Wechselstromquelle während der positiven bzw. negativen Halbwelle. Die Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 umfasst zwei Stromkreise, die über eine erste Induktivität 104 und eine zweite Induktivität 302 bzw. eine dritte Induktivität 304 induktiv gekoppelt sind.
Die erste Induktivität 104 ist wahlweise Uber einen ersten Halbleiterschalter (S1) 112 an die Pole 102-1; 102-2 der Wechselstromquelle angeschlossen.
Die zweite Induktivität 302 ist wahlweise Uber einen zweiten Halbleiterschalter (S2) 114 und die dritte Induktivität 304 ist wahlweise über einen dritten
Halbleiterschalter (Ss) 116 im zweiten Ausfuhrungsbeispiel der Sperrwandler-
Schaltungsanordnung 300 an einen elektrischen Verbraucher 108 und eine parallel geschaltete Kapazitat 106 angeschlossen.
Die Steuerung der Halbeiterschalter-Stellungen fur das zweite
Ausführungsbeispiel der Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 der Fig. 11A und 11B kann wie folgt zusammengefasst werden:
Sperrwandler (2. Ausfiihrungsbsp.),
Wechselstromquelle, Schalterstellungen
Halbwelle | Magnet.-phase positiv Auf Leitend | Nicht- | Nicht-
Leitend | Leitend
Ab Nicht- | Leitend leitend negativ Auf Leitend | Nicht- | Nicht-
Leitend | Leitend
Ab Nicht- Leitend
Leitend
Im ersten Ausführungsbeispiel dient somit der erste Halbleiterschalter (S1) 112 zum Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140; 144 (Stromfluss
Jeweils im linken Stromkreis der Fig. 11A und 11B in der positiven bzw. negativen Halbwelle). Der zweite Halbleiterschalter (Sz) 114 dient zum
Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 140 und
Abmagnetisierungsphase 142 wahrend der positiven Halbwelle (Stromfluss im rechten Stromkreis der Fig. 11A). Der dritte Halbleiterschalter (Ss) 116 dient zum
Umschalten zwischen Aufmagnetisierungsphase 144 und
Abmagnetisierungsphase 146 wahrend der negativen Halbwelle (Stromfluss im rechten Stromkreis der Fig. 11B).
Im zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 11A und 11B fließt durch die erste
Induktivitat 104 Wechselstrom, und die wahlweise leitende Schaltung der zweiten Induktivitat 302 und dritten Induktivität 304 wirkt als Polrichter, insbesondere als Gleichrichter.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 11A und 11B der Sperrwandler-
Schaltungsanordnung 300 fließt durch den ersten Messwiderstand 110-1 im
Stromkreis der ersten Induktivität 104 und der Wechselstromquelle während jeder Aufmagnetisierungsphase 140; 144 Strom. Wahrend jeder
Abmagnetisierungsphase 142; 146 fliel3t durch den zweiten Messwiderstand 1102-2 im Stromkreis der zweiten Induktivität 302 während der positiven
Halbwelle bzw. der dritten Induktivität 304 während der negativen Halbwelle, des elektrischen Verbrauchers 108 und der Kapazität 106 Strom.
Eine Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300 mit Anschluss an eine
Gleichstromquelle kann entsprechend der Wahl einer Halbwelle des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels gewählt werden, indem beispielsweise jeweils der erste Halbleiterschalter (S1) 112 und der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 zum
Umschalten zwischen den Magnetisierungsphasen dienen. Der weitere
Halbleiterschalter (Ss) 116, sowie im ersten Ausführungsbeispiel die weiteren
Halbleiterschalter (S4) 118, (Ss) 202 und (Ss) 204 können jeweils durch eine festgelegte Schaltungsanordnung ersetzt werden, zum Beispiel gemäß der
Schaltung in der positiven Halbwelle der obenstehenden Tabellen.
Im Folgenden wird ein je Ausführungsbeispiel anhand der Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnungen 100 mit Gleichstromquelle gemäß Fig. 7A und 7B sowie mit Wechselstromquelle gemäß Fig. 8A bis 8D beschrieben.
In dem Ausführungsbeispiel wird die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 an der Grenzlücke (Englisch: „Boundary Conduction Mode“, kurz: „BCM“) betreiben. Die Zeit ton zum Aufmagnetisieren der Induktivität (L) 104 wird proportional zur Leistung gehalten und wird von einem Spannungsregler vorgegeben, der die Ausgangsspannung der Schaltung, beispielsweise über dem elektrischen Verbraucher 108, konstant halten soll.
Die Zeit tor zum Abmagnetisieren der Induktivität (L) 104 wird in dem
Ausführungsbeispiel der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 eingestellt.
Beispielsweise wird ein verschwindendes Stromsignal (Englisch: „Zero Current
Detection“, kurz: ZCD) erzeugt, das herkömmlicherweise durch den
Umladevorgang einer Diode 12 hervorgerufen wird.
In einer Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 (auch: Tiefsetzsteller-
Topologie), in der die Funktion der Diode 12 durch einen Halbleiterschalter 114 realisiert wird, kann ZCD jedoch nicht ohne eine Steuerung 150 erzeugt werden, da der Halbleiterschalter 114 nicht von selbst sperrt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Zeitpunkt, an dem der zweite
Halbleiterschalter 114 abschalten soll, im Voraus (beispielsweise vor Ablauf einer veränderbaren Zeitdauer tor der Abmagnetisierungsphase, an deren Ende der zweite Halbleiterschalter 114 abgeschaltet wird) bestimmt (beispielsweise berechnet) und die Bestimmung (beispielsweise Berechnung) durch ein Messen und/oder Steuern (insbesondere Regeln) des Stroms, insbesondere mittels eines
Messwiderstands 110-1, 110-2 oder 110-3 zu einem festgelegten Zeitpunkt innerhalb einer Periode aus je einer Auf- und Abmagnetisierungsphase, korrigiert.
Die Zeitdauer tor der Abmagnetisierungsphase, in der der erste Halbleiterschalter geöffnet und der zweite geschlossen ist, wird herkömmlicherweise nach Formel (2) bestimmt.
Die herkömmliche Bestimmung kann durch Toleranzen und anderer Faktoren wie Verzögerungen in Treibern zu einer Abweichung eines tatsächlichen
Stromwert in der Induktivität (L) 104 gegenüber einem vorgegebenen Stromwert einer idealen verlustfreien Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 führen.
Somit wird geprüft werden, welcher tatsächliche Stromwert in der Induktivität (L) 104 am Ende der Abmagnetisierungsphase erreicht wurde.
Die erforderliche Information des Stroms kann beispielsweise aus dem
Strompfad des Halbleiterschalters (S2) 114 der Fig. 7A und 7B herangezogen werden. Mit Hilfe des Messwiderstandes 110-1 lässt sich eine Messspannung erzeugen, die proportional zum Storm durch den Halbleiterschalter 114 ist.
Alternativ oder ergänzend kann mittels des Messwiderstands (beispielsweise als „Shunt R1“ bezeichnet in Fig. 7A und 7B) 110-2 im Strompfad des ersten
Halbleiterschalters (S1) 112 ein Stromwert während der Zeitdauer ton der
Aufmagnetisierungsphase der Induktivität 104 gemessen werden. Im
Ausführungsbeispiel der Fig. 7A ist der Halbleiterschalter (S1) 112 während der
Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase an eine positive Eingangsspannung
Vin mit Pluspol 102-1 und Minuspol 102-2 angeschlossen.
Die Anordnung des ersten Messwiderstands 110-1 und/oder des zweiten
Messwiderstands 110-2 zwischen dem elektrischen Verbraucher 108 und dem
Minuspol 102-2 und/oder nahe einer am Knotenpunkt 128 angeschlossenen
Erdung kann auch als Anordnung im „Low Side Pfad“ bezeichnet werden.
Fig. 12 zeigt beispielhaft einen gemessenen Stromverlauf durch die Induktivität 104 der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der Fig. 7A und 7B bei positiver Eingangsspannung Vin mit zeitlichem Regelverlauf umfassend die festgelegte Zeitdauer (ton) 1202 der Aufmagnetisierungsphase, veränderbare
Zeitdauer (torr) 1204-1; 1204-2; 1204-3 der Abmagnetisierungsphase und der resultierenden Periode (Tperiode) 1206-1; 1206-2; 1206-3 sowie eine entsprechende Änderung (tofset) 1208 (auch: Ausregelzeit, Zeitkorrektur und/oder
Stellglied eines Stromreglers zur Korrektur der Stromgrenze) der veränderbaren
Zeitdauern.
Die notwendige Information, um die untere Stromschwelle 1214 ausregeln zu können, ist in dem Strom durch einen Messwiderstand enthalten, beispielsweise
Messwiderstand 110-2 im Strompfad des ersten Halbleiterschalters 112 der Fig. 7A. Der Strom 1210 fließt während der Aufmagnetisierungsphase (ton) 1202 durch den ersten Halbleiterschalter 112. Der Strom 1214 zum Zeitpunkt am
Anfang der Aufmagnetisierungsphase soll konstant auf einem (beispielsweise negativen) Referenzwert (Irer) 1218 gehalten werden. Daher ist es beispielsweise günstig, den Strom 1210 möglichst in der Nähe des
Umschaltzeitpunktes von der Abmagnetisierungsphase zur
Aufmagnetisierungsphase zu messen.
Die durchgezogene Linie lv am Bezugszeichen 1210 bezeichnet den Strom durch den ersten Halbleiterschalter 112, der in der Aufmagnetisierungsphase (ton) 1202 mit dem Strom durch die Induktivität (L) 104 übereinstimmt. Während der Abmagnetisierungsphase 1204-1; 1204-2; 1204-3 fließt der Strom IL am
Bezugszeichen 1212 durch die Induktivität (L) 104 und den zweiten
Halbleiterschalter 114.
ler (t-1) am Bezugszeichen 1216-1 bezeichnet den gemessenen Stromfehler zwei Schaltzyklen zurückliegend, und ler am Bezugszeichen 1216-2 den zuletzt gemessenen Stromfehler.
Der gemessene (auch eingelesene) Stromwert 1214 wird in die Steuerung 150, beispielsweise einen DSP oder Mikrokontroller eingespeist zur Bestimmung der
Zeitdauer tor der Abmagnetisierungsphase und/oder der Periodendauer Tperiode.
Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Steuerung der
Halbleiterschalter 112; 114 der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100 der Fig. 7A und 7B während einer Aufmagnetisierungsphase und einer
Abmagnetisierungsphase einer Induktivität 104.
Das Verfahren kann von der Steuereinheit 150, beispielsweise umfassend einen
DSP und/oder Mikrokontroller, ausgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren als Regelstruktur bezeichnet werden.
Mit Hilfe der Steuereinheit 150, beispielsweise eines DSPs, wird aus den
Informationen zur Eingangsspannung (Vin) 1302 und Ausgangsspannung (Vout) 1304, die an Bezugszeichen 1312 mit einer Referenzausgangsspannung (Vout_rer) 1306 verglichen wird, und eines (beispielsweise Proportional-Integral- )Reglers 1318, der die Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase stellt oder bestimmt, eine Periode Tperiode VOrberechnet (beispielsweise am Bezugszeichen 1316 und/oder gemäß Formel (2) addiert mit ton), mit welcher der Strom IL durch die Induktivität 104 die untere Stromschwelle 1218 erreichen müsste.
Nach Beenden der Periode sind beide Halbleiterschalter 112 und 114 aus, und kurze Zeit später wird der erste Halbleiterschalter (S1) 112 wieder eingeschaltet.
Der Messwiderstand 110-2 (auch: Shunt R1) ist stromführend, und direkt nach dem Schalten des ersten Halbleiterschalters (S1) 112 wird der Stromwert 1214 gemessen. Weicht der gemessene Stromwert 1214 am Referenzzeichen 1314 vom Referenzstromwert 1218 ab, so stellt ein Stromregler (auch: ,lbux-Regler”
oder kurz „Ip Regler“) 1320 eine Abweichung toftset ein, die bei Bezugszeichen 1322 auf die bisher berechnete Periode addiert wird. Die Zeitdauer T periode einer
Periode bei Bezugszeichen 1322 und die Zeitdauer ton der
Aufmagnetisierungsphase bei Bezugszeichen 1324 werden bei Bezugszeichen 1326 einer Pulswellenmodulation (Englisch: „pulse width modulation“, kurz:
PWM) zugeführt, welche die Halbleiterschalter (beispielsweise 112 und 114 im
Ausführungsbeispiel der Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung der Fig. 7A und 7B), insbesondere hochfrequent, steuert.
So nähert sich der Stromwert 1214 im Messzeitpunkt der nächsten Periode (auch: im nächsten Puls) dem Referenzstromwert 1218 an. Der Stromregler 1320 gleicht den Strom 1214 im Messpunkt dem Referenzstrom 1218 an. Als
Referenzstromwert 1218 wird beispielsweise gemäß Fig. 12 der untere
Grenzwert des (beispielsweise dreieckférmigen) Drosselstromes IL 1210; 1212 verwendet.
Der vorstehende beschriebene Zeitpunkt der Messung des Stromwerts 1214 ist lediglich beispielhaft. Das Verfahren kann an jedem anderen Punkt einer
Stromflanke, beispielsweise der Stromflanke 1210, ausgeführt werden, indem eine Bestimmung des Referenzstromwerts 1218 angepasst wird.
Mittels einer anderen Wahl des Referenzstromwerts kann beispielsweise ein
Durchschnittsstrom (Englisch: „Average Current“) geregelt werden.
Beispielsweise kann die Tiefsetzer-Schaltungsanordnung 100 bei einem
Durchschnittsstrom als Referenzstrom im nicht-lückenden Betrieb (CCM) betrieben werden.
Alternativ oder ergänzend kann, beispielsweise unter Einsatz eines
Stromwandlers und/oder durch Umlegen des Bezugspotenzials, beispielsweise der am Knotenpunkt 128 in Fig. 7A und 7B gezeigten Erdung, eine
Strommessung durch den zweiten Halbleiterschalter (Sz) 114 verwendet werden, beispielsweise als Eingangswert 1214 im Verfahren der Fig. 13.
Beispielsweise kann an dem Messwiderstand 110-1 (auch Shunt R3) der (beispielsweise dreieckförmige) Strom 1210; 1212 durch die Induktivität 104 gemessen werden. Durch eine dauerhafte Stromführung, insbesondere sowohl in der Aufmagnetisierungsphase als auch der Abmagnetisierungsphase in Fig. 7A bzw. 7B, können Verwendung des Messwiderstands 110-1 höhere Verluste eintreten als bei der Verwendung des Messwiderstands 110-2, der nur in der
Aufmagnetisierungsphase der Fig. 7A stromführend ist.
Fig. 8A bis 8D zeigen eine Verallgemeinerung der Tiefsetzsteller-Schaltung 100 für eine Wechselstromquelle, die auch als „Buck-Converter als Bridgeless PFC
Topologie“ bezeichnet werden kann.
In der in Fig. 8A und 8B gezeigten positiven Halbwelle können entsprechend der
Tiefsetzsteller-Schaltung 100 der Fig. 7A und 7B Stromwerte wahlweise über den Messwiderstand 110-2 während der Aufmagnetisierungsphase 140 oder durch den Messwiderstand 110-1 während der ganzen Periode gemessen werden. Alternativ oder ergänzend können ein oder mehrere Stromwerte während der Abmagnetisierungsphase 142 an einem Messwiderstand 110-3 im
Strompfad des zweiten Halbleiterschalters (S2) 114, oder über (nicht gezeigte)
Stromwandler in den Strompfaden des ersten Halbleiterschalters (S1) 112 und/oder des zweiten Halbleiterschalters (S2) 114, gemessen werden.
Die Halbleiterschalter (Ss) 116 und (S4) 118 in Fig. 8A bis 8D dienen als
Polwender und werden je nach Polarität der Eingangsspannung im Wechsel voneinander eingeschaltet.
Bei positiver Eingangsspannung wird der vierte Halbleiterschalter (Sa) 118 eingeschaltet, und die Regelung und Funktionalität der Halbleiterschalter (S1) 112 und (S2) 114 verhält sich wie für die positive Gleichstromquelle beschrieben.
Bei negativer Eingangsspannung wird der vierte Halbleiterschalter (Sa) 118 ausgeschaltet, und der dritte Halbleiterschalter (Siz) 116 ist eingeschaltet. Nun wird der zweite Halbleiterschalter (S2) 114 eingeschaltet, um die Induktivität 114 bei Bezugszeichen 144 aufmagnetisieren zu können, und der Halbleiterschalter (S1) 112 wird eingeschaltet für die Abmagnetisierungsphase 146.
Die Stromrichtung durch den Messwiderstand 110-2 (auch: Shunt R1) ist bei negativer Eingangsspannung gegenüber der Stromrichtung bei positiver
Eingangsspannung umgekehrt. Ein festgelegter Zeitpunkt der Messung muss sich in diesem Fall (beispielsweise im Vergleich zu einer positiven
Gleichstromquelle) nicht ändern. Der Strom, der durch den Messwiderstand 110- 2 (auch: Shunt R1) gemessen wird, zeigt den Strom durch die Induktivität während der Aufmagnetisierungsphase 140 der positiven Halbwelle in Fig. 8A und/oder der Aufmagnetisierungsphase 144 der negativen Halbwelle in Fig. 8C.
Ein Bezugspotenzial (Englisch: „ground“, kurz: GND) kann in der Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnung 100 der Fig. 8A bis 8D auf den negativen Kontakt zur
Versorgungsspannung gelegt werden, was beispielsweise den Neutralleiter beschreiben kann.
Um das üblicherweise stôrungsärmere Potenzial des Messwiderstands 110-1 (auch: Shunt R3) und der Kapazität 106 zu verwenden, kann auch die
Strominformation über den Messwiderstand 110-1 (auch: Shunt R3) herangezogen werden. Ein möglicher Nachteil der Strommessung über dem
Messwiderstand 110-1 ist, dass die vier Halbleiterschalter (S1, S2, Ss und Sa) 112, 114, 116 und 118 alle potenzialgetrennt angesteuert werden müssen.
Daher ist der Schaltungsaufwand bei dem dargestellten Bezugspotenzial nahe dem Messwiderstand 110-3 (auch: Shunt R4) geringer.
Im Falle einer Nutzung der Strominformation des Messwiderstands 110-3 (auch
Shunt R4) ist der Zeitpunkt der Messung von der Polarität abhängig. Der zweite
Halbleiterschalter (Sz) 114 führt bei positiver Eingangsspannung den
Abmagnetisierungsstrom 142 und bei negativer Eingangsspannung den
Aufmagnetisierungsstrom 144. Die Stromrichtung durch den Messwiderstand 110-3 (auch: Shunt R4) ist von der Polarität der Versorgungsspannung unabhängig.
Das Verfahren zur Steuerung der Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung während einer Aufmagnetisierungsphase und einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivität 104 kann für weitere Schaltungsanordnungen, beispielsweise den Hochtiefsetzsteller- und Sperrwandler-Schaltungsanordnungen 200 bzw. 300 der Fig. 9A bis 9H, Fig. 10A und 10B sowie Fig. 11A und 11B, eingesetzt werden.
Für jede Schaltungsanordnung 100; 200; 200 kann mittels des Verfahrens eine veränderbare Zeitdauer, beispielsweise tor der Abmagnetisierungsphase, angepasst (auch: korrigiert) werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere fur
Schaltungsanordnungen (auch: Topologien) 100; 200; 300, die quasiresonant geschaltet werden kénnen. Das Verfahren kann beispielsweise bei
Sperrwandler-Schaltungsanordnungen 300, insbesondere mit Polrichter (beispielsweise einem Gleichrichter oder Synchrongleichrichter), bei
Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnungen 200 mit einem zweiten
Halbleiterschalter (S2) 114 statt einer Diode, bei Tiefsetzsteller-
Schaltungsanordnungen 100 wie hier beschrieben und bei Hochsetzsteller-
Schaltungsanordnungen (Englisch: „Boost Converter“ oder ,Step-up Converter“) eingesetzt werden.
Die Regelung der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200 als
Hochsetzsteller-Schaltungsanordnung mit Gleichstromquelle und/oder
Wechselstromquelle kann auch auf die Schaltbilder der deutschen
Patentanmeldungen 102020117180.3 ,Aufwértswandler für eine
Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers sowie Stromversorgung und
Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer
Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers”, 10 2020 120 530.9 „Hochsetzsteller-Schaltungsanordnung, Stromversorgung und Verfahren zur
Auswärtswandlung einer Eingangsspannung” und 102020126471.2 ,Hochsetzsteller-Schaltungsanordnung, Stromversorgung und Verfahren zur
Auswärtswandlung einer Eingangsspannung” angewendet werden.
36 / 51
LU501057
Wie anhand vorstehender Ausführungsbeispiele ersichtlich, kann durch die erfindungsgemafen Schalteranordnungen 100; 200 und 300 ein verlustarmes
Schalten der Halbleiterschalter bei einem stabilen, beispielsweise negativen,
Stromanteil erreicht werden. Insbesondere kann eine Zeitdauer einer
Aufmagnetisierungsphase festgelegt sein und eine Zeitdauer einer
Abmagnetisierungsphase in Abhängigkeit von dem, beispielsweise negativen,
Stromanteil veränderbar sein. Insbesondere kann der, beispielsweise negative,
Stromanteil über einem Messwiderstand zu einem oder wenigen vorbestimmten
Zeitpunkten während einer Periode umfassend eine Auf- und
Abmagnetisierungsphase gemessen werden.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist für Fachkundige ersichtlich, dass verschiedene
Änderungen vorgenommen werden können und Aquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten
Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
37 151
LU501057
Bezugszeichenliste
Herkômmiliche Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 10
Diode 12
Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 100
Erster Pol der Stromquelle 102-1
Zweiter Pol der Stromquelle 102-2
Induktivitat 104
Kapazitat 106
Last / elektrischer Verbraucher 108
Strommessstelle, optional Messwiderstand oder Shunt 110-1; 110-2; 110-3
Erster Halbleiterschalter (S1) 112
Zweiter Halbleiterschalter (Sz) 114
Dritter Halbleiterschalter (Ss) 116
Vierter Halbleiterschalter (Sa) 118
Erster Knotenpunkt 122
Zweiter Knotenpunkt 124
Dritter Knotenpunkt 126
Vierter Knotenpunkt 128
Fünfter Knotenpunkt 130
Sechster Knotenpunkt 132
Strompfad, positive Halbwelle, Aufmagnetisierungsphase 140
Strompfad, positive Halbwelle, Abmagnetisierungsphase 142
Strompfad, negative Halbwelle, Aufmagnetisierungsphase 144
Strompfad, negative Halbwelle, Abmagnetisierungsphase 146
Steuereinheit 150
Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung 200
Fünfter Halbleiterschalter (Ss) 202
Sechster Halbleiterschalter (Se) 204
Sperrwandler-Schaltungsanordnung 300
Zweite Induktivität 302
Dritte Induktivität 304
Festgelegte Zeitdauer ton der Aufmagnetisierungsphase 1202
Veränderbare Zeitdauer tor der Abmagn.-phase 1204-1; 1204-2; 1204-3
Periodendauer T periode 1206-1; 1206-2; 1206-3
Änderung tortset VON torr, Tperiode 1208
Strom durch ersten Halbleiterschalter (S1) 1210
Strom durch zweiten Halbleiterschalter (Sz) 1212
Gemessener unterer Stromwert 1214
Abweichung des unteren Stromwerts vom Referenzstromwert 1216-1; 1216-2
Referenzstromwert 1218
Eingangsspannung (Vin) 1302
Ausgangsspannung (Vout) 1304
Referenzausgangsspannung (Vout ref) 1306
Vergleich der Spannungswerte 1312
Vergleich der Stromwerte 1314
Gleichung 1316
Proportional-Integral-Regler (PIl-Regler) 1318
Stromregler 1320
Timer (bzw. Zeitgeber) der Periode 1322
Timer (bzw. Zeitgeber) der Aufmagnetisierungsphase 1324
PWM-Ausgabe 1326

Claims (16)

Patentansprüche
1. Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers (108), umfassend: eine zwischen einem ersten Knotenpunkt (122) und einem zweiten Knotenpunkt (124) geschaltete Induktivität (104); eine zwischen dem zweiten Knotenpunkt (124) und einem dritten Knotenpunkt (126) geschaltete Kapazität (106); einen zwischen dem zweiten Knotenpunkt (124) und dem dritten Knotenpunkt (126) parallel zur Kapazität (106) geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers (108); eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Tiefsetzsteller- Schaltungsanordnung (100) speisenden Stromquelle (102), wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol (102-1), der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol (102-2), der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist; einen ersten Halbleiterschalter (112), der dazu angeordnet ist, den ersten Pol (102-1) mit dem ersten Knotenpunkt (122) wahlweise leitend zu verbinden; einen zweiten Halbleiterschalter (114), der dazu angeordnet ist, den ersten Knotenpunkt (122) und den dritten Knotenpunkt (126) über einen vierten Knotenpunkt (128) wahlweise leitend zu verbinden; mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3), die in einem den ersten Knotenpunkt (122), den zweiten Knotenpunkt (124) und den dritten Knotenpunkt (126) umfassenden Strompfad hinter dem dritten Knotenpunkt (126) angeordnet ist; und eine Steuereinheit (150), die dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter (112) während einer festgelegten Zeitdauer, ton, einer Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer, tor, einer
Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und den zweiten Halbleiterschalter (114) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten; wobei die festgelegte Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem vorgegebenem maximalem Strom durch die Induktivität (104) festgelegt ist; und wobei die veränderbare Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem Vergleich eines vorgegebenen minimalen Stroms durch die Induktivität (104) und eines über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) messbaren Stroms veränderbar ist.
2. Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die die Eingangseinheit speisende Stromquelle (102) eine Wechselstromquelle umfasst, wobei der erste Pol (102-1) in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol (102-2) in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt; wobei die Tiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (100) ferner einen dritten Halbleiterschalter (116), der den vierten Knotenpunkt (128) über einen fünften Knotenpunkt (130) mit dem ersten Pol (102-1) wahlweise leitend verbindet, und einen vierten Halbleiterschalter (118), der den vierten Knotenpunkt (128) über den fünften Knotenpunkt (130) mit dem zweiten Pol (102-2) wahlweise leitend verbindet, umfasst; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der positiven Halbwelle den dritten Halbleiterschalter (116) nicht-leitend und den vierten Halbleiterschalter (118) leitend zu schalten;
wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der negativen Halbwelle den dritten Halbleiterschalter (116) leitend und den vierten Halbleiterschalter (118) nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) leitend zu schalten; und wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der veranderbaren Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) nicht-leitend zu schalten.
3. Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, umfassend: eine zwischen einem ersten Knotenpunkt (122) und einem zweiten Knotenpunkt (124) geschaltete Induktivität (104); eine zwischen einem dritten Knotenpunkt (126) und einem vierten Knotenpunkt (128) geschaltete Kapazität; einen zwischen dem dritten Knotenpunkt (126) und dem vierten Knotenpunkt (128) parallel zur Kapazität (106) geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers (108); eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Hochtiefsetzsteller- Schaltungsanordnung (200) speisenden Stromquelle (102), wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol (102-1), der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol (102-2), der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist; einen ersten Halbleiterschalter (112), der dazu angeordnet ist, den ersten Pol (102-1) mit dem ersten Knotenpunkt (122) wahlweise leitend zu verbinden; einen zweiten Halbleiterschalter (114), der dazu angeordnet ist, den ersten Knotenpunkt (122) und den vierten Knotenpunkt (128) über einen fünften Knotenpunkt (130) und einen sechsten Knotenpunkt (132) wahlweise leitend zu verbinden;
einen dritten Halbleiterschalter (116), der dazu angeordnet ist, den zweiten Knotenpunkt (124) und den dritten Knotenpunkt (126) wahlweise leitend zu verbinden; einen vierten Halbleiterschalter (118), der dazu angeordnet ist, den zweiten Knotenpunkt (124) und den fünften Knotenpunkt (130) wahlweise leitend zu verbinden; mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2), die in einem den vierten Knotenpunkt (128) und den fünften Knotenpunkt (130) umfassend Strompfad und/oder den vierten Halbleiterschalter (118) und den fünften Knotenpunkt (130) umfassenden Strompfad angeordnet ist; und eine Steuereinheit (150), die dazu ausgebildet ist, in einer Funktion als Tiefsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) den ersten Halbleiterschalter (112) während einer festgelegten Zeitdauer, ton, einer Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer, to, einer Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, in der Funktion als Tiefsetzsteller den zweiten Halbleiterschalter (114) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten, in der Funktion als Tiefsetzsteller den dritten Halbleiterschalter (116) leitend zu schalten und den vierten Halbleiterschalter (118) nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) in einer Funktion als Hochsetzsteller der Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) ferner dazu ausgebildet ist, zumindest in einer positiven Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) nicht-leitend zu schalten, wobei die Steuereinheit (150) in der Funktion als Hochsetzsteller ferner dazu ausgebildet ist, den vierten Halbleiterschalter (118) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, tor, der Aomagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und in der Funktion als Hochsetzsteller den dritten Halbleiterschalter (116) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, torr, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten: wobei die festgelegte Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem vorgegebenem maximalem Strom durch die Induktivität (104) festgelegt ist; und wobei die veränderbare Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem Vergleich eines vorgegebenen minimalen Stroms durch die Induktivität (104) und eines über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) messbaren Stroms veränderbar ist.
4. Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) nach Anspruch 3, wobei die die Eingangseinheit speisende Stromquelle (102) eine Wechselstromquelle umfasst, wobei der erste Pol (102-1) in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol (102-2) in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt: wobei die Hochtiefsetzsteller-Schaltungsanordnung (200) ferner einen fünften Halbleiterschalter (202), der den sechsten Knotenpunkt (132) mit dem ersten Pol (102-1) wahlweise leitend verbindet, und einen sechsten Halbleiterschalter (204), der den sechsten Knotenpunkt (132) mit dem zweiten Pol (102-2) wahlweise leitend verbindet, umfasst; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der positiven Halbwelle den fünften Halbleiterschalter (202) nicht-leitend und den sechsten Halbleiterschalter (204) leitend zu schalten;
44 / 51 LU501057 wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, während der negativen Halbwelle den fünften Halbleiterschalter (202) leitend und den sechsten Halbleiterschalter (204) nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Tiefsetzsteller während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Tiefsetzsteller während der veränderbaren Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Hochsetzsteller während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) leitend zu schalten; und wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, in der Funktion als Hochsetzsteller in der negativen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (112) nicht-leitend und den zweiten Halbleiterschalter (114) leitend zu schalten.
5. Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, umfassend: eine erste Induktivität (104) und eine zweite Induktivität (302), wobei die erste Induktivität (104) und die zweite Induktivität (302) induktiv gekoppelt sind, wobei die erste Induktivität (104) und die zweite Induktivität (302) galvanisch getrennt sind, und wobei die zweite Induktivität (302) an einen ersten Knotenpunkt (112) angeschlossen ist; eine zwischen dem ersten Knotenpunkt (122) und einem zweiten Knotenpunkt (124) geschaltete Kapazität (106);
einen zwischen dem ersten Knotenpunkt (122) und dem zweiten Knotenpunkt (124) parallel zur Kapazität (106) geschalteten Gleichspannungsausgang zum Anschluss des Verbrauchers (108); eine Eingangseinheit zum Anschluss einer die Sperrwandler-
Schaltungsanordnung (300) speisenden Stromquelle (102), wobei die Eingangseinheit einen ersten Pol (102-1), der zumindest in einer positiven Halbwelle als Pluspol wirkt, und einen zweiten Pol (102-2), der zumindest in der positiven Halbwelle als Minuspol wirkt, aufweist;
einen ersten Halbleiterschalter (112), der dazu angeordnet ist, zumindest in der positiven Halbwelle die erste Induktivität (104) mit dem zweiten Pol (102-2) wahlweise leitend zu verbinden; einen zweiten Halbleiterschalter (114), der zwischen dem zweiten Knotenpunkt (124) und der zweiten Induktivität (302) dazu angeordnet ist, die zweite Induktivität (302) und die Kapazität (106) wahlweise leitend zu verbinden; mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2), der in einem den ersten Halbleiterschalter (112) und die Stromquelle (102) umfassenden Strompfad und/oder in einem den zweiten Knotenpunkt (124) und zweiten Halbleiterschalter (114) umfassenden Strompfad angeordnet ist; und eine Steuereinheit (150), die dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter (112) während einer festgelegten Zeitdauer, ton, einer Aufmagnetisierungsphase der ersten Induktivität (104) und der zweiten Induktivität (302) leitend und während einer veränderbaren Zeitdauer, tor, einer Abmagnetisierungsphase der ersten Induktivität (104) und der zweiten Induktivität (302) nicht-leitend zu schalten, und den zweiten Halbleiterschalter (114) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der ersten Induktivität (104) und der zweiten Induktivität (302) zumindest in der positiven Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase der ersten Induktivität (104) und der zweiten Induktivität (302) zumindest in der positiven Halbwelle leitend zu schalten;
46 / 51 LU501057 wobei die festgelegte Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem vorgegebenem maximalem Strom durch die Induktivität (104) festgelegt ist; und wobei die veränderbare Zeitdauer, tor, der Aomagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem Vergleich eines vorgegebenen minimalen Stroms durch die Induktivität (104) und eines über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) messbaren Stroms veränderbar ist.
6. Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) nach Anspruch 5, wobei die die Eingangseinheit speisende Stromquelle (102) eine Wechselstromquelle umfasst, wobei der erste Pol (102-1) in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol (102-2) in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt; wobei die Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) ferner einen dritten Halbleiterschalter (116), einen vierten Halbleiterschalter (118), einen fünften Halbleiterschalter (202) und einen sechsten Halbleiterschalter (204) umfasst, wobei der dritte Halbleiterschalter (126) dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität (104) wahlweise mit dem ersten Pol (102-1) zu verbinden, wobei der vierte Halbleiterschalter (118) dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität (104) wahlweise mit dem zweiten Pol (102-2) zu verbinden, wobei der fünfte Halbleiterschalter (130) dazu ausgebildet ist, den ersten Halbleiterschalter (112) wahlweise mit dem zweiten Pol (102-2) zu verbinden, und wobei der sechste Halbleiterschalter (132) dazu angeordnet ist, den ersten Halbleiterschalter (112) wahlweise mit dem ersten Pol (102-1) zu verbinden; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, den dritten Halbleiterschalter (116) und den fünften Halbleiterschalter (202) jeweils während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase der positiven Halbwelle nicht-leitend zu schalten, und den dritten Halbleiterschalter (116) und den fünften
Halbleiterschalter (202) jeweils während der negativen Halbwelle nicht- leitend zu schalten, wobei die Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, den vierten Halbleiterschalter (118) und den sechsten Halbleiterschalter (202) während der positiven Halbwelle jeweils nicht-leitend zu schalten, und den vierten Halbleiterschalter (118) und den sechsten Halbleiterschalter (204) während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase in der negativen Halbwelle jeweils leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase der negativen Halbwelle jeweils nicht-leitend zu schalten.
7. Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) nach Anspruch 5, wobei die die Eingangseinheit speisende Stromquelle (102) eine Wechselstromquelle umfasst, wobei der erste Pol (102-1) in einer negativen Halbwelle als Minuspol wirkt, wobei der zweite Pol (102-2) in der negativen Halbwelle als Pluspol wirkt; wobei die Sperrwandler-Schaltungsanordnung (300) ferner eine dritte Induktivität (304) und einen dritten Halbleiterschalter (116) umfasst, wobei der dritte Halbleiterschalter (116) dazu ausgebildet ist, die dritte Induktivität (304) wahlweise mit dem ersten Knotenpunkt (122) und dem zweiten Knotenpunkt (124) zu verbinden; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, den zweiten Halbleiterschalter (114) während der negativen Halbwelle nicht-leitend zu schalten; wobei die Steuereinheit (150) dazu ausgebildet ist, den dritten Halbleiterschalter (116) während der positiven Halbwelle und während der festgelegten Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase zumindest der ersten Induktivität (104) in der negativen Halbwelle nicht-leitend und während der veränderbaren Zeitdauer, torr, der Abmagnetisierungsphase zumindest der ersten Induktivität (104) der negativen Halbwelle leitend zu schalten.
48 / 51 LU501057
8. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei einer oder jeder der Halbleiterschalter (112; 114; 116; 118; 202; 204) einen MOSFET, insbesondere einen n-Kanal-MOSFET; einen bipolaren Transistor; einen Thyristor und/oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, umfassen.
9. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, die Schaltungsanordnung in mindestens einem von nicht-lückendem Betrieb, CCM; lückendem Betrieb, DCM; und auf einer Grenze zwischen dem nicht- lückenden und lückenden Betrieb, BCM, zu betreiben.
10. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) mindestens einen Messwiderstand (110-1; 110-2; 110-3) oder mindestens einen Hall-Sensor oder mindestens einen induktiven Stromwandler umfasst.
11. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) im Strompfad des ersten Halbleiterschalters (112) angeordnet ist, und wobei die Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, mindestens einen Stromwert während der Aufmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle und/oder in der negativen Halbwelle über der mindestens einen Strommessstelle (110- 1; 110-2; 110-3) zu messen.
12. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Stromwert genau einen Stromwert zu einem festgelegten Zeitpunkt der Aufmagnetisierungsphase umfasst, vorzugsweise zu Beginn der Aufmagnetisierungsphase und/oder in der Nähe eines Umschaltzeitpunkts vom nicht-leitenden zum leitenden Zustand des ersten Halbleiterschalters (112).
13. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) im Strompfad des zweiten Halbleiterschalters (114) angeordnet ist, und wobei die Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, mindestens einen Stromwert während der Abmagnetisierungsphase in der positiven Halbwelle und/oder in der negativen Halbwelle über der mindestens einen Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) zu messen.
14. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuereinheit (150) ferner dazu ausgebildet ist, mindestens einen oder jeden Halbleiterschalter (112; 114; 116; 118; 202; 204) in einem spannungslosen Zustand und/oder in einem stromlosen Zustand der Induktivitat (104) leitend zu schalten.
15. Schaltungsanordnung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuereinheit (150) mindestens eines von einem Digitalen Signalprozessor, DSP; einem Mikrokontroller mit Steuersoftware; einem Field Programmable Gate Array, FPGA; und einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, ASIC, umfasst.
16. Verfahren zur Steuerung der Halbleiterschalter einer Schaltungsanordnung (100; 200; 300) wahrend einer Aufmagnetisierungsphase und einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivitat (104), umfassend: Messen eines Stromwerts Uber mindestens einer Strommessstelle (110-1; 110-2; 110-3) einer der Schaltungsanordnungen (100; 200; 300) der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Stromwert während eines festgelegten Zeitpunkts einer Periode umfassend eine festgelegte Zeitdauer, ton, einer Aufmagnetisierungsphase und eine veränderbare Zeitdauer, tor, einer Abmagnetisierungsphase einer Induktivitat (104; 302; 304) gemessen wird, wobei die festgelegte Zeitdauer, ton, der Aufmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem vorgegebenem maximalem Strom durch die Induktivitat (104) festgelegt ist;
Vergleichen des gemessenen Stromwerts mit einem für den Zeitpunkt der Messung festgelegten Referenzstromwert; und Verändern der veränderbaren Zeitdauer, tor, der Abmagnetisierungsphase der Induktivität (104) in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichens des gemessenen Stromwerts mit dem Referenzstromwert.
LU501057A 2021-12-21 2021-12-21 Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung LU501057B1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LU501057A LU501057B1 (de) 2021-12-21 2021-12-21 Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung
PCT/EP2022/086704 WO2023117941A1 (de) 2021-12-21 2022-12-19 Steuerung von halbleiterschaltern einer spannungswandler-schaltungsanordnung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LU501057A LU501057B1 (de) 2021-12-21 2021-12-21 Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
LU501057B1 true LU501057B1 (de) 2023-06-21

Family

ID=80449173

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LU501057A LU501057B1 (de) 2021-12-21 2021-12-21 Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung

Country Status (2)

Country Link
LU (1) LU501057B1 (de)
WO (1) WO2023117941A1 (de)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190356228A1 (en) * 2016-12-15 2019-11-21 3D Plus High frequency dc voltage converter of the quasi-resonant buck type

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020120530A1 (de) 2020-08-04 2022-02-10 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Hochsetzsteller-Schaltungsanordnung, Stromversorgung und Verfahren zur Auswärtswandlung einer Eingangsspannung

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190356228A1 (en) * 2016-12-15 2019-11-21 3D Plus High frequency dc voltage converter of the quasi-resonant buck type

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CUI XIAOFAN; AVESTRUZ AL-THADDEUS: "A New Framework for Cycle-by-Cycle Digital Control of Megahertz-Range Variable Frequency Buck Converters", 2018 IEEE 19TH WORKSHOP ON CONTROL AND MODELING FOR POWER ELECTRONICS (COMPEL), 25 June 2018 (2018-06-25), pages 1 - 8, XP033402391, DOI: 10.1109/COMPEL.2018.8460055 *
RAMESH ORUGANTI, MOORTHI PALANIAPAN: "Inductor Voltage Control of Buck-Type Single-Phase AC-DC Converter", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, vol. 15, no. 1, 1 January 2000 (2000-01-01), USA , pages 1 - 7, XP011043416, ISSN: 0885-8993 *
VON JIAN LI: "Current Mode Control structure: Current-Mode Control: Modeling and Digital Application", 14 April 2009

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023117941A1 (de) 2023-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4321585C2 (de) Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler
DE102015108822B4 (de) System und Verfahren zum Stromabtasten in einem Schaltnetzteil
DE102006013524B4 (de) Schaltwandler mit mehreren Wandlerstufen
DE102010009039B4 (de) Verfahren und Steuerschaltungen zum Steuern von Gleichstromstellerschaltungen zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung bei verringertem durchschnittlichem Induktorstrom
AT516214B1 (de) DC/DC-Wandler
EP3028377B1 (de) Gleichspannungswandler
DE102015107957A1 (de) Einstufige Gleichrichtung und Regelung für drahtlose Ladesysteme
DE112018004109T5 (de) Digitale steuerung eines verschachtelten leistungswandlers im geschalteten boundary-modus
DE102011075008A1 (de) Controller für einen resonanten schaltwandler
DE102009001531A1 (de) Gleichrichterschaltung
DE102013111348A1 (de) Verfahren und Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer Entmagnetisierungsnullstromzeit
DE102013111675A1 (de) Verfahren und steuerung zum ermitteln einer entmagnetisierungsnullstromzeit für ein schaltnetzteil
DE102015116995A1 (de) Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur und Verfahren zum Betrieb
EP2193597A1 (de) Mehrkanaliger gleichstromsteller der unabhängig von der ausgangsleistung an der lückgrenze arbeitet
DE112014004505T5 (de) Elektrische Energieumwandlungs-Einrichtung
DE102019214978A1 (de) Hybrid-Mehrpegel-Leistungsumsetzer mit Umgehung durch ein induktives Bauelement
DE102020000348A1 (de) Steuerung zur regelung eines geschlossenen regelkreises eines dcx-wandlers und verfahren hierfür
DE102017131163A1 (de) Llc-leistungswandler und dessen schaltverfahren
DE112017005404T5 (de) DC-DC Wandler
EP3350911B1 (de) Pfc-modul für lückenden betrieb
DE102018124818A1 (de) Leistungswandler, der bidirektionale, aktiv gleichrichtende brücke verwendet
WO2011009733A1 (de) Verfahren und schaltung zur ansteuerung eines hochsetzsteller in einer schaltung zur leistungsfaktor-korrektur
DE102020117180A1 (de) Aufwärtswandler für eine Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers sowie Stromversorgung und Verfahren zur Aufwärtswandlung der Eingangsspannung in einer Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers
LU501057B1 (de) Steuerung von Halbleiterschaltern einer Spannungswandler-Schaltungsanordnung
DE102017118973B4 (de) Leistungswandler

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Effective date: 20230621