DE102010030134B4

DE102010030134B4 - Ermittlung der Totzeit bei der Ansteuerung einer Halbbrücke

Info

Publication number: DE102010030134B4
Application number: DE102010030134A
Authority: DE
Inventors: Martin Feldtkeller
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2030-06-16
Also published as: US20100321041A1; US8378695B2; DE102010030134A1; US20130147497A1; US8907685B2

Abstract

Schaltungsanordnung zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung einer Ausgangsspannung (VHB) einer Halbbrückenschaltung während einer Totzeit, wobei die Halbbrückenschaltung zwei Schaltelemente (101, 102) aufweist, die jeweils abwechselnd einen Einschaltzustand und einen Ausschaltzustand annehmen und die während der Totzeit beide einen Ausschaltzustand annehmen, wobei die Schaltungsanordnung aufweist: einen Eingang (11) zum Zuführen der Ausgangsspannung (VHS); ein kapazitives Netzwerk (20) mit einem ersten und einem zweiten Schaltungsknoten (N1, N2), die jeweils kapazitiv an den Eingang (11) gekoppelt sind, und mit einem Anschluss (12) für ein Referenzpotenzial (VREF); eine Umladeschaltung (30) für das kapazitive Netzwerk (20) die dazu ausgebildet ist, während der Einschaltphase eines der zwei Schaltelemente (101, 102) elektrische Potenziale (VN1, VN2) an dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten (N1, N2) einzustellen, die sich jeweils von dem Referenzpotenzial (VREF) unterscheiden; eine Vergleicheranordnung (40), die dazu ausgebildet ist, während der Totzeit eine zeitliche Differenz zwischen solchen Zeitpunkten zu ermitteln, zu denen die elektrischen Potenziale (VN1, VN2) an dem ersten und dem zweiten Knoten (N1, N2) jeweils einen vorgegebenen Potenzialwert annehmen, wobei diese zeitliche Differenz ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung (VHB) ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Ansteuerung einer Halbbrücke, und insbesondere die Ermittlung der Totzeit zwischen dem Ausschalten eines der Schaltelemente und dem Einschalten des anderen der Schaltelemente einer Halbbrücke.
Eine Halbbrücke umfasst zwei Schaltelemente mit je einem Ansteuereingang und einer Laststrecke, deren Laststrecken während des Betriebs in Reihe zueinander zwischen Klemmen für ein positives und negatives Versorgungspotenzial geschaltet sind. Zwischen den Laststrecken ist ein Ausgang angeordnet, an den eine Last anschließbar ist. Durch die Halbbrücke kann aus einer zwischen dem positiven und dem negativen Versorgungspotenzial anliegenden Spannung eine Wechselspannung am Ausgang der Halbbrücke erzeugt werden, indem die beiden Schalter jeweils abwechselnd leitend und sperrend angesteuert werden. Die Ansteuerung der beiden Schaltelemente erfolgt durch zwei Ansteuersignale, von denen jeweils eines dem Ansteuereingang eines der Schaltelemente zugeführt ist. Diese Ansteuersignale können einen Einschaltpegel zum Einschalten des jeweiligen Schaltelements und einen Ausschaltpegel zum Ausschalten des jeweiligen Schaltelements annehmen.
Es gibt Schaltungsanwendungen, bei denen die Halbbrücke im sogenannten ZVS-Betrieb (ZVS = Zero Voltage Switching) betrieben werden kann. Solche Schaltungsanwendungen sind beispielsweise Lampenvorschaltgeräte, bei denen die an die Halbbrücke angeschlossene Last einen Reihenschwingkreis und eine Leuchtstofflampe (Gasentladungslampe) umfasst. Allgemein ist bei solchen ZVS-Schaltungen die Last in der Lage, den Ausgang der Halbbrücke nach dem Ausschalten eines ersten der Schaltelemente und noch vor Einschalten des zweiten der Schaltelemente von dem Versorgungspotenzial, an das das erste Schaltelement angeschlossen ist, auf das Versorgungspotenzial, an das das zweite Schaltelement angeschlossen ist, umzuladen. Wird das zweite Schaltelement erst nach dem Umladen des Ausgangs eingeschaltet, so liegt beim Einschalten des zweiten Schaltelements keine Spannung über dessen Laststrecke an. Das zweite Schaltelement kann also spannungslos bzw. bei einer Laststreckenspannung von Null (Zero Voltage) geschaltet werden, was zur Reduzierung von Schaltverlusten beiträgt. In entsprechender Weise kann das erste Schaltelement nach Ausschalten des zweiten Schaltelements spannungsfrei geschaltet werden.
Die Zeitdauer zwischen dem Ausschalten eines Schalters und dem Einschalten des anderen Schalters wird als Totzeit bezeichnet. Diese Totzeit sollte an die Umladezeit des Ausgangs angepasst sein: Ist die Totzeit geringer als die Umladezeit, erfolgt kein spannungsfreies Schalten, wodurch die Schaltverluste erhöht sind; ist die Totzeit länger als die Umladezeit so könnte sich die Stromrichtung des Laststromes vor dem Ende der Totzeit umkehren, was zu einem erneuten Anstieg der Laststreckenspannung an dem betreffenden Schaltelement führen würde. In diesem Fall wäre der Schaltvorgang ebenfalls nicht spannungsfrei.
Die Umladezeit ist allerdings abhängig von verschiedenen Parametern, wie z. B. der angeschlossenen Last oder der anliegenden Versorgungsspannung, so dass eine feste Voreinstellung der Totzeit für die Ansteuerung der Halbbrückenschaltelemente nicht möglich ist.
Aus der DE 102 00 917 A1 und der DE 699 28 445 A1 sind Verfahren zur adaptiven Einstellung der Totzeit zwischen Einschaltphasen der Schalter einer Halbbrücke bekannt, durch die ein ”Zero-Voltage-Switching”-Betrieb erreicht werden soll.
In der DE 102 00 917 A1 werden die Zuführung einer Ausgangsspannung an eine Totzeitsteuerung über ein kapazitives Netzwerk und die Verwendung einer Umladeschaltung zur Umladung interner Knoten der Totzeitschaltung beschrieben.
In der DE 699 28 445 A1 sind verschiedene Implementierungen einer Totzeitsteuerung einer Halbbrücke, insbesondere solche, die die zeitliche Änderung aus Ausgangsspannung (dV/dt) ermitteln, systematisch aufgeführt.
In der DE 10 2005 017 506 A1 wird eine Überwachungsschaltung beschrieben, welche eine Abweichung von einer ”Zero-Voltage-Switching”-Betrieb erkennt und die Ausgangsspannung der Halbbrücke über einen kapazitiven Spannungsteiler überwacht. Dabei ist ein Spannungsteiler derart angeordnet, dass zu dessen Implementierung Kondensatoren mit geringer Spannungsfestigkeit verwendet werden können.
Es besteht ein Bedarf, die Totzeit während des Betriebs der Halbbrücke adaptiv einstellen zu können. Hierfür ist allerdings eine Information über eine zeitliche Änderung der Ausgangsspannung der Halbbrücke während der Totzeit erforderlich. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung einer Halbbrücke, eine Ansteuerschaltung für eine Halbbrücke und ein Verfahren zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung einer Halbbrücke zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, eine Ansteuerschaltung nach Anspruch 13 und ein Verfahren nach Anspruch 22 gelöst.
Ein erster Aspekt betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung einer Ausgangsspannung einer Halbbrückenschaltung während einer Totzeit, wobei die Halbrückenschaltung zwei Schaltelemente aufweist, die jeweils abwechselnd einen Einschaltzustand und einen Ausschaltzustand annehmen und die während der Totzeit beide einen Ausschaltzustand annehmen. Diese Schaltungsanordnung umfasst: einen Eingang zum Zuführen der Ausgangsspannung; ein kapazitives Netzwerk mit einem ersten und einem zweiten Schaltungsknoten, die jeweils kapazitiv an den Eingang gekoppelt sind, und mit einem Anschluss für ein Referenzpotenzial; eine Umladeschaltung für das kapazitive Netzwerk, die dazu ausgebildet ist, während der Einschaltphase des wenigstens einen Schaltelements elektrische Potenziale an dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten einzustellen, die sich von dem Referenzpotenzial unterscheiden; eine Vergleicheranordnung die dazu ausgebildet ist, während der Totzeit eine zeitliche Differenz zwischen solchen Zeitpunkten zu ermitteln, zu denen die elektrischen Potenziale an dem ersten und dem zweiten Knoten jeweils einen vorgegebenen Potenzialwert annehmen. Diese zeitliche Differenz stellt ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung dar.
Ein zweiter Aspekt betrifft eine Ansteuerschaltung für eine Halbbrückenschaltung mit einem ersten und einem zweiten Schaltelement und mit einem Ausgang. Diese Ansteuerschaltung umfasst: eine Ansteuersignalerzeugungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein erstes Ansteuersignal für das erste Schaltelement und ein zweites Ansteuersignal für das zweite Schaltelement abhängig von einem Totzeitsignal zu erzeugen; und eine Totzeitsignalerzeugungsschaltung zur Erzeugung des Totzeitsignals. Die Totzeitsignalerzeugungsschaltung umfasst: einen Eingang, der an den Ausgang der Halbbrückenschaltung anschließbar ist, ein kapazitives Netzwerk mit einem ersten und einem zweiten Schaltungsknoten, die jeweils kapazitiv an den Eingang gekoppelt sind, und mit einem Anschluss für ein Referenzpotenzial; eine Umladeschaltung für das kapazitive Netzwerk, die dazu ausgebildet, ist während der Einschaltphase des wenigstens einen Schaltelements elektrische Potenziale an dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten einzustellen, die sich von dem Referenzpotenzial unterscheiden; eine Vergleicheranordnung, die dazu ausgebildet ist, während der Totzeit eine zeitliche Differenz zwischen solchen Zeitpunkten zu ermitteln, zu denen die elektrischen Potenziale an dem ersten und dem zweiten Knoten jeweils einen vorgegebenen Potenzialwert annehmen, und das Totzeitsignal abhängig von dieser zeitlichen Differenz zu erzeugen.
Ein dritter Aspekt betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung einer Ausgangsspannung einer Halbbrückenschaltung während einer Totzeit, wobei die Halbbrückenschaltung zwei Schaltelemente aufweist, die jeweils abwechselnd einen Einschaltzustand und einen Ausschaltzustand annehmen und die während der Totzeit beide einen Ausschaltzustand annehmen. Das Verfahren umfasst: Das Bereitstellen eines kapazitiven Netzwerks mit einem Eingang, dem die Ausgangsspannung zugeführt ist und einem ersten und einem zweiten Schaltungsknoten, die jeweils kapazitiv an den Eingang gekoppelt sind; das Umladen des ersten und zweiten Schaltungsknotens während der Einschaltphase des wenigstens einen Schaltelements derart dass sich elektrische Potenziale an dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten einstellen, die sich von dem Referenzpotenzial unterscheiden; das Ermitteln, während der Totzeit, einer zeitlichen Differenz zwischen solchen Zeitpunkten, zu denen die elektrischen Potenziale an dem ersten und dem zweiten Knoten jeweils einen vorgegebenen Potenzialwert annehmen, wobei diese zeitliche Differenz ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung ist.
Beispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht anhand eines Blockschaltbilds den grundsätzlichen Aufbau einer Halbbrückenschaltung.
2 veranschaulicht die Funktionsweise einer Halbbrücke im Nullspannungsschaltbetrieb (ZVS-Betrieb).
3 zeigt anhand eines Blockschaltbilds eine Schaltungsanordnung mit einem kapazitiven Netzwerk, einer Umladeschaltung und einer Vergleicheranordnung zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung einer Ausgangsspannung einer Halbbrücke.
4 veranschaulicht die Funktionsweise der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung anhand zeitlicher Signalverläufe.
5 veranschaulicht Realisierungsbeispiele für das kapazitive Netzwerk und die Umladeschaltung der Schaltungsanordnung gemäß 3 anhand elektrischer Ersatzschaltbilder.
6 veranschaulicht die Funktionsweise des kapazitiven Netzwerks und der Umladeschaltung gemäß 5 anhand zeitlicher Signalverläufe.
7 veranschaulicht die Funktionsweise des kapazitiven Netzwerks gemäß 5 während einer Anlauf- oder Einschwingphase.
8 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines kapazitiven Netzwerks und einer Umladeschaltung der Schaltungsanordnung gemäß 3 anhand elektrischer Ersatzschaltbilder.
9 veranschaulicht die Funktionsweise des kapazitiven Netzwerks und der Umladeschaltung gemäß 8 anhand zeitlicher Signalverläufe.
10 veranschaulicht ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für eine Halbbrücke.
11 veranschaulicht die Funktionsweise der Ansteuerschaltung gemäß 10 anhand zeitlicher Signalverläufe.
12 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels der Vergleicheranordnung, die zwei Komparatoren und eine Auswerteschaltung aufweist.
13 zeigt ein Realisierungsbeispiel der Auswerteschaltung gemäß 12.
14 veranschaulicht die Funktionsweise der Auswerteschaltung gemäß 13 anhand zeitlicher Signalverläufe.
15 veranschaulicht anhand eines Blockschaltbilds ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für eine Halbbrücke, die eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung einer Ausgangsspannung der Halbbrücke und die einen Transformator im Ansteuerpfad eines der Schaltelemente der Halbbrücke aufweist.
16 zeigt schematisch ein Beispiel zur Realisierung des Transformators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt schematisch eine Halbbrückenschaltung mit einer eine Halbbrücke, die zwei Schaltelemente, nämlich ein erstes Schaltelement 101 und ein zweites Schaltelement 102, mit jeweils einer Laststrecke und einem Ansteuereingang aufweist. Die Laststrecken der beiden Schaltelemente 101, 102 sind in Reihe zueinander zwischen Klemmen für ein erstes Versorgungspotenzial Vin und ein zweites Versorgungspotenzial GND geschaltet. Das erste Versorgungspotenzial Vin ist beispielsweise ein positives Versorgungspotenzial, das zweite Versorgungspotenzial GND ist beispielsweise ein negatives Versorgungspotenzial oder Bezugspotenzial, wie z. B. Masse. Die Halbbrücke weist außerdem einen Ausgang 103 auf, der zwischen den Laststrecken 101, 102 der Schaltelemente angeordnet ist und der in dem dargestellten Beispiel durch einen den Laststrecken 101, 102 gemeinsamen Knoten gebildet ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass zwischen den Laststrecken der beiden Schaltelemente 101, 102 noch weitere Schaltelemente, wie z. B. ein Messwiderstand (nicht dargestellt) angeordnet sein können.
Das erste Schaltelement 101, das zwischen die Klemme für das erste Versorgungspotenzial Vin und den Ausgang 103 geschaltet ist, wird nachfolgend auch als oberes Schaltelement oder High-Side-Schalter der Halbbrücke bezeichnet, und das zweite Schaltelement 102, das zwischen den Ausgang 103 und das zweite Versorgungspotenzial GND geschaltet ist, wird nachfolgend auch als unteres Schaltelement oder Low-Side-Schalter der Halbbrücke bezeichnet. Die Schaltelemente 101, 102 sind abhängig von Ansteuersignalen S1, S2, die deren Ansteuereingängen zugeführt sind, leitend oder sperrend angesteuert bzw. ein- oder ausgeschaltet. Das Bezugszeichen S1 in 1 bezeichnet ein erstes Ansteuersignal, das dem Ansteuereingang des ersten Schaltelements 101 zugeführt ist, und das Bezugszeichen S2 bezeichnet ein zweites Ansteuersignal, das dem Ansteuereingang des zweiten Schaltelements 102 zugeführt ist.
Die Schaltelemente 101, 102 können beliebige Schaltelemente sein, die durch elektrische Ansteuersignale, wie die Ansteuersignale S1, S2, ein- und ausgeschaltet werden können. Solche Schaltelemente sind insbesondere Halbleiterschaltelemente. Beispiele für geeignete Halbleiterschaltelemente 101, 102 zum Einsatz in der Halbbrücke sind MOSFET, insbesondere Leistungs-MOSFET, oder IGBT, insbesondere Leistungs-IGBT. MOSFET oder IGBT weisen jeweils eine Drain-Source-Strecke auf (die beim IGBT auch als Kollektor-Emitter-Strecke bezeichnet wird), die deren Laststrecken bilden, und weisen jeweils einen Gateanschluss auf, der einen Ansteuereingang bildet. Die Ansteuerung von MOSFET oder IGBT erfolgt durch Anlegen geeigneter Gate-Source-Spannungen, Ansteuersignale zum Ansteuern von MOSFET oder IGBT sind also deren Gate-Source-Spannungen.
Zu Zwecken der nachfolgenden Erläuterung sei angenommen, dass ein Schaltelement 101, 102 der Halbbrücke dann leitet, wenn sein Ansteuersignal S1, S2 einen Einschaltpegel annimmt, und dass das Schaltelement 101, 102 dann sperrt, wenn sein Ansteuersignal S1, S2 einen Ausschaltpegel annimmt. Der zum Einschalten des Schaltelements erforderliche Einschaltpegel bzw. der zum Ausschalten erforderliche Ausschaltpegel ist abhängig von der Art des verwendeten Schaltelements. Bei n-Kanal-MOSFET oder n-Kanal-IGBT ist der Einschaltpegel eine positive Gate-Source-Spannung, während p-Kanal-MOSFET oder p-Kanal-IGBT der Einschaltpegel eine negative Gate-Source-Spannung ist. Lediglich zu Zwecken der Erläuterung sei im Zusammenhang mit der weiteren Erläuterung angenommen, dass Einschaltpegel der Ansteuersignale S1, S2 obere Signalpegel bzw. ”High”-Pegel der Ansteuersignal sind und dass Ausschaltpegel der Ansteuersignale untere Signalpegel oder ”Low”-Pegel der Ansteuersignale sind.
Das Bezugszeichen 60 bezeichnet in 1 eine Ansteuerschaltung, die die Ansteuersignale S1, S2 (gestrichelt dargestellt) erzeugt. Das Bezugszeichen Z bezeichnet eine Last (ebenfalls gestrichelt dargestellt), die an den Ausgang 103 der Halbbrücke angeschlossen ist und die durch eine Ausgangsspannung V_HB der Halbbrücke angesteuert ist. Über die Schaltelemente 101, 102 der Halbbrücke kann der Ausgang 103 entweder an das erste Versorgungspotenzial Vin oder das zweite Versorgungspotenzial GND angeschlossen werden. Vernachlässigt man Einschaltwiderstände der Schaltelemente 101, 102 so entspricht die maximale Amplitude der Ausgangsspannung V_HB der zwischen den Klemmen für das erste und zweite Versorgungspotenzial anliegenden Versorgungsspannung. Bei eingeschaltetem ersten Schaltelement 101 und ausgeschaltetem zweiten Schaltelement 102 entspricht die Ausgangsspannung V_HB annähernd dieser Versorgungsspannung; bei eingeschaltetem zweiten Schaltelement 102 und ausgeschaltetem ersten Schaltelement 101 ist die Ausgangsspannung annähernd Null.
Eine Halbbrücke, wie sie in 1 dargestellt ist, wird beispielsweise zur Ansteuerung von Lasten verwendet, die als Eingangsspannung bzw. Versorgungsspannung eine Spannung benötigen, die im zeitlichen Verlauf zwischen dem oberen und dem unteren Versorgungspotenzial oszilliert. Solche Lasten sind beispielsweise induktive Lasten, wie z. B. Elektromotoren oder Magnetventile, oder Lampenschaltkreise für Leuchtstofflampen. Solche Lampenschaltkreise können einen Serienschwingkreis mit einem Resonanzkondensator und einer Resonanzinduktivität und eine parallel zu dem Resonanzkondensator, und damit in Reihe zu der Resonanzinduktivität geschaltete Leuchtstofflampe aufweisen. Zur Bereitstellung einer solchen oszillierenden Ausgangsspannung V_HB wird jedes der Schaltelemente 101, 102 in grundsätzlich bekannter Weise abwechselnd ein- und ausgeschaltet, nimmt also im zeitlichen Verlauf abwechselnd einen Einschalt- oder Ausschaltzustand an. Die Einschalt- und Ausschaltphasen der beiden Schaltelemente 101, 102 sind dabei derart gegeneinander phasenverschoben, dass zu einem Zeitpunkt nur jeweils eines der Schaltelemente 101, 102 eingeschaltet ist und dass zwischen dem Ausschalten eines der Schaltelemente und dem Einschalten des anderen der Schaltelemente eine Totzeit vorhanden ist, während der beide Schaltelemente 101, 102 ausgeschaltet sind.
Diese Art der Ansteuerung der beiden Schaltelemente 101, 102 ist in 2 anhand zeitlicher Verläufe des ersten und zweiten Ansteuersignals S1, S2 veranschaulicht. t11 bezeichnet in 2 einen Zeitpunkt, zu dem das erste Ansteuersignal 51 einen Einschaltpegel annimmt, und t12 bezeichnet einen Zeitpunkt, zu dem dieses erste Ansteuersignal 51 einen Ausschaltpegel annimmt. Das zweite Ausschaltsignal S2 besitzt während dieser Zeitperiode t11–t12 einen Ausschaltpegel und behält diesen noch für eine Totzeit T_D nach Ausschalten des ersten Schaltelements 101 bei, bis das zweite Schaltelement 102 zu einem Zeitpunkt t13 eingeschaltet wird. Zu einem Zeitpunkt t14 wird das zweite Schaltelement 102 ausgeschaltet, und das erste Schaltelement 101 wird erst nach Ablauf einer Totzeit T_D nach dem Ausschalten des zweiten Schaltelements 102 zu einem späteren Zeitpunkt t15 wieder eingeschaltet.
Dargestellt ist in 2 außerdem der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung V_HB abhängig von den Ansteuersignalen S1, S2 bei einem sogenannten Nullspannungsschaltbetrieb (Zero-Voltage-Switching-(ZVS)-Betrieb). Bei dieser Betriebsart erfolgt die Spannungsänderung der Ausgangsspannung V_HB getrieben durch die Last Z während der Totzeit T_D und zwar derart, dass die Spannung über dem als nächstes einzuschaltenden Schaltelement während der Totzeit Null wird. Bezogen auf das in 2 dargestellte Beispiel bedeutet dies, dass während der Totzeit zwischen den Zeitpunkten t12 und t13 – d. h. nach Ausschalten des ersten Schaltelements 102 – die Ausgangsspannung V_HB von dem oberen Spannungspegel, bzw. dem Wert der Versorgungsspannung, auf den unteren Spannungspegel, bzw. Null, absinkt. Während der Totzeit zwischen den Zeitpunkten t14 und t15 – d. h. nach Ausschalten des zweiten Schaltelements 102 – steigt die Spannung hingegen von dem unteren Spannungspegel auf den oberen Spannungspegel an. Ein Beispiel für eine Last Z, die einen solchen ZVS-Betrieb ermöglicht ist ein Lampenschaltkreis (nicht dargestellt) mit einer Reihenschaltung einer Resonanzinduktivität und einer Leuchtstofflampe (Gasentladungslampe), die zwischen den Ausgang 103 und das untere Versorgungspotenzial GND geschaltet ist. Ein weiteres Beispiel für eine Last, die einen ZVS-Betrieb ermöglicht, ist ein LLC-Converter. Ein solcher LLC-Converter umfasst eine Reihenschaltung eines Serienschwingkreises, der eine Resonanzinduktivität und eine Resonanzkapazität aufweist, und einer Primärwicklung eines Transformators. Der Transformator weist dabei eine induktiv mit der Primärwicklung gekoppelte Sekundärwicklung auf, der eine Gleichrichteranordnung nachgeschaltet ist. Die Resonanzinduktivität kann auch Teil des Transformators sein, wenn die induktive Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung kleiner als 1 ist.
Ein Nullspannungsbetrieb der Halbbrücke ist grundsätzlich dann möglich, wenn die Last bei der Ansteuerfrequenz, mit der die Schaltelemente 101, 102 ein- und ausgeschaltet werden, ein im wesentlichen induktives Verhalten zeigt. Bei einem Lampenschaltkreis ist dies dann der Fall, wenn die Ansteuerfrequenz größer ist als eine Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises oder wenn eine starke Dämpfung des Schwingkreises durch die Lampe vorliegt. Letzteres ist nach Zünden der Lampe gegeben
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Schaltelemente 101, 102 Schaltverzögerungen aufweisen können. Diese Schaltverzögerungen wirken sich dadurch aus, dass die Schaltelemente 101, 102 erst zeitverzögert nach einem Einschaltpegel des jeweiligen Ansteuersignals S1, S2 einschalten und erst zeitverzögert nach einem Ausschaltpegel des jeweiligen Ansteuersignals S1, s2 ausschalten. Diese Schaltverzögerungen sind in 2 allerdings nicht dargestellt.
Die Zeitdauer, innerhalb derer die Ausgangsspannung V_HB während der Totzeit T_D ihre Amplitude ändert bzw. während der das Potenzial am Ausgang 103 ”umgeladen” wird, wird nachfolgend als Umladezeit bezeichnet. Bei idealen Schaltelementen 101, 102, idealen Verbindungsleitungen und einer idealen Last, die keine parasitären Kapazitäten aufweisen, wäre diese Umladezeit Null. Da solche parasitären Kapazitäten unvermeidlich vorhanden sind, ist diese Umladezeit ungleich Null. Bei bestimmten Anwendungen, wie z. B. einem Einsatz der Halbbrückenschaltung in einem Lampenvorschaltgerät, kann es wünschenswert sein, die Umladezeit über die durch die parasitären Kapazitäten gegebene Dauer noch zu verlängern. Hierzu kann eine weitere Kapazität parallel zu einem der Halbbrückenschaltelemente 101, 102 geschaltet werden. Bei der Schaltung gemäß 1 ist eine solche optionale Kapazität 104 beispielhaft parallel zu dem unteren Schaltelement 102 geschaltet.
Für den Betrieb der Halbbrücke ist es wünschenswert, die Totzeit T_D derart an die Umladezeit anzupassen, dass das als nächstes einzuschaltende Schaltelement mit möglichst geringer Verzögerung nach Abschluss des Umladevorgangs wieder eingeschaltet wird. Im Idealfall entspricht die Totzeit der Umladezeit oder ist etwas länger als die Umladezeit, wie z. B. 2% bis 20% länger als die Umladezeit.
Eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur adaptiven Einstellung der Totzeit einer im ZVS-Betrieb arbeitenden Halbbrücke wird nachfolgend erläutert werden. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer solchen Schaltungsanordnung 10. Diese Schaltungsanordnung 10 umfasst einen Eingang 11, der an den Ausgang 103 der Halbbrücke (gestrichelt dargestellt) anschließbar ist und über den der Schaltungsanordnung 10 die Ausgangsspannung V_HB der Halbbrücke zuführbar ist. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst außerdem ein kapazitives Netzwerk 20 mit einem ersten und einem zweiten Schaltungsknoten N1, N2, die kapazitiv an den Eingang 11, und damit den Ausgang 103 der Halbbrücke gekoppelt sind, und mit einem Anschluss für ein Referenzpotenzial V_REF. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst außerdem eine Umladeschaltung 30 für das kapazitive Netzwerk 20, die wenigstens ein Schaltelement 32 aufweist. Diese Umladeschaltung ist dazu ausgebildet, während der Einschaltphase eines der Schaltelemente 101, 102 der Halbbrücke elektrische Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten N1, N2 einzustellen, die sich von dem Referenzpotenzial V_REF unterscheiden. In den nachfolgend zunächst erläuterten Beispielen sind diese elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 so gewählt, dass sie sich nicht nur von dem Referenzpotenzial V_REF unterscheiden, sondern dass sie sich auch voneinander unterscheiden. Diese zusätzliche Bedingung ist allerdings nicht zwingend, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Der erste und der zweite Schaltungsknoten N1, N2 des kapazitiven Netzwerks 20 sind an eine Vergleicheranordnung 40 angeschlossen, die dazu ausgebildet ist, während der Totzeit eine zeitliche Differenz zwischen solchen Zeitpunkten zu ermitteln, zu denen elektrische Potenziale an dem ersten und zweiten Knoten N1, N2 jeweils einen vorgegebenen Potenzialwert annehmen. In nachfolgend noch erläuterter Weise ist diese zeitliche Differenz ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung. Diese zeitliche Änderung der Ausgangsspannung V_HB bestimmt wiederum die Totzeit, die mindestens erforderlich ist, um ein vollständiges Umladen des Ausgangs 103 während dieser Totzeit zu ermöglichen.
Die Funktionsweise der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung wird anschaulich anhand zeitlicher Verläufe der Ausgangsspannung V_HB und anhand elektrischer Potenziale V_N1, V_N2 der Schaltungsknoten N1, N2 in dem kapazitiven Netzwerk 20, die in 4 dargestellt sind, erläutert.
Die Zeitpunkte t1₁ und t4₁ bezeichnen in 4 eine Zeitperiode, zwischen denen die Ausgangsspannung V_HB einen oberen Spannungspegel aufweist. Vernachlässigt man Schaltverzögerungen der Schaltelemente 101, 102 so sind dies die Zeitpunkte, zwischen denen das obere Schaltelement 101 eingeschaltet ist. Während dieser Einschaltdauer des ersten Schaltelements 101 werden der erste und der zweite Schaltungsknoten N1, N2 auf elektrische Potenziale aufgeladen, die sich bezogen auf das Referenzpotenzial V_REF unterscheiden. Der Pegel dieses Referenzpotenzial V_REF ist in 4 strichpunktiert dargestellt. Für die nachfolgende Erläuterung sei angenommen, dass die erläuterten Potenziale bzw. Spannungen jeweils auf das zweite Versorgungspotenzial bzw. Bezugspotenzial GND bezogen sind.
Ändert sich die Ausgangsspannung V_HB ab dem Zeitpunkt t4₁, so ändern sich bedingt durch die kapazitive Kopplung der Schaltungsknoten N1, N2 an den Ausgang 103 auch die elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 dieser Schaltungsknoten. Die zeitlichen Änderungen dieser elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 sind in dem dargestellten Beispiel gleich. Aufgrund der unterschiedlichen Werte, die diese elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 vor einer Änderung der Ausgangsspannung V_HB besitzen, erreichen die elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 der zwei Schaltungsknoten N1, N2 einen vorgegebenen Potenzialwert, der beispielsweise der Potenzialwert V_REF, der Referenzspannung ist, zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Eine zeitliche Differenz Δt zwischen Zeitpunkten, zu denen diese Potenzialwerte V_N1, V_N2 den Referenzwert V_REF erreichen, stellt dabei unmittelbar ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung V_HB dar. Diese zeitliche Differenz Δt ist abhängig von der Differenz der Potenziale V_N1, V_N2 der zwei Schaltungsknoten N1, N2 und ist abhängig von der zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung V_HB.
Die elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 der zwei Schaltungsknoten N1, N2 werden durch die Umladeschaltung 30 während der Einschaltphasen eines der Schaltelemente – d. h. beispielsweise während der Einschaltphase des ersten Schaltelements 101 zwischen den Zeitpunkten t1₁, t4₁ – derart eingestellt, dass sie bekannt sind, bzw. dass die Differenzen V_N1 – V_REF bzw. V_N2 – V_REF zwischen diesen elektrischen Potenzialen und dem Referenzpotenzial bekannt und insbesondere proportional zu der Amplitude der Ausgangsspannung V_HB sind. In Kenntnis dieser Beziehung der elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 an den ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2, kann aus der Zeitdifferenz Δt unmittelbar die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung V_HB bezogen auf deren Amplitude abgeleitet werden. Das Verhältnis aus zeitlicher Änderung der Ausgangsspannung V_HB und der Amplitude der Ausgangsspannung ist unmittelbar ein Maß für die Umladezeit.
Die zuvor erwähnte Proportionalität zwischen den sich einstellenden Differenzen V_N1 - V_REF bzw. V_N2 – V_REF und der Amplitude der Ausgangsspannung V_HB bedeutet, dass sich diese Differenzen proportional zu der Amplitude der Ausgangsspannung V_HB ändern, wenn sich die Amplitude ändert. Die Amplitude der Ausgangsspannung V_HB ändert sich beispielsweise dann, wenn sich die Eingangsspannung Vin ändert. In diesem Zusammenhang kann davon ausgegangen werden, dass solche Änderungen langsam im Vergleich zur Schaltfrequenz der Schaltelemente 101, 102 erfolgen.
Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die kapazitive Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N1 und dem Ausgang 103 konstant ist und dass sich die Potenziale V_N1, V_N2 an diesen Knoten linear mit der Ausgangsspannung V_HB ändern. Zeitliche Änderungen der Potenziale V_N1, V_N2 sind somit proportional zu zeitlichen Änderungen der Ausgangsspannung V_HB. Berücksichtigt man zusätzlich die Proportionalität zwischen den sich einstellenden Differenzen V_N1 – V_REF bzw. V_N2 – V_REF und der Amplitude der Ausgangsspannung V_HB, so ist die Zeitdifferenz Δt umgekehrt proportional zu der zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung V_HB, und zwar unabhängig davon, wie groß die zeitlichen Änderungen der Potenzial an dem ersten und zweiten Knoten N1, N2 tatsächlich sind. Einzige Voraussetzung ist, dass die Zeitdifferenz Δt ungleich Null ist. Diese Voraussetzung kann dadurch erreicht werden, dass die Differenzen V_N1 – V_REF bzw. V_N2-V_REF auf unterschiedliche Werte eingestellt werden und dass sich die Potenziale V_N1, V_N2 bei einer Änderung der Ausgangsspannung V_HB in gleicher Weise ändern, wie dies bei den nachfolgend anhand der 5 und 8 erläuterten Schaltungsanordnungen der Fall ist. Alternativ können die Differenzen V_N1 – V_REF bzw. V_N2-V_REF auch auf gleiche Werte (ungleich Null) eingestellt werden. In diesem Fall sind die Schaltungsknoten N1, N2 derart an den Ausgang 103 gekoppelt, dass zeitliche Änderungen der elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 bei einer Änderung der Ausgangsspannung V_HB unterschiedlich sind.
Falls die Proportionalität zwischen den Differenzen V_N1 – V_REF bzw. V_N2-V_REF und der Amplitude der Ausgangsspannung V_HB aufgrund von parasitären Effekten nicht exakt gegeben ist, funktioniert die Schaltung so gut, wie die Proportionalität eingehalten wird. Wenn die adaptiv eingestellte Totzeit etwas größer ist als die Umladezeit, ist eine solche Nicht-Proportionalität tolerierbar.
Die Vergleicheranordnung 40 ermittelt diese zeitliche Differenz Δt und stellt ein Totzeitsignal S10 zur Verfügung, das von dieser zeitlichen Differenz abhängig ist. Dieses Totzeitsignal S10 kann einer Ansteuersteuerschaltung (60 in 1) zur Erzeugung der Ansteuersignale S1, S2 zugeführt werden. Das Totzeitsignal S10 liefert entweder ein Maß für die Totzeit, die zwischen den Einschaltphasen der beiden Schaltelemente 101, 102 einzustellen ist, oder stellt ein Freigabesignal dar, das Zeitpunkte angibt, zu denen das nächste einzuschaltende Schaltelement eingeschaltet werden darf.
In entsprechender Weise wie während der Einschaltphase des ersten Schaltelements 102 stellt die Umladeschaltung 30 während der Einschaltphase des zweiten Schaltelements 102 unterschiedliche Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 ein. t4₂ bezeichnet in 4 einen Zeitpunkt, ab dem die Ausgangsspannung V_HB nach Ausschalten des zweiten Schaltelements 102 ansteigt. Aufgrund der kapazitiven Kopplung der beiden Schaltungsknoten N1, N2, an den Ausgang 103 steigen die elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 dieser zwei Schaltungsknoten mit gleicher Steigung wie die Ausgangsspannung V_HB an, wobei eine Zeitdifferenz Δt zwischen Zeitpunkten, zu denen diese elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 ein vorgegebenes Potenzial, wie beispielsweise das Referenzpotenzial V_REF, erreichen, unmittelbar ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung V_HB darstellt.
5 veranschaulicht anhand eines elektrischen Ersatzschaltbildes ein erstes Beispiel des kapazitiven Netzwerks 20 und der Umladeschaltung 30.
Das kapazitive Netzwerk 20 umfasst in dem dargestellten Beispiel einen kapazitiven Spannungsteiler mit einer ersten und einer zweiten Kapazität 21, 22, die zwischen den Eingang 11 der Schaltungsanordnung 10 bzw. den Ausgang 103 der Halbbrücke, und ein weiteres Referenzpotenzial geschaltet sind. Diese weitere Referenzpotenzial ist in dem dargestellten Beispiel das zweite Versorgungspotenzial GND, so dass über dem kapazitiven Spannungsteiler 21, 22, die Ausgangsspannung V_HB der Halbbrücke anliegt. Der erste Schaltungsknoten N1 des kapazitiven Netzwerks 20 ist durch einen Abgriffspunkt des kapazitiven Spannungsteilers gebildet, wobei der Abgriffspunkt ein Schaltungsknoten ist, der den beiden Kapazitäten 21, 22 des Spannungsteilers gemeinsam ist.
Das kapazitive Netzwerk 20 umfasst außerdem eine dritte Kapazität 23, die an den Abgriffspunkt des kapazitiven Spannungsteilers 21, 22 angeschlossen ist. Der zweite Schaltungsknoten N2 ist durch einen dem Abgriffspunkt abgewandten Anschluss der dritten Kapazität 23 gebildet. Bei diesem kapazitiven Netzwerk 20 ist der erste Schaltungsknoten N1 über die erste Kapazität 21 des Spannungsteilers kapazitiv an den Ausgang 103 der Halbbrücke gekoppelt, und der zweite Schaltungsknoten N2 ist über die Reihenschaltung mit der ersten Kapazität 21 und der dritten Kapazität 23 kapazitiv an den Ausgang 103 gekoppelt. Die Potenzialdifferenz zwischen dem elektrischen Potenzial V_N1 des ersten Schaltungsknotens N1 und dem elektrischen Potenzial V_N2 des zweiten Schaltungsknotens N2 entspricht der Spannung über der dritten Kapazität 23.
Die Umladeschaltung 30 dieser Schaltungsanordnung 10 umfasst eine vierte Kapazität 33, die zwischen die Klemme für das weitere Referenzpotenzial GND und ein erstes Schaltelement 32 der Umladeschaltung 30 geschaltet ist. Das erste Schaltelement 32 ist ein Umschaltelement, das dazu ausgebildet ist, die vierte Kapazität 33 wahlweise an den zweiten Schaltungsknoten N2 oder den Anschluss für das Referenzpotenzial V_REF anzuschließen. Das Referenzpotenzial wird bei der dargestellten Schaltungsanordnung durch eine Referenzspannungsquelle 13 erzeugt, die zwischen die Klemme für das weitere Referenzpotenzial, d. h. in dem Beispiel das zweite Versorgungspotenzial, und die Klemme für das Referenzpotenzial V_REF geschaltet ist. Die durch die Referenzspannungsquelle 13 erzeugte Spannung wird nachfolgend auch als Referenzspannung bezeichnet. Die Umladeschaltung 30 umfasst außerdem einen zweiten Schalter 34, der parallel zu der dritten Kapazität 23 des kapazitiven Netzwerks 20 geschaltet ist.
Die Funktionsweise der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung 10 wird nachfolgend anhand von 6 erläutert, in der zeitliche Verläufe der Ausgangsspannung V_HB, des elektrischen Potenzials V_N1 des ersten Schaltungsknotens N1 und des elektrischen Potenzials V_N2 des zweiten Schaltungsknotens N2 dargestellt sind. Dargestellt sind in 6 außerdem Ansteuersignale Φ1, Φ2 für den ersten und zweiten Schalter 32, 34 der Umladeschaltung 30. Diese Signale werden zu Zwecken der Erläuterung während eines vollständigen Ansteuerzyklus der Halbbrücke betrachtet, der zu einem Zeitpunkt t0₁ beginnt, ab dem die Halbbrückenspannung V_HB ansteigt und der zu einem Zeitpunkt t4₂ endet, zu dem die Halbbrückenspannung V_HB erneut anzusteigen beginnt. Während des Anstiegs der Ausgangsspannung V_HB befindet sich der erste Schalter 32 in einer ersten Schalterstellung, bei der die vierte Kapazität 33 an das Referenzpotenzial V_REF Spannungsquelle 31 angeschlossen ist; diese Schalterstellung ist in 6 durch einen Low-Pegel des Ansteuersignals Φ1 repräsentiert. Der zweite Schalter 34 ist während des Anstiegs der Ausgangsspannung V_HB geöffnet, was durch einen Low-Pegel des Ansteuersignals Φ2 repräsentiert ist. Während des Anstiegs der Ausgangsspannung V_HB sind der erste und zweite Schaltungsknoten N1, N2 damit ausschließlich an den Eingangsanschluss 11 bzw. den Ausgang 103 der Halbbrücke gekoppelt, und zwar kapazitiv über die erste Kapazität 21 bzw. die Reihenschaltung mit der ersten Kapazität 21 und der dritten Kapazität 23. Die elektrischen Potenziale an diesen Schaltungsknoten N1, N2 ändern sich damit bei einer zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung V_HB unmittelbar, wobei zeitliche Änderungen dV_N1/dt und dV_N2/dt des ersten und des zweiten Potenzials V_N1, V_N2 für die Schaltung gemäß 5 gleich sind, es gilt also:
Diese zeitlichen Änderungen des ersten und zweiten Potenzials V_N1, V_N2 stehen über das Teilerverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers 21, 22 unmittelbar im Verhältnis zu einer zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung V_HB, wobei gilt:
C21 und C22 sind hierbei die Kapazitätswerte der ersten und zweiten Kapazität des Spannungsteilers, die nachfolgend auch als erster und zweiter Kapazitätswert bezeichnet werden. Bezugnehmend auf Gleichung (2) sind bei einer gegebenen zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung V_HB die zeitlichen Änderungen der ersten und zweiten Potenziale V_N1, V_N2 um so größer je größer der erste Kapazitätswert C21 im Vergleich zu dem zweiten Kapazitätswert C22 ist. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen diesen beiden Kapazitätswerten C21, C22 lässt sich der Spannungshub der ersten und zweiten Potenziale V_N1, V_N2 einstellen. Die Eingangsspannung Vin der Halbbrücke kann abhängig von der anzusteuernden Last Z bis zu einigen hundert Volt betragen, so dass auch der Spannungshub der Ausgangsspannung bis zu einige hundert Volt betragen kann. So beträgt eine übliche Ansteuerung einer Halbbrücke für die Ansteuerung eines Lampenschaltkreises mit einer Leuchtstofflampe beispielsweise etwa 400 V.
Durch geeignete Wahl des ersten und zweiten Kapazitätswertes C21, C22, wird mittels des kapazitiven Spannungsteilers 21, 22 ein hoher Spannungshub am Ausgang 103 auf einen entsprechend niedrigeren Spannungshub der ersten und zweiten Potenziale V_N1, V_N2 umgesetzt. Dieser Spannungshub wird beispielsweise über die Wahl der Kapazitätswerte C21, C22 so eingestellt, dass er lediglich einige Volt beträgt, so dass zur Auswertung dieser Potenziale V_N1, V_N2 keine hochspannungsfesten Bauelemente benötigt werden. Lediglich die erste Kapazität muss in diesem Fall eine hohe Spannungsfestigkeit von bis zu einigen hundert Volt besitzen. Eine Möglichkeit zur Realisierung einer solchen Kapazität wird weiter unten noch erläutert werden.
t1₁ bezeichnet in 6 einen Zeitpunkt, zu dem die Ausgangsspannung V_HB ihren oberen Spannungspegel erreicht hat. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass das erste Schaltelement 101 zu diesem Zeitpunkt einen Einschaltpegel annimmt und bis zu einem späteren Zeitpunkt t4₁ auf diesem Einschaltpegel verbleibt. Etwaige Einschaltverzögerungen des Schaltelements sind in der Darstellung gemäß 6 nicht berücksichtigt, und zwar deshalb nicht, weil sie zur Erläuterung der grundsätzlichen Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß 5 nicht von Relevanz sind. Während dieser Einschaltdauer des ersten Schaltelements 101 wird zunächst der zweite Schalter 34 der Umladeschaltung 30 eingeschaltet, um die dritte Kapazität 23 zu entladen, und anschließend wird der erste Schalter 32 in eine zweite Schaltposition umgeschaltet, um die vierte Kapazität 33 an den Schaltungsknoten N2 anzuschließen. t2₁ bezeichnet in 6 einen Zeitpunkt, zu dem der zweite Schalter 34 geschlossen wird, und t3₁ bezeichnet einen Zeitpunkt, zu dem dieser Schalter 34 wieder geöffnet wird. Der erste Schalter 32 befindet sich während einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t3₁ und einem späteren Zeitpunkt t4₁ in der zweiten Position. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass sich die Schaltperioden, während der der zweite Schalter 34 geschlossen ist und während der sich der erste Schalter 32 in der zweiten Schaltposition befindet, nicht notwendigerweise unmittelbar aneinander anschließen müssen, sondern auch zeitlich beabstandet zueinander sein können. Darüber hinaus kann die Zeitdauer, während der sich der erste Schalter 32 in der zweiten Schaltposition befindet umgeschaltet ist, auch bereits vor dem Zeitpunkt t4₁ enden, ab dem die Ausgangsspannung V_HB abzusinken beginnt.
Die erläuterte Ansteuerung des ersten und zweiten Schalters 32, 34 während der Einschaltphase t1₁–t4₁ des ersten Schaltelements 101 dient dazu, die elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 auf unterschiedliche Potenzialwerte bezogen auf das Referenzpotenzial V_REF oder bezogen auf das weitere Referenzpotenzial GND einzustellen.
Wie noch erläutert werden wird, steigt das zweite Potenzial V_N2 bei ansteigender Ausgangsspannung V_HB auf einen höheren Endwert an als das erste Potenzial V_N1. Der ”Endwert” bezeichnet hierbei den Spannungswert, den das erste und zweite Potenzial V_N1, V_N2 besitzen, wenn die Ausgangsspannung V_HB ihren oberen Spannungspegel erreicht. Wird das zweite Schaltelement 34 während der Zeitdauer t2₁–t3₁ geschlossen, so wird die zuvor geladene dritte Kapazität 23 entladen und das zweite Potenzial V_N2 sinkt zunächst auf den Wert des ersten Potenzials V_N1 ab.
Wie außerdem noch erläutert werden wird, liegt das erste elektrische Potenzial V_N1 während der Einschaltphase des ersten Schaltelements 101 bzw. während der Zeitdauer, während der die Ausgangsspannung V_HB ihren oberen Spannungspegel annimmt, oberhalb des Referenzpotenzials V_REF. Bei geöffnetem zweiten Schalter 34 und wenn sich der erste Schalter 32 in der zweiten Schaltposition befindet, wird die zweite Kapazität 22 zugunsten der dritten Kapazität 23 und der vierten Kapazität 33 entladen. Dies führt dazu, dass das erste elektrische Potenzial V_N1 absinkt und dass auch das zweite elektrische Potenzial V_N2 absinkt, und zwar so lange, bis die Summe aus der Spannung über der dritten Kapazität 23 und dem zweiten elektrischen Potenzial V_N2 dem ersten elektrischen Potenzial V_N1 entspricht.
Es lässt sich zeigen, dass die dritte Kapazität 23 während der Zeitperiode t3₁ – t4₁ auf eine Spannung V23 aufgeladen wird, für die gilt:
V_N1 bezeichnet hierbei das elektrische Potenzial an dem ersten Knoten N1 zum Zeitpunkt t3₁, V_REF bezeichnet die Referenzspannung, C22 bezeichnet den Kapazitätswert der zweiten Kapazität, C23 den Kapazitätswert der dritten Kapazität 23 und C33 den Kapazitätswert der vierten Kapazität 33. Gleichung (3) gilt unter der Annahme, dass der Kapazitätswert C21 der ersten Kapazität 21 im Vergleich zu dem Kapazitätswert C22 der zweiten Kapazität 22 annähernd vernachlässigbar ist, wenn also beispielsweise der Kapazitätswert C21 der ersten Kapazität 21 um einen Faktor 50 oder mehr, oder insbesondere um einen Faktor 100 oder mehr, kleiner ist als der Kapazitätswert C22 der zweiten Kapazität 22.
Für das erste elektrische Potenzial V_N1 am Ende der Umschaltzeit des ersten Schalters 32, d. h. zum Zeitpunkt t4₁ gilt entsprechend und unter der gleichen Annahme:
Hierbei bezeichnet V_N1(t4₁) das erste Potenzial V_N1 zum Zeitpunkt t4₁, V_N1(t3₁) das erste Potenzial V_N1 zum Zeitpunkt t3₁, d. h. vor dem Entladen der zweiten Kapazität 22. Für das zweite elektrische Potenzial V_N2 zum Zeitpunkt t4₁ gilt: V_N2(t4₁) = V_N1(t4₁) – V23(t4₁) (5)
Berücksichtigt man die Gleichungen (3) und (4), so ist ersichtlich, dass das erste und zweite elektrische Potenzial zum Zeitpunkt t4₁ in einer festen Beziehung zueinander stehen, die ausschließlich von den Kapazitätswerten der zweiten, dritten und vierten Kapazität 22, 23, 33, der Referenzspannung V_REF und dem ersten elektrischen Potenzial V_N1(t3₁) zum Zeitpunkt t3₁ abhängig ist.
Ab dem Zeitpunkt t4₁ ist der zweite Schalter 34 weiter geöffnet und der erste Schalter 32 befindet sich wieder in der ersten Schalterstellung, wodurch der erste und der zweite Schaltungsknoten N1, N2 nur noch kapazitiv an den Ausgang 103 gekoppelt sind. Sinkt ab dem Zeitpunkt t4₁ die Ausgangsspannung V_HB ab, so ändern sich die elektrischen Potenziale an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 entsprechend der oben erläuterten Gleichungen (1) und (2). t5₁ bezeichnet in 6 einen Zeitpunkt, zu dem das zweite elektrische Potenzial V_N2 das Referenzpotenzial V_REF erreicht, und t6₁ bezeichnet einen Zeitpunkt, zu dem das erste elektrische Potenzial V_N1 das Referenzpotenzial V_REF erreicht. Δt₁ bezeichnet eine zeitliche Differenz zwischen diesen beiden Zeitpunkten t5₁, t6₁, die in noch zu erläuternder Weise unmittelbar ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung V_HB darstellt.
t1₂ bezeichnet in 6 einen Zeitpunkt, zu dem die Ausgangsspannung V_HB bis auf ihren unteren Spannungspegel abgesunken ist. Ab diesem Zeitpunkt beginnt für die negative Halbwelle der Ausgangsspannung V_HB der gleiche Ansteuerzyklus des ersten und zweiten Schalters 32, 34, wie er zuvor für den Zeitraum t1₁ bis t4₁ für die positive Halbwelle der Ausgangsspannung V_HB erläutert wurde. Gleiche Zeitpunkte während der negativen Halbwelle sind mit gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Zeitpunkte während der positiven Halbwelle bezeichnet, diese Bezugszeichen unterscheiden sich lediglich durch die tiefgestellten Indizes, wobei der Index ”1” die Zeitpunkte während der positiven Halbwelle und der Index ”2” die entsprechenden Zeitpunkte während der negativen Halbwelle bezeichnet. Während einer Zeitdauer t2₂ bis t3₂ ist der zweite Schalter 34 geschlossen, um die dritte Kapazität 23 zu entladen. Das zweite elektrische Potenzial V_N2 gleicht sich damit dem ersten elektrischen Potenzial V_N1 an, was während der negativen Halbwelle bedeutet, dass das zweite elektrische Potenzial V_N2 ansteigt. Während der Zeitdauer t3₂ bis t4₂, während der sich der erste Schalter 32 in der zweiten Schalterstellung befindet, um die vierte Kapazität 33 an den zweiten Schaltungsknoten N2 anzuschließen, wird während der negativen Halbwelle die zweite Kapazität 22 aus der zuvor auf die Referenzspannung V_REF aufgeladenen vierten Kapazität 33 geladen. Die Gleichungen (3) bis (5) für die Spannung V23 über der dritten Kapazität 23 sowie für die ersten und zweiten elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 zu dem Zeitpunkt t4₂ gelten entsprechend, wobei in diesen Gleichungen die Zeitpunkte t31 durch t3₂ und t4₁ durch t4₂ zu ersetzen ist.
t4₂ bezeichnet in 6 einen Zeitpunkt, ab dem die Ausgangsspannung V_HB, und damit auch die ersten und zweiten elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 ansteigen. Zu einem Zeitpunkt t5₂ reicht das zweite elektrische Potenzial V_N2 das Referenzpotenzial V_REF, und zu einem Zeitpunkt t6₂ erreicht das erste Potenzial V_N1 die Referenzspannung V_REF. Δt₂ bezeichnet in 6 die Zeitdifferenz zwischen diesen beiden Zeitpunkten t5₂, t6₂.
Sofern die Eingangsspannung der Halbbrücke (Vin in 1) sich über der Zeit nicht ändert, ist der Spannungshub der Ausgangsspannung V_HB beim Übergang vom unteren Spannungspegel auf den oberen Spannungspegel und beim Übergang vom oberen Spannungspegel auf den unteren jeweils gleich. Im eingeschwungenen Zustand, d. h. nach ausreichend vielen Schaltperioden mit dem gleichen Spannungshub der Ausgangsspannung V_HB sind die Signalverläufe des ersten und zweiten Potenzials V_N1, V_N2 bezogen auf das Referenzpotenzial V_REF symmetrisch. Damit besitzt das erste Potenzial V_N1 vor einer fallenden Flanke der Ausgangsspannung V_HB die gleiche Amplitude bezogen auf das Referenzpotenzial V_REF wie vor einer steigenden Flanke der Ausgangsspannung V_HB, der Betrag der Differenz zwischen dem ersten Potenzial V_N1 und dem Referenzpotenzial V_REF ist damit vor einer steigenden Flanke und vor einer fallenden Flanke der Ausgangsspannung V_HB, d. h. zu den Zeitpunkten t4₁, t4₂ jeweils gleich. In der obigen Erläuterung sind diese Amplituden des ersten Potenzials V_N1 vor der fallenden bzw. steigenden Flanke der Ausgangsspannung V_HB mit V_N1(t4₁) und V_N1(t4₂) bezeichnet. Es gilt also: |V_N1(t4₁) – V_REF| = |V_N1(t4₂) – V_REF| (6a) Entsprechend ist die Amplitude des zweiten Potenzials V_N2 bezogen auf das Referenzpotenzial V_REF vor einer fallenden Flanke und vor einer steigenden Flanke der Ausgangsspannung V_HB jeweils gleich, so dass entsprechend gilt: |V_N2\(t4₁) – V_REF| = |V_N2(t4₂) – V_REF| (6b)
Bei unveränderter Eingangsspannung Vin sind die absoluten Änderungen des ersten und zweiten Potenzials V_N1, V_N2 während der steigenden Flanke und während der fallenden Flanke der Ausgangsspannung V_HB jeweils gleich. Diese zeitliche Änderung während der Totzeit, die nachfolgend auch als Signalhub bezeichnet wird, ist gemäß Gleichung (2) über das Teilerverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers C21, C22 vom Signalhub der Ausgangsspannung V_HB abhängig. Im eingeschwungenen Zustand der Schaltungsanordnung sind die Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂ hingegen nicht von dem kapazitiven Spannungsteilerverhältnis abhängig, sondern sind lediglich abhängig von den Kapazitäten innerhalb des kapazitiven Netzwerks 20 und der Umladeschaltung 30. Dies ermöglicht in noch zu erläuternder Weise die Verwendung eines kapazitiven Bauelements als erste Kapazität 21, an das keine besonderen Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit des Kapazitätswertes zu stellen sind. Es kann als erste Kapazität 21 damit ein kapazitives Bauelement verwendet werden, das große herstellungsbedingte Toleranzen seines Kapazitätswertes aufweisen kann.
Die zuvor erwähnte Unabhängigkeit der der Zeitdifferenz Δt von dem Kapazitätswert C21 der ersten Kapazität gilt unter der Annahme, dass der Kapazitätswert C21 der ersten Kapazität C21 vernachlässigbar klein ist im Vergleich zu dem Kapazitätswert C22 der zweiten Kapazität 22. In diesem Fall ist die Amplitude bzw. der Signalhub der Ausgangsspannung V_HB groß im Vergleich zu den Signalhüben des ersten und zweiten Potenzials V_N1, V_N2. Das Produkt aus dem Signalhub der Ausgangsspannung V_HB und dem Kapazitätswert C21 der ersten Kapazität entspricht dann der Ladungsmenge, die während jeder Umladezeit auf den zweiten Kondensator 22 fließt oder von diesem abfließt. Eine Änderung des Kapazitätswertes C21 der ersten Kapazität hat damit den gleichen Einfluss wie eine Änderung des Signalhubs der Ausgangsspannung V_HB. Wenn, wie zuvor erläutert, die Spannungsdifferenzen V_N1 – V_REF bzw. V_N2 – V_REF proportional zu der Amplitude der Ausgangsspannung V_HB sind, bewirkt eine Änderung der ersten Kapazität C21 genauso wie eine Änderung des Signalhubs lediglich eine Skalierung der Signalverläufe des ersten und zweiten Potenzials V_N1, V_N2 gegenüber der Referenzspannung V_REF als virtueller Nulllinie, die Kurvenformen selbst oder deren zeitliche Abhängigkeiten ändern sich nicht. Weil V_REF gleichzeitig die Komparatorschwelle zur Bestimmung der Zeitdifferenz Δt ist, wirkt sich eine Skalierung auf die Zeitpunkte dieser ”Nulldurchgänge” t5, t6 bezogen auf V_REF nicht aus.
Die Symmetrie des ersten und zweiten Potenzials V_N1, V_N2 zu der Referenzspannung V_REF wird bei dem in 5 dargestellten kapazitiven Netzwerk 20 dadurch erreicht, dass der zweite Schaltungsknoten N2, und über die dritte Kapazität 23 auch der erste Schaltungsknoten N1, während jeder Einschaltphase eines Schaltelements 101, 102 an die zuvor auf die Referenzspannung V_REF aufgeladene vierte Kapazität 33 angeschlossen wird. Während der Einschaltphase des ersten Schaltelements 101 (positive Halbwelle der Ausgangsspannung V_HB) wird die zweite Kapazität 22 dabei teilweise zugunsten der vierten Kapazität 33 entladen, und während der Einschaltphase des zweiten Schaltelements 102 (negative Halbwelle der Ausgangsspannung V_HB) wird die zweite Kapazität 22 zu Lasten der vierten Kapazität 33 geladen. Das kapazitive Netzwerk 20 befindet sich – bei zeitlich unveränderter Eingangsspannung Vin – im eingeschwungenen Zustand, wenn die während der Einschaltphase des ersten Schaltelements 101 aus der zweiten Kapazität 22 an die vierte Kapazität 33 abfließende Ladung der Ladung entspricht, die während der Einschaltphase des zweiten Schaltelements 102 von der vierten Kapazität 33 an die zweite Kapazität 22 zurückfließt Ein Einschwingvorgang bis zum Erreichen eines solchen eingeschwungenen Zustands wird nachfolgend anhand von 7 erläutert.
7 zeigt beispielhaft zeitliche Verläufe der Ausgangsspannung V_HB sowie des ersten Potenzials V_N1. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die erste Kapazität 22 vor einem ersten Anstieg der Ausgangsspannung V_HB ungeladen ist, d. h. dass deren Ladung zu einem Zeitpunkt t0₀₁ gleich Null ist. Steigt die Ausgangsspannung V_HB auf ihren oberen Spannungspegel an, so ist das erste Potenzial V_N1 zum Zeitpunkt t1₀₁, zu dem die Ausgangsspannung V_HB zum ersten Mal den oberen Spannungspegel erreicht, unmittelbar über das Teilerverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers abhängig von der Ausgangsspannung V_HB. t3₀₁ bezeichnet in 7 einen Zeitpunkt, zu dem der erste Schalter 32 in die zweite Schalterstellung umgeschaltet wird, um die vierte Kapazität 33 an den zweiten Schaltungsknoten N2 anzuschließen, wodurch die zweite Kapazität 22 entladen wird. Da die zweite Kapazität 22 zu Beginn des Einschwungvorgangs weniger stark geladen ist, als im eingeschwungenen Zustand, wird die zweite Kapazität 22 ab dem Zeitpunkt t3 über die dritte Kapazität 33 zunächst aufgeladen, wodurch das Potenzial an dem ersten Knoten N1 ansteigt. Sinkt ab dem Zeitpunkt t4 die Ausgangsspannung V_HB ab, so wird die zweite Kapazität 22 nicht mehr vollständig entladen, d. h. das erste Potenzial V_N1 sinkt nicht mehr bis auf das weitere Referenzpotenzial GND. Während der negativen Halbwelle der Ausgangsspannung V_HB wird die zweite Kapazität 22 bei geschlossenem zweiten Schalter 32 ebenfalls durch die vierte Kapazität 33 geladen, und zwar ab dem Zeitpunkt t2₀₂ gemäß 7. Der Einschwingvorgang ist abgeschlossen, wenn die zweite Kapazität 22 nach einer Anzahl von Ansteuerzyklen soweit aufgeladen ist, dass bei positiver Halbwelle der Ausgangsspannung V_HB genau so viel Ladung ΔQ1 aus der zweiten Kapazität 22 bei geschlossenem zweiten Schalter 32 in die vierte Kapazität 33 abfließt, wie Ladung ΔQ2 bei negativer Halbwelle der Ausgangsspannung V_HB bei geschlossenem zweiten Schalter 32 aus der vierten Kapazität 33 in die zweite Kapazität 22 zufließt. Es gilt also: –ΔQ1 = ΔQ2.
8 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Umladeschaltung 30. Die vierte Kapazität 33 dieser Umladeschaltung 30 ist zwischen den Anschluss 12 für das Referenzpotenzial V_REF und den ersten Schalter 32 geschaltet, wobei der erste Schalter 32 dazu ausgebildet ist, den Anschluss der vierten Kapazität 33, der in dem Beispiel dem Referenzpotenzialanschluss 12 abgewandt ist, wahlweise an den Referenzpotenzialanschluss 12 oder den zweiten Schaltungsknoten N2 anzuschließen. In nicht näher dargestellter Weise könnten bei der Schaltung gemäß 8 die vierte Kapazität 33, der erste Schalter 32 und der zweite Schaltungsknoten N2 auch entsprechend des Beispiels gemäß 5 verschaltet sein, also so dass die dritte Kapazität mit einem Anschluss dauerhaft auf dem weiteren Referenzpotenzial GND liegt und dass der andere Anschluss mittels des ersten Schalters 32 zwischen der Klemme 12 für das Referenzpotenzial V_REF und dem zweiten Anschluss N2 umschaltbar ist. In entsprechender Weise könnten bei der Schaltung gemäß 5 die vierte Kapazität 33, der erste Schalter 32 und der zweite Schaltungsknoten N2 auch entsprechend des in 8 dargestellten Beispiels verschaltet sein.
Die Umladeschaltung 30 umfasst außerdem eine Brückenschaltung mit vier Brückenschaltern 371, 372, 381, 382 und einer fünften Kapazität 39. Diese Brückenschaltung ist zwischen den ersten Schaltungsknoten N1 und den Anschluss 12 für das zweite Referenzpotenzial V_REF geschaltet. Die vier Brückenschalter und die fünfte Kapazität 34 sind dabei so verschaltet, dass ein erstes Schalterpaar mit einem ersten Brückenschalter 371 und einem zweiten Brückenschalter 372 die fünfte Kapazität 39 mit einer ersten Polarität zwischen den ersten Schaltungsknoten N1 und den Referenzpotenzialanschluss 12 schaltet, wenn diese Schalter 371, 372 geschlossen sind, und dass ein zweites Schalterpaar mit einem dritten und einem vierten Brückenschalter 381 382 die fünfte Kapazität 39 mit einer zweiten Polarität zwischen den ersten Schaltungsknoten N1 und den Referenzpotenzialanschluss 12 schaltet, wenn die Schalter dieses Schalterpaares geschlossen sind. Wenn die Schalter 371, 372 des ersten Schalterpaares geschlossen sind, ist somit ein erster Anschluss der fünften Kapazität 39 an den ersten Schaltungsknoten N1 angeschlossen und ein zweiter Schaltungsknoten der vierten Kapazität 39 ist an den Referenzpotenzialanschluss 12 angeschlossen. Bei leitenden Schaltern 381, 382 des zweiten Schalterpaares ist in entsprechender Weise der zweite Anschluss der fünften Kapazität 39 an den ersten Schaltungsknoten N1 und der erste Anschluss der fünften Kapazität 39 an den Referenzpotenzialanschluss 12 angeschlossen. Optional ist zwischen den ersten Anschluss der fünften Kapazität 39 und den Referenzpotenzialanschluss 12 eine sechste Kapazität 35 geschaltet, und zwischen den zweiten Anschluss der fünften Kapazität 39 und den Referenzpotenzialanschluss 12 eine siebte Kapazität 36 geschaltet.
Die Funktionsweise der in 8 dargestellten Schaltungsanordnung wird anschaulich anhand zeitlicher Verläufe der Ausgangsspannung V_HB, sowie der ersten und zweiten Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2, deren zeitliche Verläufe für den eingeschwungenen Zustand der Schaltung in 9 dargestellt sind. Dargestellt sind in 9 auch die zeitlichen Verläufe der Ansteuersignale der einzelnen Schalter. Φ1 bezeichnet dabei das Ansteuersignal des ersten Schalters 32. In dem dargestellten Beispiel repräsentiert ein unterer Signalpegel dieses Ansteuersignals Φ1 einen Schaltzustand, bei dem die vierte Kapazität 33 an den zweiten Referenzpotenzialanschluss 12 angeschlossen ist, wodurch die vierte Kapazität 33 kurzgeschlossen ist. Dieser Schaltzustand wird nachfolgend auch als erster Schaltzustand bezeichnet. Ein oberer Signalpegel des Ansteuersignals Φ1 repräsentiert einen Schaltzustand des ersten Schalters 32, bei dem die vierte Kapazität 33 an den zweiten Schaltungsknoten N2 angeschlossen ist. Dieser Schaltzustand wird nachfolgend auch als zweiter Schaltzustand bezeichnet.
Φ3 bezeichnet in 9 das gemeinsame Ansteuersignal der Brückenschalter 371, 372 des ersten Schalterpaares, und Φ4 bezeichnet das gemeinsame Ansteuersignal für die Brückenschalter 381, 382 des zweiten Schalterpaares. Im dargestellten Beispiel sind die Brückenschalter jeweils geschlossen, wenn deren Ansteuersignal Φ3 oder Φ4 einen oberen Signalpegel annimmt und die Schalter sind jeweils geöffnet, wenn deren Ansteuersignal Φ3 oder Φ4 einen unteren Signalpegel annimmt. Zum besseren Verständnis ist in 9 außerdem das erste und das zweite Ansteuersignal S1, S2 für die beiden Halbbrückenschalter 101, 102 dargestellt.
Entsprechend dem Signalverlauf in 6 bezeichnet t1₁ in 9 einen Zeitpunkt, zu dem die Ausgangsspannung V_HB während ihrer positiven Halbwelle den Maximalwert erreicht. Bis zu diesem Zeitpunkt sind alle Brückenschalter 371, 372, 381, 382 geöffnet und die vierte Kapazität 33 ist über den ersten Schalter 32 kurzgeschlossen. Zu einem späteren Zeitpunkt t2₁ während der positiven Halbwelle werden die Brückenschalter 371, 372 des ersten Brückenschalterpaares geschlossen, und der erste Schalter 32 wird in die zweite Schalterstellung umgeschaltet, um die vierte Kapazität 33 zwischen den Referenzpotenzialanschluss 12 und den zweiten Schaltungsknoten N2 zu schalten. Die zweite Kapazität 22 wird dadurch über die optional vorhandene sechste Kapazität 35 entladen, wodurch das erste Potenzial V_N1 absinkt. Die Ladung in der Kapazität 39 ändert sich im eingeschwungenen Zustand nicht. Weiterhin wird die vierte Kapazität 33 geladen, wodurch das zweite elektrische Potenzial V_N2 ebenfalls absinkt. Dadurch stellen sich an dem ersten und dem zweiten Knoten V_N1, V_N2 elektrische Potenziale ein, die sich bezogen auf das Referenzpotenzial V_REF unterscheiden. Wie stark das zweite Potenzial V_N2 während dieser Zeitdauer absinkt, wie stark sich dieses Potenzial also dem Bezugspotenzial V_REF annähert, ist abhängig von dem kapazitiven Teileverhältnis des durch die dritte und vierte Kapazität 23, 33 gebildeten Teilerverhältnisses. t3₁ bezeichnet in 9 einen Zeitpunkt, zu dem die Umladeprozesse an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 abgeschlossen sind und zu dem die Brückenschalter 371, 372 geöffnet werden und der erste Schalter 32 wieder in den ersten Schaltzustand umgeschaltet wird, um die Verbindung zwischen dem zweiten Schaltungsknoten N2 und der vierten Kapazität 33 zu trennen. Für eine Änderung des zweiten Potenzials V_N2 zwischen den Zeitpunkten t2₁ und t3₁ gilt dabei:
C23 bezeichnet hierbei den Kapazitätswert der dritten Kapazität 23, und C33 bezeichnet den Kapazitätswert der vierten Kapazität 33. Das elektrische Potenzial V_N2 sinkt zwischen den Zeitpunkten t2₁ und t3₁ als umso stärker ab, je größer der Kapazitätswert C33 der vierten Kapazität 33 im Vergleich zu der Kapazität der Reihenschaltung der zweiten und dritten Kapazität 22, 23 ist. Das Verhältnis C33/C23 der Kapazitätswerte der dritten und vierten Kapazität 23, 33 liegt beispielsweise zwischen 2 und 10.
Die Änderung des elektrischen Potenzials V_N1 zwischen den Zeitpunkten t2₁ und t3₁ ist maßgeblich bestimmt durch das Verhältnis zwischen den Kapazitätswerten C22 der zweiten Kapazität und der Serienschaltung der dritten und vierten Kapazität 23, 33. Die Verhältnisse sind ähnlich wie bei der Schaltung gemäß 5 mit dem Unterschied, dass die dritte Kapazität 23 nicht zwischendurch entladen wird. C23 wird ab den Zeitpunkten t2₁ und t2₂ jeweils entgegengesetzt aufgeladen. Die dafür benötigte Ladungsmenge ist doppelt so groß als sie wäre, wenn die dritte Kapazität 23 wie bei der Schaltung gemäß 5 zwischendurch entladen würde. Die Kapazitätswerte der optional vorhandenen sechsten und siebten Kapazität 35, 36 können wesentlich kleiner sein als der Kapazitätswert der fünften Kapazität 39. Das Kapazitätsverhältnis zwischen dem Kapazitätswert C35, C36 einer dieser sechsten und siebten Kapazitäten und dem Kapazitätswert C39 der fünften Kapazität 39 beträgt beispielsweise zwischen 1/5 und 1/10. Die sechste und siebte Kapazität 35, 36 können beispielsweise durch Leitungskapazitäten gebildet sein.
Der Kapazitätswert C39 der fünften Kapazität 39 kann beispielsweise in der gleichen Größenordnung liegen wie der Kapazitätswert C22 der zweiten Kapazität 22. Das Verhältnis C34/C22 dieser Kapazitätswerte liegt beispielsweise zwischen 0,2 und 5.
Durch die Umladungen des ersten und zweiten Schaltungsknotens N1, N2 zwischen den Zeitpunkten t2₁, t3₁ stellen sich an den ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 auf das zweite Referenzpotenzial V_REF bezogene elektrische Potenziale V_N1, V_N2 ein, die sich jeweils voneinander unterscheiden.
t4₁ bezeichnet in 9 einen Zeitpunkt, ab dem die Ausgangsspannung V_HB absinkt. Die elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 ändern sich dabei in gleicher Weise, und zwar abhängig von der zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung V_HB. Die zeitlichen Änderungen der elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1 und N2 stehen dabei entsprechend der Gleichung (2) zu der zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung V_HB in Beziehung.
Mit t5₁, t6₁ sind in 9 die Zeitpunkte bezeichnet, zu denen das erste und zweite elektrische Potenzial V_N1, V_N2 bei der fallenden Flanke der Ausgangsspannung _VHS das Referenzpotenzial V_REF erreichen. Eine zeitliche Differenz Δt₁ stellt hierbei unmittelbar ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung V_HB dar.
t1₂ bezeichnet in 9 einen Zeitpunkt, zu dem die Ausgangsspannung V_HB während der negativen Halbwelle ihren maximalen (negativen) Amplitudenwert erreicht hat. Nach diesem Zeitpunkt t1₂ wird zu einem Zeitpunkt t2₂ der erste Schalter 32 wieder umgeschaltet, um die dritte Kapazität 33 an den zweiten Schaltungsknoten N2 anzuschließen, und die Brückenschalter 381, 382 des zweiten Schalterpaares werden geschlossen, um die fünfte Kapazität 34 mit umgekehrter Polung zwischen den ersten Schaltungsknoten N1 und den Referenzpotenzialanschluss 12 zu schalten. Infolgedessen wird die zweite Kapazität 22 über die Reihenschaltung der dritten und vierten Kapazität 23, 33 aufgeladen, wobei die in der dritten Kapazität 23 aus der vorangegangenen Halbwelle vorhandene Ladung zur Aufladung der zweiten Kapazität 22 beiträgt. Das Potenzial V_N2 an den zweiten Schaltungsknoten N2 steigt dadurch an. Im eingeschwungenen Zustand liegt der Wert des ersten elektrischen Potenzials V_N1 zum Zeitpunkt t3₁ bezogen auf das Referenzpotenzial V_REF symmetrisch zu dem Wert des ersten elektrischen Potenzials V_N1 zum Zeitpunkt t3₂. Entsprechend liegt der Wert des zweiten elektrischen Potenzials V_N2 zum Zeitpunkt t3₁ bezogen auf das Referenzpotenzial V_REF symmetrisch zu dem Wert des zweiten elektrischen Potenzials V_N2 zum Zeitpunkt t3₂. Die Signalverläufe des ersten und zweiten elektrischen Potenzials V_N1, V_N2 sind in eingeschwungenem Zustand damit symmetrisch bezogen auf das zweite Referenzpotenzial V_REF. Ein eingeschwungener Zustand wird bei der in 8 dargestellten Schaltungsanordnung umso schneller erreicht, je größer der Kapazitätswert C39 der fünften Kapazität 39 im Vergleich zu dem Kapazitätswert C22 der zweiten Kapazität 22 ist.
Zum Zeitpunkt t4₂ steigt die Ausgangsspannung V_HB bei dem in 9 dargestellten Szenario an, wobei die elektrischen Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 in gleicher Weise ansteigen. t5₂, t6₂ bezeichnen hierbei die Zeitpunkte, zu denen das erste und zweite elektrische Potenzial V_N1, V_N2 jeweils den Wert des zweiten Referenzpotenzials V_REF erreichen. Eine zeitliche Differenz Δt₂ zwischen diesen Zeitpunkten t5₂, t6₂ ist hierbei unmittelbar ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung V_HB. In eingeschwungenem Zustand sind die Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂, die für die positive und die negative Halbwelle der Ausgangsspannung V_HB ermittelt werden, jeweils gleich, vorausgesetzt, die Umladezeiten sind während der positiven und der negativen Halbwelle ebenfalls gleich, was in Lampenvorschaltgeräten und LLC-Convertern normalerweise der Fall ist.
Für die zuvor anhand von 9 gemachte Erläuterung wurde angenommen, dass die Zeitdauern, während der eines der Schalterpaare der Brückenschaltung eingeschaltet ist und während der der erste Schalter 32 die dritte Kapazität 33 an den zweiten Schaltungsknoten N2 anschließt, jeweils gleich sind. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass dies lediglich als Beispiel zu verstehen ist. So könnte die Zeitdauer, während der die Schalter eines Schalterpaares geschlossen sind und die Zeitdauer, während der der erste Schalter 32 die vierte Kapazität 33 an den zweiten Schaltungsknoten N2 anschließt, auch zeitlich versetzt zueinander sein, unter der Voraussetzung, dass diese Zeitdauern jeweils innerhalb der Einschaltdauer eines der Halbbrückenschalter liegen.
Die zuvor im Zusammenhang mit den 6 und 9 erläuterten Ansteuersignale Φ1–Φ4 können unmittelbar aus den Ansteuersignalen S1, S2 der Halbbrückenschalter abgeleitet werden. Bei dem anhand von 6 erläuterten Beispiel beginnt die Zeitdauer, während der das zweite Ansteuersignal Φ2 einen oberen Signalpegel annimmt, beispielsweise jeweils nach einer Verzögerungszeit nach einem oberen Signalpegel des ersten oder zweiten Ansteuersignals S1, S2. Die Zeitdauer, während der das zweite Ansteuersignal Φ2 einen oberen Signalpegel annimmt, ist beispielsweise ein vorgegebener Bruchteil der gesamten Zeitdauer, während der das erste und zweite Ansteuersignal S1, S2 jeweils einen oberen Signalpegel annehmen. Diese Zeitdauer kann beispielsweise während eines vorangehenden Ansteuerzyklus gemessen werden, so dass das Verfahren auch bei sich ändernden Schaltfrequenzen für die beiden Schalter 101, 102 der Halbbrücke funktioniert. Der obere Signalpegel des ersten Ansteuersignals Φ1 beginnt bei dem in 6 erläuterten Beispiel beispielsweise dann, wenn das zweite Ansteuersignal Φ2 einen unteren Signalpegel annimmt. Die Zeitdauer des oberen Signalpegels des ersten Ansteuersignals Φ1 endet jeweils dann, wenn die Ansteuersignale S1 bzw. S2 ihren unteren Signalpegel annehmen.
Alternativ kann der obere Signalpegel für das zweite Ansteuersignal Φ2 auch für eine fest vorgegebene Zeitdauer erzeugt werden, die so gewählt ist, dass sie wesentlich kürzer ist als die kürzestmögliche Einschaltdauer des ersten und zweiten Ansteuersignals S1, S2. Diese Einschaltdauer beträgt beispielsweise 50% oder weniger der kürzestmöglichen Einschaltdauer.
Bei dem anhand von 9 erläuterten Verfahren wird das Ansteuersignal Φ1 für den ersten Schalter 32 beispielsweise so erzeugt, dass es einen Einschaltpegel nach Ablauf einer Verzögerungszeit nach einem Einschaltpegel des ersten oder zweiten Ansteuersignals S1, S2 annimmt, und dass es diesen Einschaltpegel für eine vorgegebene Zeitdauer beibehält. Diese vorgegebene Zeitdauer ist beispielsweise ein Bruchteil der gesamten Einschaltdauer des ersten oder zweiten Schaltsignals S1, S2 oder eine fest vorgegebene Zeitdauer. Alternativ kann diese Zeitdauer auch enden, wenn die Ansteuersignale S1 bzw. S2 enden. Das dritte und vierte Ansteuersignal Φ3 und Φ4 werden so erzeugt, dass Φ3 während eines Einschaltpegels des ersten Schaltsignals S1 dem zweiten Ansteuersignal Φ2 entspricht, und dass Φ4 während eines Einschaltpegels des zweiten Ansteuersignals S2 dem zweiten Ansteuersignal Φ2 entspricht.
Im Zusammenhang mit den 6 und 9 sei noch darauf hingewiesen, dass diese Figuren vereinfachende Darstellungen sind, da die Lade- und Entladevorgänge der Kapazitäten durch lineare Kurvenverläufe anstatt der korrekten exponentiellen Kurvenverläufe dargestellt sind.
Bei den anhand der 5 und 8 erläuterten Schaltungsanordnungen sind der erste und zweite Schaltungsknoten N1, N2 so an den Ausgang 103 gekoppelt, dass sich bei einer Änderung der Ausgangsspannung V_HB die Potenziale V_N1, V_N2 an diesen beiden Knoten N1, N2 jeweils in gleicher Weise ändern. Eine Zeitdifferenz Δt ungleich Null wird hierbei dadurch erreicht, dass sich die Differenzen V_N1 – V_REF, V_N2 – V_REF, die sich vor Flanken der Ausgangsspannung V_HB einstellen, unterscheiden. Abweichend hiervon könnten die Knoten N1, N2 auch derart kapazitiv an den Ausgang 103 gekoppelt werden, dass sich Potenziale V_N1, V_N2 an diesen beiden Knoten N1, N2 jeweils in unterschiedlicher Weise ändern. Die Differenzen V_N1 – V_REF, V_N2 – V_REF könnten vor Flanken der Ausgangsspannung V_HB dann auf den gleichen Wert eingestellt werden oder auch auf unterschiedliche Werte eingestellt werden, sofern gewährleistet ist, dass diese Differenzen proportional zu der Amplitude der Ausgangsspannung sind und dass die zeitlichen Änderungen der Potenziale V_N1, V_N2 an dem ersten und zweiten Knoten N1, N2 proportional zu zeitlichen Änderungen der Ausgangsspannung V_HB sind.
Eine kapazitive Kopplung der ersten und zweiten Schaltungsknoten N1, N2 an den Ausgang 103, die unterschiedliche zeitliche Änderungen der Potenziale V_N1, V_N2 bewirkt, kann bei den Schaltungen gemäß der 5 und 8 beispielsweise dadurch erreicht werden, dass kapazitiven Teilerverhältnisse für den ersten und zweiten Knoten N1 und N2 unterschiedlich sind. Dazu könnte der kapazitive Spannungsteiler 21, 22 durch Hinzufügen einer weiteren in Reihe geschalteten Spannungsteilerkapazität erweitert werden. Der so erhaltene Spannungsteiler hat zwei Abgriffspunkte, von denen einer den ersten Knoten N1 bildet und der andere den zweiten Knoten N2. Alternativ könnte die dritte Kapazität 23 durch einen weiteren zwischen den Knoten N2 und ein Referenzpotenzial zu verschaltenden Kondensator zu einem kapazitiven Spannungsteiler ergänzt werden. Ein Beispiel einer Ansteuerschaltung 60 zur Erzeugung der ersten und zweiten Ansteuersignale S1, S2 für die beiden Halbbrückenschalter 101, 102 ist in 10 dargestellt. Diese Ansteuerschaltung umfasst einen Oszillator 61, der dazu ausgebildet ist, ein rechteckförmiges Oszillatorsignal S61 zu erzeugen. Die Frequenz dieses Oszillatorsignals ist beispielsweise mittels eines dem Oszillator 61 zugeführten Steuersignals S62 (gestrichelt dargestellt) einstellbar. Die Ansteuerschaltung umfasst außerdem ein erstes und ein zweites Flip-Flop 62, 63, die jeweils einen Setz-Eingang S, einen Rücksetz-Eingang R und einen Ausgang Q aufweisen. Am Ausgang Q des ersten Flip-Flops 62 steht das erste Ansteuersignal S1 und am Ausgang Q des zweiten Flip-Flops 63 steht das zweite Ansteuersignal S2 zur Verfügung. Für die vorliegende Erläuterung sei angenommen, dass die Ansteuersignale S1, S2 jeweils einen Einschaltpegel annehmen, wenn das jeweilige Flip-Flop 62, 63 gesetzt ist, und einen Ausschaltpegel annehmen, wenn das jeweilige Flip-Flop 62, 63 zurückgesetzt ist.
Die beiden Flip-Flops 62, 63 werden bei der dargestellten Ansteuerschaltung 60 abhängig von dem Oszillatorsignal S61 und dem Totzeitsignal S10 gesetzt und abhängig von dem Oszillatorsignal S61 zurückgesetzt. Das erste Flip-Flop 62 wird jeweils gesetzt, wenn das Oszillatorsignal 61 einen oberen Signalpegel annimmt und wenn das Totzeitsignal S10 ein Ende der Totzeit signalisiert. Diese Signalisierung des Endes der Totzeit erfolgt beispielsweise durch eine steigende Flanke des Totzeitsignals S10. Dem Setz-Eingang 62 des ersten Flip-Flops 62 ist hierzu das Oszillatorsignal S61 und das Totzeitsignal S10 über ein UND-Gatter 64 zugeführt. Ein Rücksetzen des ersten Flip-Flops 62 erfolgt mit jeder fallenden Flanke des Oszillatorsignals S61. Der Rücksetz-Eingang 62 des ersten Flip-Flops ist hierzu ein invertierender Eingang. Das zweite Flip-Flop 63 wird jeweils dann gesetzt, wenn das Oszillatorsignal S61 einen unteren Signalpegel annimmt und wenn das Totzeitsignal S10 ein Ende der Totzeit signalisiert. In dem dargestellten Beispiel sind dem Setz-Eingang S des zweiten Flip-Flops 63 das mittels eines Inverters 64 invertierte Oszillatorsignal S61' sowie das Totzeitsignal S10 UND-verknüpft über ein zweites UND-Gatter 66 zugeführt. Das zweite Flip-Flop 63 wird mit jeder steigenden Flanke des Oszillatorsignals 61 zurückgesetzt. Dem Rücksetz-Eingang R des zweiten Flip-Flops 63 ist hierzu das Oszillatorsignal S61 unmittelbar zugeführt.
Die Funktionsweise der in 10 dargestellten Ansteuerschaltung 60 wird anschaulich anhand von 11, in der beispielhaft zeitliche Verläufe des Oszillatorsignals 61, des Totzeitsignals S10 sowie der ersten und zweiten Ansteuersignale S1, S2 dargestellt sind. Wie anhand von 11 ersichtlich ist, nimmt das erste Ansteuersignal S1 nach Ablauf einer Totzeit nach einer steigenden Flanke des Oszillatorsignals S61 einen Einschaltpegel an, der bis zur fallenden Flanke des Oszillatorsignals S61 andauert. Das zweite Ansteuersignal S2 nimmt jeweils nach Ablauf der Totzeit nach einer fallenden Flanke des Oszillatorsignals S61 einen Einschaltpegel an, der jeweils bis zur nächsten steigenden Flanke des Oszillatorsignals S61 andauert. Die Totzeit wird bestimmt durch das Totzeitsignal S10 bzw. in dem dargestellten Beispiel durch eine steigende Flanke des Totzeitsignals S10.
Ein Beispiel einer Totzeitsignalerzeugungsschaltung 40 zur Erzeugung des Totzeitsignals S10 ist in 12 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung umfasst zwei Komparatoren: Einen ersten Komparator 41, dem das erste Potenzial V_N1 und das Referenzpotenzial V_REF zugeführt ist und der ein abhängig von einem Vergleich dieser beiden Potenziale abhängiges erstes Komparatorsignal S41 erzeugt; und einen zweiten Komparator 42, dem das zweite Potenzial V_N2 und das Referenzpotenzial V_REF zugeführt sind und der ein von einem Vergleich dieser beiden Potenziale abhängiges zweites Komparatorsignal S42 erzeugt. Im dargestellten Beispiel sind die ersten und zweiten Potenziale V_N1, V_N2 jeweils den nicht invertierenden Eingängen der Komparatoren 41, 42 zugeführt, während das zweite Referenzpotenzial V_REF dem invertierenden Eingang dieser Komparatoren 41, 42 zugeführt ist. Die Zuführung dieser Signale zu den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen der Komparatoren könnte allerdings auch vertauscht werden. Die beiden Komparatorsignale S41, S42 sind einer Auswerteschaltung 43 zugeführt, die das Totzeitsignal S10 erzeugt.
Ein Beispiel der Auswerteschaltung 43 ist in 13 dargestellt. Diese Auswerteschaltung ist dazu ausgebildet, die Totzeit nach einer fallenden Flanke des ersten oder zweiten Ansteuersignals S1, S2 aus der Zeitdifferenz Δt zu ermitteln, wobei diese Zeitdifferenz Δt durch die beiden Komparatorsignale S41, S42 repräsentiert ist. Δt bezeichnet in diesem Zusammenhang eine der beiden zuvor anhand der 6 und 9 erläuterten Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂, die im eingeschwungenen Zustand gleich sind.
Die dargestellte Auswerteschaltung 43 umfasst zwei Reihenschaltungen mit je einer Kapazität 511, 512, einem Schaltelement 521, 522 und einer Stromquelle 531, 532. Die Auswerteschaltung umfasst außerdem einen Komparator 54, der dazu ausgebildet ist, elektrische Spannungen über den Kapazitäten 511, 512 der beiden Reihenschaltungen auszuwerten und das Totzeitsignal S10 abhängig von einem Vergleich dieser Spannungen V51₁, V51₂ zu erzeugen. Die erste und die zweite Reihenschaltung sind so aufeinander abgestimmt, dass die Spannung V51₁ über der Kapazität 511 der ersten Reihenschaltung bei geschlossenem Schalter 521 langsamer ansteigt als die Spannung V51₂ über der Kapazität 512 der zweiten Reihenschaltung bei geschlossenem Schalter 522. Dies kann durch geeignete Wahl der Kapazitätswerte dieser Kapazitäten 511, 512 und der Stromquellen 531, 532 erreicht werden, wobei für die zeitlichen Änderungen dV51₁/dt bzw. dV51₂/dt der Spannungen V51₁ bzw. V51₂ über den Kapazitäten 511, 512 gilt:
I53₁ bzw. I53₂ bezeichnen hierbei die durch die Stromquellen 531, 532 gelieferten Ströme, und C51₁, C51₂ bezeichnen die Kapazitätswerte der Kapazitäten 511, 512.
Die Funktionsweise der in 13 dargestellten Auswerteschaltung wird anschaulich anhand von 14, in der zeitliche Verläufe einiger in der Auswerteschaltung 43 vorkommender Signale dargestellt sind.
Die Schalter 521, 522 der beiden Reihenschaltungen sind durch Ansteuersignale S52₁, S52₂ angesteuert. Bei der dargestellten Auswerteschaltung wird der Schalter 521 der ersten Reihenschaltung mit jeder fallenden Flanke des ersten oder zweiten Ansteuersignals S1, S2 leitend angesteuert. Das Ansteuersignal S52₁ wird hierzu beispielsweise mittels eines Flip-Flops 58 erzeugt, das einen invertierenden Setz-Eingang S aufweist, dem ein durch ODER-Verknüpfen des ersten und zweiten Ansteuersignals S1, S2 erhaltenes Signal von einem ODER-Gatter 55 zugeführt ist. Bezugnehmend auf 14 steigt die Spannung V51₁ über der ersten Kapazität 511 ab der fallenden Flanke des ersten oder zweiten Ansteuersignals S1, S2 kontinuierlich an, wobei dieser zeitliche Anstieg durch die Gleichung (8a) bestimmt ist.
Der Schalter 522 der zweiten Reihenschaltung wird nur jeweils während der Zeitdauer Δt leitend angesteuert, um die Kapazität 512 der zweiten Reihenschaltung aufzuladen. Das Ansteuersignal S52₂ für diesen Schalter 522 wird beispielsweise mittels eines XOR-Gatters 56 aus dem ersten und zweiten Komparatorsignal S41, S42 erzeugt.
Die Totzeit T_D beginnt mit der fallenden Flanke des ersten oder zweiten Ansteuersignals S1, S2 und endet, wenn die Spannung V51₁ über der Kapazität 511 bis auf den Wert der Spannung V51₂ über der schneller geladenen Kapazität 512 angestiegen ist. Nach Erreichen der Totzeit T_D werden die Kapazitäten 511, 512 über parallel geschaltete Schalter 571, 572 entladen. Die Ansteuerung dieser Schalter 571, 572 erfolgt beispielsweise durch Ansteuersignale (nicht dargestellt), die dem ersten oder zweiten Ansteuersignal Φ1 oder Φ2 entsprechen können.
Die Totzeit T_D, die mittels der erläuterten Totzeitsignalerzeugungsschaltung ermittelt wird, ist unmittelbar proportional zu der Zeitdifferenz Δt, die durch die beiden Komparatorsignale S41, S42 vorgegeben ist. Für diese Totzeit T_D gilt abhängig von der Zeitdifferenz Δt:
Die Totzeit T_D ist damit außer von der Zeitdifferenz ausschließlich von der Dimensionierung der beiden Reihenschaltungen abhängig.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass in 14 die Ermittlung der Totzeit für die Zeitdauer während einer fallenden Flanke der Ausgangsspannung V_HB dargestellt ist, also für die Zeitdauer nach einer fallenden Flanke des ersten Ansteuersignals S1. Die Ermittlung der Totzeit für die Zeitdauer während einer steigenden Flanke der Ausgangsspannung V_HB, d. h. nach einer fallenden Flanke des zweiten Ansteuersignals S2 funktioniert selbstverständlich entsprechend.
Optional umfasst die Auswerteschaltung 40 eine weitere Auswerteeinheit 44, die dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob die Nulldurchgänge der ersten und zweiten Potenziale V_N1, V_N2 innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer nach Beginn einer Flanke der Ausgangsspannung V_HB, d. h. nach einer fallenden Flanke des ersten oder des zweiten Ansteuersignals S1, S2 auftreten. Dieser Auswerteeinheit 44 sind hierzu das erste und das zweite Komparatorsignal S41, S42 und ein weiteres Signal, das fallende Flanken des ersten und zweiten Ansteuersignals S1, s2 anzeigt, zugeführt. Dieses weitere Signal ist kann beispielsweise das Signal S52₁ gemäß 13 sein.
Die Auswerteeinheit 44 ist dazu ausgebildet, zwei Fehlersignale S44₁, S44₂ zu erzeugen: Das erste Fehlersignal S44₁ repräsentiert einen ersten Fehlerfall, bei dem beide Nulldurchgänge, d. h. der Nulldurchgang des ersten und des zweiten Potenzials V_N1, V_N2 ausbleiben. In diesem Fall liegt eine sogenannte harte Kommutierung der Halbbrücke vor, d. h. ein Blindanteil des Ausgangsstromes fließt in die falsche Richtung. Die Halbbrücke sollte in diesem Fall nach einer kurzen Verzögerungszeit, die im Bereich von einigen Schaltzyklen liegen kann werden, abgeschaltet werden. Das zweite Fehlersignal S44₂ repräsentiert einen zweiten Fehlerfall, bei dem nur der zweite Nulldurchgang, d. h. der Nulldurchgang des ersten Potenzials V_N1, V_N2 ausbleibt. In diesem Fall kann ein Nicht-Nullspannungsschaltbetrieb vorliegen. Die Halbbrücke sollte in diesem Fall ebenfalls abgeschaltet werden, da bei einem solchen Nicht-Nullspannungsschaltbetrieb eine erhöhte Verlustleistung entsteht. Die Zeitdauer zwischen der Detektion eines solchen Fehlerfalls und dem Abschalten der Halbbrücke kann allerdings länger sein als die Zeitdauer zwischen der Detektion einer harten Kommutierung und dem Abschalten und kann beispielsweise einige Sekunden oder einige 10000 Schaltzyklen betragen
Anstatt das erste und zweite Fehlersignal S44₁, S44₂ anhand des ersten und zweiten Komparatorsignals S41, S42 besteht auch die Möglichkeit, die Spannungen V51₁, V51₂ innerhalb der Auswerteschaltung 43 gemäß 13 auszuwerten. Der erste Fehlerfall liegt beispielsweise dann vor, wenn die langsam ansteigende Spannung V51₁ einen ersten oberen Grenzwert übersteigt, und der zweite Fehlerfall liegt beispielsweise dann vor, wenn die schneller ansteigende Spannung V51₂ einen zweiten oberen Grenzwert übersteigt. Diese Grenzwerte können sich unterscheiden, können jedoch auch gleich sein.
Erste und zweite Ansteuersignale S1, S2, wie sie durch die Ansteuerschaltung gemäß 10 erzeugt werden, eignen sich üblicherweise nicht unmittelbar zur Ansteuerung der Halbbrückenschalter 101, 102, und zwar insbesondere dann nicht, wenn die Eingangsspannung Vin größer ist, als der Signalhub der Ansteuersignale S1, S2. In diesem Fall ist zwischen der Ansteuerschaltung 60 und den Halbbrückenschaltern 101, 102, die beispielsweise Leistungs-MOSFET sind, eine Treiberschaltung 70 erforderlich, die dazu geeignet ist, die durch die Ansteuerschaltung 60 erzeugten Ansteuersignale S1, S2 auf geeignete Signale umzusetzen, die zur Ansteuerung der Halbbrückenschalter 101, 102 geeignet sind. Ein Beispiel einer solchen Treiberschaltung 70 ist in 15 dargestellt. Zum besseren Verständnis ist in 15 auch die Halbbrücke dargestellt, deren Schalter in dem dargestellten Beispiel n-Kanal-MOSFET sind. Die Treiberschaltung 70 umfasst zwei Treiberstufen 71, 72: Eine erste Treiberstufe 71, die das Ansteuersignal S1 für den High-Side-Schalters 101 erzeugt und eine zweite Treiberstufe 72, die das Ansteuersignal S2 für den Low-Side-Schalters 102 erzeugt. Das von der Ansteuerschaltung 60 erzeugte Ansteuersignal für den zweiten Schalter 102, das in 15 mit S2' bezeichnet ist, ist der zweiten Treiberstufe 72 unmittelbar zugeführt.
Zur Ansteuerung des High-Side-Schalters ist ein Ansteuersignal S1 erforderlich, das auf das elektrische Potenzial am Ausgang 102 der Halbbrücke bezogen ist, und das zur leitenden Ansteuerung eines n-MOSFET höher sein muss, als das obere Versorgungspotenzial Vin. Dieses Ansteuersignal S1 wird durch die erste Treiberstufe 71 erzeugt, die hierzu beispielsweise mit dem Ausgang 103 verbunden ist und die beispielsweise eine Bootstrap-Schaltung oder eine Ladungspumpe (nicht dargestellt) umfasst. Zur Übertragung des von der Ansteuerschaltung 60 erzeugten Ansteuersignals S1' für den ersten Halbleiterschalter 101 an die erste Treiberstufe 61 ist ein Transformator 73 mit einer Primärwicklung 731 und einer Sekundär-Wicklung 732 vorhanden. Der Transformator 73 überträgt das Ansteuersignal S1', das beispielsweise auf das weitere Referenzpotenzial bzw. Bezugspotenzial GND bezogen ist, an die erste Treiberstufe 71, die als Referenzpotenzial beispielsweise das Potenzial am Ausgang 103 der Halbbrücke erhält. Ein beispielsweise rechteckförmiges Ansteuersignal S1' wird bei Übertragung über den Transformator 73 in seiner Signalform verändert, so dass in der ersten Treiberschaltung 71 in nicht näher dargestellter Weise Demodulationsschaltungen vorhanden sein können, die geeignet sind, die sekundärseitig an dem Transformator 73 empfangenen Signale in geeignete Ansteuersignale zur Ansteuerung des ersten Halbbrückenschalters 101 umzusetzen. Solche Demodulationsschaltungen sind grundsätzlich bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.
Der Transformator 73 ist beispielsweise ein sogenannter Luftspulenübertrager bzw. transformatorkernloser Übertrager (coreless transformer). Ein solcher Transformator besitzt keinen Transformatorkern und kann dadurch auf einfache Weise beispielsweise in oder auf einer integrierten Schaltung integriert werden.
16 veranschaulicht anhand eines Querschnitts durch einen Halbleiterkörper 200 eine mögliche Realisierung eines solchen Luftspulenübertragers 73. Die Primärwicklung 731 und die Sekundärwicklung 732 dieses Transformators 73 sind durch ein Transformatordielektrikum 733 dielektrisch gegeneinander isoliert. Eine der Wicklungen, in dem Beispiel die Sekundärwicklung 732, ist beispielsweise an dem Halbleitersubstrat 201 unterhalb des Dielektrikums 733 angeordnet, während die zweite Wicklung oberhalb des Transformatordielektrikums 733 angeordnet ist. In dem Halbleitersubstrat 201 können in nicht näher dargestellter Weise weitere Schaltungskomponenten der Treiberschaltung 70 oder auch der Ansteuerschaltung 60 integriert sein.
Die Eingangsspannung Vin der Halbbrücke kann abhängig von der Art der durch die Halbbrücke anzusteuernden Last bis zu einige 100 V betragen. Die Ansteuerschaltung 60 und die Totzeitsignalerzeugungsschaltung 10 sind hingegen beispielsweise Logikschaltungen mit einer Versorgungsspannung bzw. einer Spannungsfestigkeit von lediglich einigen Volt. Die Spannung über der zweiten Kapazität 22 des kapazitiven Spannungsteilers sollte dabei die Spannungsfestigkeit dieser Logikschaltungen nicht übersteigen, so dass über der ersten Kapazität 21 dieses Spannungsteilers der Großteil der Eingangsspannung Vin abfallen sollte. Diese erste Kapazität 21 des kapazitiven Spannungsteilers, der in 15 ebenfalls dargestellt ist, sollte daher eine ausreichende Spannungsfestigkeit besitzen. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass als Kapazitätsdielektrikum das gleiche Dielektrikum wie das Transformatordielektrikum 73 verwendet wird bzw. dass als Dielektrikum für die erste Kapazität 21 ein Dielektrikum verwendet wird, das von dem Kondensatordielektrikum 73 getrennt ist, das jedoch mittels derselben Verfahrensschritte wie das Kondensatordielektrikum 73 hergestellt wurde.
Zum besseren Verständnis ist in 16 die erste Kapazität 21 des kapazitiven Spannungsteilers ebenfalls dargestellt. Diese erste Kapazität 21 ist in dem dargestellten Beispiel als Plattenkondensator realisiert, der zwei Kondensatorplatten 211, 212 aufweist, die durch ein Dielektrikum 213 voneinander getrennt sind. Dieses Dielektrikum 213 und das Transformatordielektrikum 733 können als eine durchgehende Dielektrikumsschicht realisiert sein, können jedoch auch voneinander getrennt sein (gestrichelt dargestellt). Die Dielektrika 733, 213 bestehen beispielsweise aus einem Imid oder Oxid.
Die in 15 dargestellte Gesamt-Ansteuerschaltung mit der Ansteuerschaltung 60, der Totzeitsignalerzeugungsschaltung 10, dem kapazitiven Spannungsteiler 21, 22 und der Treiberschaltung 70 kann in zwei unterschiedlichen Halbleiterchips bzw. Halbleiterkörpern integriert sein, die in 15 strichpunktiert dargestellt und mit den Bezugszeichen 200 und 300 bezeichnet sind. In dem dargestellten Beispiel sind die erste Treiberstufe 71, der Transformator 73 und der erste Kondensator 21 des kapazitiven Spannungsteilers in dem ersten Halbleiterkörper 200 integriert, während die zweite Treiberstufe 72, die Ansteuerschaltung 60, die Totzeitsignalerzeugungsschaltung 10 sowie der zweite Kondensator 22 in dem zweiten Halbleiterchip 300 integriert sind. In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, alle Komponenten mit Ausnahme der ersten Treiberstufe 71 in dem zweiten Halbleiterkörper 300 zu integrieren und lediglich die erste Treiberstufe 71 in dem ersten Halbleiterkörper 200 zu integrieren.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, selbstverständlich auch dann mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde.

Claims

Schaltungsanordnung zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung einer Ausgangsspannung (V_HB) einer Halbbrückenschaltung während einer Totzeit, wobei die Halbbrückenschaltung zwei Schaltelemente (101, 102) aufweist, die jeweils abwechselnd einen Einschaltzustand und einen Ausschaltzustand annehmen und die während der Totzeit beide einen Ausschaltzustand annehmen, wobei die Schaltungsanordnung aufweist: einen Eingang (11) zum Zuführen der Ausgangsspannung (VHS); ein kapazitives Netzwerk (20) mit einem ersten und einem zweiten Schaltungsknoten (N1, N2), die jeweils kapazitiv an den Eingang (11) gekoppelt sind, und mit einem Anschluss (12) für ein Referenzpotenzial (V_REF); eine Umladeschaltung (30) für das kapazitive Netzwerk (20) die dazu ausgebildet ist, während der Einschaltphase eines der zwei Schaltelemente (101, 102) elektrische Potenziale (V_N1, V_N2) an dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten (N1, N2) einzustellen, die sich jeweils von dem Referenzpotenzial (V_REF) unterscheiden; eine Vergleicheranordnung (40), die dazu ausgebildet ist, während der Totzeit eine zeitliche Differenz zwischen solchen Zeitpunkten zu ermitteln, zu denen die elektrischen Potenziale (V_N1, V_N2) an dem ersten und dem zweiten Knoten (N1, N2) jeweils einen vorgegebenen Potenzialwert annehmen, wobei diese zeitliche Differenz ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung (V_HB) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der vorgegebene Potenzialwert der Wert des Referenzpotenzials (V_REF) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das kapazitive Netzwerk eine Klemme für ein weiteres Referenzpotenzial (GND) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der das kapazitive Netzwerk aufweist: einen kapazitiven Spannungsteiler mit einer ersten und einer zweiten Kapazität (21, 22), die in Reihe zueinander zwischen den Eingang (11) und die Klemme für das weitere Referenzpotenzial (GND) geschaltet sind, und mit einem Abgriffspunkt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der das kapazitive Netzwerk weiterhin aufweist: eine dritte Kapazität (23), die an den Abgriffspunkt des kapazitiven Spannungsteilers (21, 22) gekoppelt ist; wobei der erste Schaltungsknoten (N1) durch den Abgriffspunkt des Spannungsteilers und der zweite Schaltungsknoten (N2) durch einen dem Abgriffspunkt abgewandten Anschluss der dritten Kapazität gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Umladeschaltung dazu ausgebildet ist, während der Einschaltphase elektrische Potenziale an dem ersten und zweiten Schaltungsknoten (N1, N2) einzustellen, die sich voneinander unterscheiden.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Umladeschaltung wenigstens zwei Schaltelemente und eine Kapazität aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Umladeschaltung aufweist: eine vierte Kapazität (33), die mittels des ersten Schalters (32) wechselweise an den zweiten Schaltungsknoten (N2) des kapazitiven Netzwerks (20) oder den Anschluss für das Referenzpotenzial (V_REF) anschließbar ist; einen zweiten Schalter (34), der parallel zu der dritten Kapazität (23) des kapazitiven Netzwerks (20) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, bei der die Umladeschaltung dazu ausgebildet ist, während der Einschaltphase des einen der Schaltelemente der Halbbrücke (101, 102) den zweiten Schalter (34) für eine Zeitdauer, die kürzer ist als die Einschaltphase zu schließen und anschließend zu öffnen, während der Einschaltphase des einen der Schaltelemente der Halbbrücke (101, 102) und nach dem Öffnen des zweiten Schalters (34) die dritte Kapazität (23) des kapazitiven Netzwerks (20) an die vierte Kapazität der Umladeschaltung (33) anzuschließen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiterhin aufweist: eine vierte Kapazität (33), die mittels des ersten Schalters (32) wechselweise an den zweiten Schaltungsknoten (N2) des kapazitiven Netzwerks (20) oder den Anschluss (12) für das Referenzpotenzial (V_REF) anschließbar ist; eine Brückenschaltung mit vier Schaltelementen (371, 372, 381, 382) und mit einer fünften Kapazität (39), wobei die Brückenschaltung zwischen den ersten Schaltungsknoten (N1) und den Anschluss für das Referenzpotenzial (V_REF) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, bei der die Umladeschaltung dazu ausgebildet ist, während der Einschaltphase des einen der Schaltelemente der Halbbrücke (101, 102) für eine Zeitdauer, die kürzer ist als die Einschaltphase, die dritte Kapazität (23) des kapazitiven Netzwerks (20) an die vierte Kapazität der Umladeschaltung (33) anzuschließen; während der Einschaltphase des einen der Schaltelemente der Halbbrücke (101, 102) für eine Zeitdauer, die kürzer ist als die Einschaltphase, die fünfte Kapazität (39) der Brückenschaltung zwischen den ersten Schaltungsknoten (N1) des kapazitiven Netzwerks und den Anschluss für das Referenzpotenzial (V_REF) zu schalten, und zwar mit einer ersten Polung, wenn das eine der Schaltelemente das erste Schaltelement (101) ist, und mit einer zweiten Polung, wenn das eine der Schaltelemente das zweite Schaltelement (102) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die zur Erzeugung des Referenzpotenzials (V_REF) eine Spannungsquelle (13) aufweist, die zwischen die Klemme für das weitere Referenzpotenzial und die Klemme für das Referenzpotenzial geschaltet ist.
Ansteuerschaltung für eine Halbbrückenschaltung mit einem ersten und einem zweiten Schaltelement (101, 102) und mit einem Ausgang (103), die aufweist: eine Ansteuersignalerzeugungsschaltung (60), die dazu ausgebildet ist, ein erstes Ansteuersignal (S1) für das erste Schaltelement (101) und ein zweites Ansteuersignal (S2) für das zweite Schaltelement (102) abhängig von einem Totzeitsignal (S10) zu erzeugen; eine Totzeitsignalerzeugungsschaltung (10) die aufweist: einen Eingang (11) zum Zuführen einer Ausgangsspannung (VHB); ein kapazitives Netzwerk (20) mit einem ersten und einem zweiten Schaltungsknoten (N1, N2), die jeweils kapazitiv an den Eingang (11) gekoppelt sind, und mit einem Anschluss für ein Referenzpotenzial (V_REF); eine Umladeschaltung (30) für das kapazitive Netzwerk (20) die dazu ausgebildet ist, während der Einschaltphase eines der ersten und zweiten Schaltelemente elektrische Potenziale (V_N1, V_N2) an dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten (N1, N2) einzustellen, die sich jeweils von dem Referenzpotenzial (V_REF) unterscheiden; eine Vergleicheranordnung (40), die dazu ausgebildet ist, während der Totzeit eine zeitliche Differenz zwischen solchen Zeitpunkten zu ermitteln, zu denen die elektrischen Potenziale (V_N1, V_N2) an dem ersten und dem zweiten Knoten (N1, N2) jeweils einen vorgegebenen Potenzialwert (V_REF) annehmen, wobei diese zeitliche Differenz ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung (V_HB) ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 13, bei der das kapazitive Netzwerk eine Klemme für ein weiteres Referenzpotenzial (GND) aufweist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 14, bei der das kapazitive Netzwerk aufweist: einen kapazitiven Spannungsteiler mit einer ersten und einer zweiten Kapazität (21, 22), die in Reihe zueinander zwischen den Eingang (11) und den Anschluss für das weitere Referenzpotenzial (GND) geschaltet sind, und mit einem Abgriffspunkt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 15, bei der das kapazitive Netzwerk weiterhin aufweist: eine dritte Kapazität (23), die an den Abgriffspunkt des kapazitiven Spannungsteilers (21, 22) gekoppelt ist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei die Ansteuersignalerzeugungsschaltung aufweist: eine Logikschaltung (60) der das Totzeitsignal (S10) zugeführt ist; eine erste Treiberschaltung (71), die über einen Transformator (73) an die Logikschaltung (60) gekoppelt ist und die das erste Ansteuersignal (S1) bereitstellt; eine zweite Treiberschaltung (72), die an die Logikschaltung (60) angeschlossen ist und die das zweite Ansteuersignal (S2) bereitstellt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 17, bei der die erste Treiberschaltung (71), der Transformator (73) und die erste Kapazität (21) des kapazitiven Spannungsteilers in einem ersten Halbleiterchip (200) integriert sind; die Logikschaltung (60), die zweite Treiberschaltung (72) und die zweite Kapazität (22) des kapazitiven Spannungsteilers in einem zweiten Halbleiterchip (300) integriert sind.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 17, bei der die erste Treiberschaltung (71), in einem ersten Halbleiterchip (200) integriert ist; der Transformator (73), die erste Kapazität (21) des kapazitiven Spannungsteilers, die Logikschaltung (60), die zweite Treiberschaltung (72) und die zweite Kapazität (22) des kapazitiven Spannungsteilers in einem zweiten Halbleiterchip (300) integriert sind.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der der Transformator (73) ein Luftspulentransformator ist, der eine Primärwicklung (731) und eine Sekundärwicklung (731) aufweist, die durch eine erste Dielektrikumsschicht (733) voneinander getrennt sind, und bei der die erste Kapazität (21) eine erste und eine zweite Elektrode (211, 212)) aufweist, die durch eine zweite Dielektrikumsschicht (213) voneinander getrennt sind.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 20, bei der die erste und die zweite Dielektrikumsschicht durch eine gemeinsame Dielektrikumsschicht gebildet sind.
Verfahren zur Ermittlung einer zeitlichen Änderung einer Ausgangsspannung (V_HB) einer Halbbrückenschaltung während einer Totzeit, wobei die Halbbrückenschaltung zwei Schaltelemen- te (101, 102) aufweist, die jeweils abwechselnd einen Einschaltzustand und einen Ausschaltzustand annehmen und die während der Totzeit beide eine Ausschaltzustand annehmen, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines kapazitiven Netzwerks (20) mit einem Eingang, dem die Ausgangsspannung (V_HB) zugeführt ist und einem ersten und einem zweiten Schaltungsknoten (N1, N2), die jeweils kapazitiv an den Eingang (11) gekoppelt sind; Umladen der ersten und zweiten Schaltungsknoten während der Einschaltphase eines der ersten und zweiten Schaltelemente derart dass sich elektrische Potenziale (V_N1, V_N2) an dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten (N1, N2) einzustellen, die sich jeweils von einem Referenzpotenzial (V_REF) unterscheiden; Ermitteln, während der Totzeit, einer zeitlichen Differenz zwischen solchen Zeitpunkten, zu denen die elektrischen Potenziale (V_N1, V_N2) an dem ersten und dem zweiten Knoten (N1, N2) jeweils einen vorgegebenen Potenzialwert (V_REF) annehmen, wobei diese zeitliche Differenz ein Maß für die zeitliche Änderung der Ausgangsspannung (V_HB) ist.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das kapazitive Netz- werk aufweist: einen kapazitiven Spannungsteiler mit einer ersten und einer zweiten Kapazität (21, 22), die in Reihe zueinander zwischen den Eingang (11) und ein weiteres Referenzpotenzial (GND) geschaltet sind, und mit einem Abgriffspunkt.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das kapazitive Netzwerk weiterhin aufweist: eine dritte Kapazität (23), die an den Abgriffspunkt des kapazitiven Spannungsteilers (21, 22) gekoppelt ist; wobei der erste Schaltungsknoten (N1) durch den Abgriffspunkt des Spannungsteilers und der zweite Schaltungsknoten (N2) durch einen dem Abgriffspunkt abgewandten Anschluss der dritten Kapazität gebildet ist.