DE102013012536A1

DE102013012536A1 - Neuartige Hochleistungswandlerarchitektur

Info

Publication number: DE102013012536A1
Application number: DE201310012536
Authority: DE
Inventors: Mark Telefus
Original assignee: Flextronics AP LLC
Current assignee: Flextronics AP LLC
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2014-01-30
Also published as: CN103580492A; CN103580492B; US20140029312A1; US9019724B2

Abstract

Der Leistungswandler stellt eine Integration dreier Topologien dar, die eine Durchflusswandlertopologie, eine Sperrwandlertopologie und eine Resonanzschaltungstopologie beinhalten. Die Kombination dieser drei Topologien ermöglicht es, Energie mittels dreier unterschiedlicher Modi zu übertragen. Ein erster Modus bzw. Durchflussmodus ist ein vorwärts gerichteter Energietransfer, der in ähnlicher Weise wie ein Durchflusswandler Energie von einer Eingangsversorgung an die Ausgangslast leitet. Ein zweiter Modus bzw. Sperrwandlermodus speichert Energie und setzt sie in ähnlicher Weise wie ein Sperrwandler wieder frei. Ein dritter Modus bzw. Resonanzmodus speichert Energie aus einem Schwingkreis und setzt sie wieder frei, indem er eine Resonanzschaltungstopologie und eine sekundärseitige Durchflusswandlertopologie nutzt. Eine Ausgangsschaltung des Leistungswandlers ist als Durchflusswandler konfiguriert, der zwei Dioden und eine Spule beinhaltet. Die Ausgangsschaltung ist mit einer Sekundärwicklung eines Wandlertransformators gekoppelt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Leistungswandler. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine neuartige Leistungswandlerarchitektur mit gesteigerter Effizienz.
Hintergrund der Erfindung
Im Verlauf der Jahre wurden verschiedene Leistungswandlertopologien entwickelt, die darauf abzielen, die Leistungsdichte und die Schalteffizienz von Leistungswandlern zu verbessern. Ein wachsendes Augenmerk liegt bei neuen Wandlertopologien darauf, ein Mittel zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Wandlerschaltverlusten bereitzustellen und zugleich die Schaltfrequenzen zu erhöhen. Geringere Verluste und eine höhere Schaltfrequenz bedeuten effizientere Wandler, wodurch sich die Größe und das Gewicht von Wandlerbauteilen reduzieren lassen. Darüber hinaus können durch die Entwicklung von Verbund-Halbleiterschaltern mit hoher Schaltgeschwindigkeit, wie beispielsweise mit Pulsweitenmodulation (PWM) betriebenen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-Schaltern (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), nun neuere Durchfluss- und Sperrwandlertopologien mit deutlich erhöhten Schaltfrequenzen, beispielsweise bis zu 1,0 MHz, betrieben werden.
Eine erhöhte Schaltfrequenz kann allerdings aufgrund des schnellen Umschaltens der Halbleiterschalter bei hohen Spannungs- und/oder Strompegeln zu einem entsprechenden Anstieg von Schaltverlusten und Verlusten durch Bauteilbelastung sowie zu erhöhter elektromagnetischer Interferenz (EMI), Rauschen und Kommutierungsproblemen führen.
Darüber hinaus wird von modernen elektronischen Bauteilen erwartet, dass sie auf kleinem Raum zahlreiche Funktionen effizient und mit einem Minimum an unerwünschten Nebeneffekten erfüllen. So sollte beispielsweise ein moderner Leistungswandler, der eine relativ hohe Leistungsdichte und hohe Schaltfrequenzen bietet, auch ordentliche Schaltungstopologien enthalten, eine Isolation der Ausgangs- bzw. „Load”-Spannung von der Eingangs- bzw. „Source”-Spannung gewährleisten und eine variable Aufwärts- oder Abwärtstransformation der Spannung ermöglichen.
1 zeigt einen herkömmlichen Spannungswandler vom Sperrwandlertyp. Der Wandler 10 beinhaltet einen Transistor T1, eine Steuerung 14, einen Transformator 12, einen Kondensator C1 und eine Diode D1. Die Eingangsspannung der Schaltung kann ungeregelte Gleichspannung sein, die von einer Wechselstromquelle abgeleitet, gleichgerichtet und gefiltert wurde. Der Transistor T1 ist eine Schnellschaltvorrichtung, beispielsweise ein MOSFET, deren Schaltung durch eine schnelle dynamische Steuerung 14 gesteuert wird, um eine gewünschte Ausgangsspannung Vout aufrechtzuerhalten. Die Sekundärwicklungsspannung wird mittels der Diode D1 und des Kondensators C1 gleichgerichtet und gefiltert. Der Transformator 12 des Sperrwandlers funktioniert anders als ein herkömmlicher Transformator. Unter Last leiten die Primär- und die Sekundärwicklung eines herkömmlichen Transformators gleichzeitig. Beim Sperrwandler sind die Primär- und die Sekundärwicklung des Transformators dagegen nicht gleichzeitig stromführend. Wenn im Betrieb der Transistor T1 eingeschaltet ist, so ist die Primärwicklung des Transformators 12 mit der Eingangsversorgungsspannung verbunden, sodass die Eingangsversorgungsspannung an der Primärwicklung auftritt, was zu einer Erhöhung des Magnetstroms im Transformator 12 führt, und der Primärwicklungsstrom linear zunimmt. Allerdings ist, wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist, die Diode D1 rückwärts gerichtet und es fließt kein Strom durch die Sekundärwicklung. Auch wenn die Sekundärwicklung keinen Strom leitet, während der Transistor T1 eingeschaltet ist, so empfängt die als Widerstand Rload dargestellte Last, die mit dem Kondensator C1 gekoppelt ist, aufgrund von zuvor im Kondensator gespeicherter Ladung ununterbrochen Strom.
Ist der Transistor T1 ausgeschaltet, so ist der Strompfad der Primärwicklung unterbrochen und die Spannungspolaritäten an der Primär- und der Sekundärwicklung sind umgekehrt, wodurch die Diode D1 vorwärts gerichtet ist. Der Primärwicklungsstrom als solcher ist zwar unterbrochen, allerdings beginnt die Sekundärwicklung Strom zu leiten und überträgt dadurch Energie vom Magnetfeld des Transformators zum Ausgang des Wandlers. Dieser Energietransfer beinhaltet das Laden des Kondensators C1 und die Abgabe von Energie an die Last. Ist der Transistor T1 lange genug ausgeschaltet, so hat der Sekundärstrom genügend Zeit, um auf null abzufallen, und die im Transformator 12 gespeicherte Magnetfeldenergie ist vollständig abgebaut.
Die Sperrwandlertopologie war lange Zeit aufgrund ihrer relativen Einfachheit gegenüber anderen Topologien, die in Niedrigenergieanwendung verwendet werden, attraktiv. Der Sperrwandler dient dem zweifachen Zweck der Bereitstellung eines Energiespeichers und einer Wandlerisolierung, wodurch theoretisch die Anzahl magnetischer Bauteile im Vergleich beispielsweise zum Durchflusswandler minimiert wird. Ein Nachteil bei der Verwendung des Sperrwandlers ist die relativ hohe Spannungs- und Strombelastung, der die Schaltbauteile ausgesetzt sind. Darüber hinaus erfordert die hohe Abschaltspannung (die durch die parasitäre Schwingung zwischen der Streuinduktivität des Transformators und der Schalterkapazität erzeugt wird) am Primärschalter üblicherweise die Verwendung einer Unterschaltung aus Widerstand, Kondensator und Diode, beispielsweise eine Entstörschaltung. Diese parasitäre Schwingung ist äußerst reich an Oberschwingungen, verunreinigt das Umfeld mit elektromagnetischen Störungen (EMI) und führt zu hohen Schaltverlusten über die Schaltbauteile in Form von zusätzlicher Wärmeabfuhr.
2 zeigt einen herkömmlichen Spannungswandler vom Durchflusswandlertyp. Der Wandler 20 beinhaltet einen Transistor T1, eine Steuerung 24, einen Transformator 22, einen Kondensator C1, Dioden D1 und D2 und eine Spule L1. Wie bei dem Sperrwandler kann die Eingangsspannung der Schaltung ungeregelte Gleichspannung sein, die von einer Wechselstromquelle abgeleitet, gleichgerichtet und gefiltert wurde. Der Transistor T1 ist eine Schnellschaltvorrichtung, beispielsweise ein MOSFET, deren Schaltung durch eine schnelle dynamische Steuerung 24 gesteuert wird, um eine gewünschte Ausgangsspannung Vout aufrechtzuerhalten. Die Sekundärwicklungsspannung wird mittels der Diode D1 und des Kondensators C1 gleichgerichtet und gefiltert. Die als Widerstand Rload dargestellte Last ist an den gleichgerichteten Ausgang der Sekundärwicklung gekoppelt. Der Transformator 22 sollte ein möglichst idealer Transformator ohne Streuflüsse, Magnetisierungsstrom und Verluste sein. Wenn im Betrieb der Transistor T1 eingeschaltet ist, so ist die Primärwicklung des Transformators 22 mit der Eingangsversorgungsspannung verbunden, sodass die Eingangsversorgungsspannung an der Primärwicklung auftritt, und gleichzeitig tritt an Sekundärwicklung eine skalierte Spannung auf. Die Diode D1 ist vorwärts gerichtet, wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist, und die skalierte Spannung an der Sekundärwicklung wird auf die Tiefpassfilterschaltung vor der Last angewandt. Die Diode D2 ist rückwärts gerichtet und leitet daher keinen Strom, wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist. Im Fall eines idealen Transformators wird, im Gegensatz zum Sperrwandler, keine Energie im Transformator gespeichert.
Die skalierte Spannung wird als eine konstante Ausgangsspannung bereitgestellt, wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist.
Ist der Transistor T1 ausgeschaltet, so ist der Strompfad der Primärwicklung unterbrochen und die Spannungspolaritäten an der Primär- und der Sekundärwicklung sind umgekehrt, wodurch die Diode D1 rückwärts gerichtet und die Diode D2 vorwärts gerichtet ist. Im Ergebnis ist der Stromfluss durch die Primär- und die Sekundärwicklung gleich Null. Die vorwärts gerichtete Diode D2 stellt jedoch einen Freilaufpfad bereit, sodass ununterbrochener Strom weiterhin durch die Spule L1 und die Last fließen kann. Die Spule L1 stellt den Magnetstrom bereit, um diesen Stromfluss aufrechtzuerhalten, während der Transistor T1 ausgeschaltet ist. Wenn der Transistor T1 ausgeschaltet ist, gibt es keinen Leistungsfluss von der Eingangsquelle zur Last, die Ausgangsspannung wird jedoch durch einen relativ großen Kondensator C1 nahezu konstant gehalten. Der aufgeladene Kondensator C1 und die Spule L1 sorgen für die Kontinuität der Lastspannung. Da es jedoch keine Eingangsleistung gibt, wenn der Transistor T1 ausgeschaltet ist, wird die im Kondensator C1 und der Spule L1 gespeicherte Energie langsam abgebaut. Die Schaltfrequenz des Transistors T1 ist so eingestellt, dass die Ausgangsspannung innerhalb eines erforderlichen Toleranzbereichs gehalten wird.
Wie beim Sperrwandler führt die nichtideale Natur des Durchflusswandlers zu Rauschen und Verlusten, welche die Effizienz verringern.
Im Bestreben, die Schaltverluste zu reduzieren bzw. zu vermeiden und EMI-Rauschen zu reduzieren, wurden in der Technik zunehmend „Resonanz-” oder „weiche” Schalttechniken verwendet. Die Anwendung von Resonanzschalttechniken auf herkömmliche Leistungswandlertopologien bietet zahlreiche Vorteile in Bezug auf hohe Dichte und hohe Frequenz, um Schaltbelastungen zu reduzieren bzw. zu vermeiden und EMI zu reduzieren. Resonanzschalttechniken enthalten im Allgemeinen eine Unterschaltung mit einer Spule und einem Kondensator (LC-Unterschaltung), die mit einem Halbleiterschalter in Reihe geschaltet ist, der, wenn er eingeschaltet ist, eine schwingende Unterschaltung innerhalb des Wandlers ausbildet. Durch zeitliche Abstimmung der Ein-/Aus-Steuerzyklen des Resonanzschalters mit bestimmten Spannungs- und Strombedingungen an bestimmten Wandlerbauteilen während des Schaltzyklus wird ferner das Schalten unter Nullspannungs- und/oder Nullstrombedingungen ermöglicht. Durch Schalten bei Nullspannung (Zero Voltage Switching, ZVS) und/oder bei Nullstrom (Zero Current Switching) lassen sich viele frequenzbezogene Schaltverluste schon an sich reduzieren oder vermeiden.
Die Anwendung solcher Resonanzschalttechniken auf herkömmliche Leistungswandlertopologien bietet zahlreiche Vorteile für Wandler mit hoher Dichte und hoher Frequenz, beispielsweise quasi-sinusförmige Wellenformen, geringe oder keine Schaltbelastungen elektrischer Bauteile des Wandlers, geringere frequenzabhängige Verluste und/oder weniger EMI. Dennoch sind die Energieverluste, die während der Steuerung der Nullspannungs- und/oder Nullstrom-Schaltvorgänge auftreten und die Verluste, die während des Betriebs und der Steuerung der Resonanzmittel auftreten, weiterhin problematisch.
Es wurden bereits verschiedene Leistungswandlertopologien mit Resonanzschalttechniken entwickelt, zum Beispiel das US-Patent 7,764,515 mit dem Titel „Two Terminals Quasi Resonant Tank Circuit” nach Jansen et al. (Jansen), dessen gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Jansen bezieht sich auf einen Sperrwandler, der einen Quasi-Resonanzschwingkreis beinhaltet. 3 zeigt den Sperrwandler nach Jansen. Der Quasi-Resonanz-Sperrwandler 30 entspricht dem Sperrwandler 10 aus 1, wobei ein Quasi-Resonanzschwingkreis, ausgebildet aus einem Transistor T2, Dioden D2, D3 und D4, und Kondensatoren C2 und C3 hinzugefügt sind. Wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist, so ist der Transistor T2 ausgeschaltet und die Primärwicklung des Transformators 32 ist mit der Eingangsversorgungsspannung verbunden, sodass die Eingangsversorgungsspannung an der Primärwicklung auftritt, was zu einer Erhöhung des Magnetstroms im Transformator 32 führt, und der Primärwicklungsstrom linear zunimmt. Durch die Sekundärwicklung des Transformators 32 fließt kein Strom, da die Diode D1 rückwärts gerichtet ist. Wenn der Transistor T1 ausgeschaltet ist, so schaltet sich der Transistor T2 parametrisch und ohne Steuerung einer separaten Steuerschaltung ein. Die Dioden D2, D3 und D4 und der Kondensator C3 fungieren als Antriebsschaltung für den Transistor T2. Wenn der Transistor T2 eingeschaltet ist, so ist der Kondensator C2 im Wesentlichen mit dem Transformator 32 parallel geschaltet und die zuvor in der Primärwicklung gespeicherte Energie bewirkt, dass in der Schaltung, die aus dem Kondensator C2 und der Primärwicklung ausgebildet ist, Strom fließt, der einen Resonanzschwingkreis ausbildet. Wie beim Sperrwandler aus 1 wird in der Primärwicklung gespeicherte Energie an die Last abgegeben, während der Transistor T1 ausgeschaltet ist. Allerdings wird im Quasi-Resonanz-Sperrwandler 30 aus 3 auch ein Teil der Resonanzenergie, die im Resonanzschwingkreis erzeugt wurde, an die Last abgegeben, während der Transistor T1 ausgeschaltet und der Transistor T2 eingeschaltet ist. Auf diese Weise gibt der Quasi-Resonanz-Sperrwandler 30 aus 3 Spitzenenergie ab, die gleich der Energie aus dem herkömmlichen Flyback-Betrieb plus der Resonanzenergie ist. Allerdings zirkuliert der Stromfluss innerhalb des Resonanzschwingkreises zwischen positivem und negativem Stromfluss durch die Primärwicklung. Die Konfiguration der sekundärseitigen Schaltung, insbesondere der Diode D1, ermöglicht die Abgabe von Resonanzenergie nur während einer Flussrichtung des Primärwicklungsstroms. Resonanzenergie, die der anderen Flussrichtung des Primärstroms entspricht, wird nicht abgegeben.
Zusätzlich zu einer Erhöhung der Spitzenenergie bietet der Sperrwandler aus 3 die herkömmlichen Vorteile, die mit einer Resonanzschaltung verbunden sind, beispielsweise eine Verringerung von frequenzabhängigen Verlusten und EMI. Allerdings ist die durch den quasi-resonanten Sperrwandler abgegebene Energie noch immer geringer als die durch den Durchflusswandler abgegebene Energie.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Leistungswandler stellt eine Integration dreier Topologien dar, die eine Durchflusswandlertopologie, eine Sperrwandlertopologie und eine Resonanzschaltungstopologie beinhalten. Die Kombination dieser drei Topologien ermöglicht es, Energie in drei unterschiedlichen Modi zu übertragen. Beim ersten Modus bzw. Durchflussmodus handelt es sich um einen vorwärts gerichteten Energietransfer, der in ähnlicher Weise wie ein Durchflusswandler Energie von einer Eingangsversorgung an die Ausgangslast überträgt. Ein zweiter Modus bzw. Sperrwandlermodus speichert Energie und setzt sie in ähnlicher Weise wie ein Sperrwandler wieder frei. Ein dritter Modus bzw. Resonanzmodus speichert Energie aus einem Schwingkreis und setzt sie wieder frei, indem er die Resonanzschaltungstopologie und die sekundärseitige Durchflusswandlertopologie nutzt. Eine Ausgangsschaltung des Leistungswandlers ist als Durchflusswandler konfiguriert, der zwei Dioden und eine Spule beinhaltet. Die Ausgangsschaltung ist mit einer Sekundärwicklung eines Wandlertransformators gekoppelt.
Bei einem Aspekt beinhaltet eine Leistungswandlerschaltung einen Transformator, eine Ausgangsschaltung, einen Primärschalter, eine Resonanzschaltung und eine Steuerung. Der Transformator weist eine Primärwicklung auf, die mit einer Eingangsversorgungsspannung und einer Sekundärwicklung gekoppelt ist. Die Ausgangsschaltung ist mit der Sekundärwicklung gekoppelt, wobei die Ausgangsschaltung eine erste Diode, eine zweite Diode, eine Spule und einen Kondensator beinhaltet. Die erste Diode und die zweite Diode sind so mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt, dass die zweite Diode rückwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode vorwärts gerichtet ist, und die zweite Diode vorwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode rückwärts gerichtet ist. Der Primärschalter ist mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet. Die Resonanzschaltung ist mit der Primärwicklung parallel geschaltet, wobei die Resonanzschaltung einen Hilfsschalter und einen Resonanzschwingkreis beinhaltet.
Die Steuerung ist mit dem Primärschalter gekoppelt. Die Leistungswandlerschaltung ist so konfiguriert, dass sie Energie von der Eingangsversorgungsspannung an die Ausgangsschaltung weiterleitet, Energie aus Streuinduktivität, Hauptinduktivität und parasitären Kapazitäten als Resonanzenergie im Resonanzschwingkreis speichert und die gespeicherte Resonanzenergie an die Ausgangsschaltung abgibt.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Leistungswandlerschaltung so konfiguriert, dass vorwärts gerichtete Energie von der Eingangsversorgungsspannung an die Ausgangsschaltung weitergeleitet wird, wenn der Primärschalter eingeschaltet ist. Die parasitären Kapazitäten beinhalten bei einigen Ausführungsformen parasitäre Kapazitäten vom Hilfsschalter und vom Primärschalter. Bei einigen Ausführungsformen wird die Resonanzenergie über einen gesamten Resonanzzyklus des Resonanzschwingkreises abgegeben, wobei der Resonanzschwingkreis die Primärwicklung beinhaltet und der Resonanzzyklus einen positiven Primärwicklungsstromfluss und einen negativen Primärwicklungsstromfluss beinhaltet. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die an die Ausgangslast abgegebene Energie eine Summation von Energie, die von der Eingangsversorgung weitergeleitet wird, Resonanzenergie, die vom Resonanzschwingkreis gespeichert und freigegeben wird, sowie parasitären Kapazitäten und Streuinduktivität, die als zusätzliche Resonanzenergie vom Resonanzschwingkreis gespeichert und freigegeben werden. Bei einigen Ausführungsformen ist der Hilfsschalter ein parametrisch gesteuerter Hilfsschalter. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Leistungswandlerschaltung zudem eine Antriebsschaltungsanordnung, die mit dem Hilfsschalter und dem Primärschalter gekoppelt, wobei die Antriebsschaltungsanordnung so konfiguriert ist, dass sie den Hilfsschalter entsprechend einer Spannungsbedingung des Primärschalters parametrisch steuert. Bei einigen Ausführungsformen sind die Resonanzschaltung, der Transformator und die Ausgangsschaltung so konfiguriert, dass sie die Resonanzenergie und die zusätzliche Resonanzenergie nach einem Sperrwandlermodus zur Energieumwandlung speichern und freigeben. Bei einigen Ausführungsformen ist der Primärschalter während des Sperrwandlermodus zur Energieumwandlung ausgeschaltet. Bei einigen Ausführungsformen sind eine Anode der ersten Diode mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt, eine Anode der zweiten Diode mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt, eine Kathode der ersten Diode und eine Kathode der zweiten Diode jeweils mit einem ersten Anschluss der Spule gekoppelt und ein zweiter Anschluss der Spule mit dem Kondensator gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen steigt ein Primärwicklungsstrom linear bis zu einem Spitzenwert an, wenn der Primärschalter eingeschaltet ist.
Bei einem anderen Aspekt beinhaltet eine Leistungswandlerschaltung einen Transformator, eine Ausgangsschaltung, einen Primärschalter, eine Resonanzschaltung, eine Antriebsschaltungsanordnung und eine Steuerung. Der Transformator weist eine Primärwicklung, die mit einer Eingangsversorgungsspannung gekoppelt ist, und eine Sekundärwicklung auf. Die Ausgangsschaltung ist mit der Sekundärwicklung gekoppelt. Die Ausgangsschaltung beinhaltet eine erste Diode, eine zweite Diode, eine Spule und einen Kondensator. Die erste Diode und die zweite Diode sind mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt, sodass die zweite Diode rückwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode vorwärts gerichtet ist, und die zweite Diode vorwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode rückwärts gerichtet ist. Der Primärschalter ist mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet. Die Resonanzschaltung ist mit der Primärwicklung parallel geschaltet, wobei die Resonanzschaltung einen Hilfsschalter und einen Resonanzschwingkreis beinhaltet. Die Antriebsschaltung ist mit dem Hilfsschalter und mit dem Primärschalter gekoppelt. Die Antriebsschaltung ist so konfiguriert, dass sie den Hilfsschalter entsprechend einer Spannungsbedingung des Primärschalters parametrisch steuert. Die Steuerung ist mit dem Primärschalter gekoppelt. Die Leistungswandlerschaltung ist so konfiguriert, dass sie Energie von der Eingangsversorgungsspannung an die Ausgangsschaltung weiterleitet, Energie aus Streuinduktivität, Hauptinduktivität und parasitären Kapazitäten als Resonanzenergie im Resonanzschwingkreis speichert und die gespeicherte Resonanzenergie an die Ausgangsschaltung abgibt. Bei einigen Ausführungsformen sind eine Anode der ersten Diode mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt, eine Anode der zweiten Diode mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt, eine Kathode der ersten Diode und eine Kathode der zweiten Diode jeweils mit einem ersten Anschluss der Spule gekoppelt und ein zweiter Anschluss der Spule mit dem Kondensator gekoppelt.
Bei noch einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Übertragen von Energie mittels eines Leistungswandlers offenbart.
Das Verfahren beinhaltet das Konfigurieren eines Leistungswandlers. Der Leistungswandler beinhaltet einen Transformator mit einer Primärwicklung, die mit einer Eingangsversorgungsspannung gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung, eine Ausgangsschaltung, die eine mit der Sekundärwicklung gekoppelte Spule aufweist, und einen Primärschalter, der mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet ist. Das Verfahren beinhaltet zudem das Weiterleiten von Energie von der Eingangsversorgungsspannung an die Ausgangsschaltung, während der Primärschalter eingeschaltet ist. Das Verfahren beinhaltet zudem das Ausbilden eines die Primärwicklung beinhaltenden Resonanzschwingkreises, wenn der Primärschalter ausgeschaltet ist, wobei der Resonanzschwingkreis Resonanzenergie beinhaltet, die von gespeicherter Hauptinduktivität, gespeicherter Streuinduktivität und parasitären Kapazitäten abgeleitet ist. Das Verfahren beinhaltet zudem das Abgeben der Resonanzenergie im Resonanzschwingkreis an die Ausgangsschaltung, während der Primärschalter ausgeschaltet ist.
Bei einigen Ausführungsformen wird Energie kontinuierlich von einer Primärseite des Leistungswandlers an die Ausgangsschaltung übertragen, sowohl während der Primärschalter ein- als auch ausgeschaltet ist. Die parasitären Kapazitäten beinhalten bei einigen Ausführungsformen parasitäre Kapazitäten vom Hilfsschalter und vom Primärschalter. Bei einigen Ausführungsformen wird die Resonanzenergie über einen gesamten Resonanzzyklus des Resonanzschwingkreises abgegeben, wobei der Resonanzschwingkreis die Primärwicklung beinhaltet und der Resonanzzyklus einen positiven Primärwicklungsstromfluss und einen negativen Primärwicklungsstromfluss beinhaltet. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die an die Ausgangslast abgegebene Energie eine Summation von Energie, die von der Eingangsversorgung weitergeleitet wird, Resonanzenergie, die vom Resonanzschwingkreis gespeichert und freigegeben wird, sowie parasitären Kapazitäten und Streuinduktivität, die als zusätzliche Resonanzenergie vom Resonanzschwingkreis gespeichert und freigegeben werden. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren zudem das Steuern des Hilfsschalters durch Selbstkommutierung. Bei einigen Ausführungsformen wird der Hilfsschalter entsprechend einer Spannungsbedingung des Primärschalters ein- und ausgeschaltet. Bei einigen Ausführungsformen wird die Resonanzenergie nach einem Sperrwandlermodus zur Energieumwandlung gespeichert und abgegeben. Bei einigen Ausführungsformen ist der Primärschalter während des Sperrwandlermodus zur Energieumwandlung ausgeschaltet. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Ausgangsschaltung eine erste Diode, eine zweite Diode und einen Kondensator, wobei die erste Diode und die zweite Diode mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt sind, sodass die zweite Diode rückwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode vorwärts gerichtet ist, und die zweite Diode vorwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode rückwärts gerichtet ist. Bei einigen Ausführungsformen steigt ein Primärwicklungsstrom linear bis zu einem Spitzenwert an, wenn der Primärschalter eingeschaltet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen. Die beispielhaften Ausführungsformen sollen die Erfindung erläutern aber nicht einschränken. Es zeigen:
1 einen herkömmlichen Spannungswandler vom Sperrwandlertyp,
2 einen herkömmlichen Spannungswandler vom Durchflusswandlertyp,
3 den Sperrwandler nach Jansen,
4 einen Leistungswandler nach einer Ausführungsform,
5 eine konzeptualisierte Version der Leistungswandlerschaltung aus 4;
6 beispielhafte Spannungs- und Stromwellenformen, die dem Betrieb des Leistungswandlers aus 4 entsprechen, und
7 einen Leistungswandler nach einer weiteren Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung beziehen sich auf einen Leistungswandler. Der Fachmann wird erkennen, dass die folgende detaillierte Beschreibung des Leistungswandlers lediglich der Erläuterung dient und in keiner Weise einschränkend ist. Andere Ausführungsformen des Leistungswandlers werden sich dem Fachmann, dem diese Offenbarung vorliegt, ohne weiteres erschließen.
Im Folgenden wird genauer auf verschiedene Ausführungen des Leistungswandlers, wie er in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, Bezug genommen. In den Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung werden für dieselben oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Einfachheit halber sind nicht alle Standardmerkmale der hierin beschriebenen Ausführungen dargestellt und beschrieben. Es wird selbstverständlich darauf hingewiesen, dass bei der Entwicklung einer jeglichen tatsächlichen Ausführung zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie beispielsweise die Anpassung an anwendungs- und geschäftsbezügliche Vorgaben, und dass sich diese spezifischen Ziele je nach Ausführung und je nach Entwickler unterscheiden. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass ein entsprechender Entwicklungsvorgang energie- und zeitaufwändig sein kann, für einen Fachmann, dem diese Offenbarung vorliegt, jedoch einen Routinevorgang darstellt.
4 zeigt einen Leistungswandler nach einer Ausführungsform. Der Leistungswandler 40 ist so konfiguriert, dass er an einem Eingangsknoten ein Signal mit einer ungeregelten Gleichspannung Vin empfängt und eine geregelte Ausgangsspannung Vout bereitstellt. Die Eingangsspannung der Schaltung kann ungeregelte Gleichspannung sein, die von einer Wechselstromquelle abgeleitet und gleichgerichtet wurde. Die Eingangsspannung wird in der Regel gefiltert, beispielsweise über einen Kondensator 60. Bei einigen Ausführungsformen ist der Ausgangsspannungspegel für zahlreiche Niederspannungsgeräte, wie beispielsweise Computerlaptops, Mobiltelefone und andere Handgeräte, geeignet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Ausgangsspannung Vout innerhalb des Bereichs von 5–40 VDC eingestellt werden. Alternativ kann der Leistungswandler 100 eine Ausgangsspannung Vout bereitstellen, die kleiner als 5 VDC ist. Bei anderen Ausführungsformen ist der Ausgangsspannungspegel für Hochleistungsanwendungen über 40 VDC geeignet.
Der Leistungswandler 40 beinhaltet eine Leistungswandler- und Resonanzschaltungsanordnung. Bei einigen Ausführungsformen ist der Leistungswandler so konfiguriert, dass er Eigenschaften eines Sperrwandlers und eines Durchflusswandlers beinhaltet, um die Leistungsumwandlung auszuführen. Im Allgemeinen kann der Leistungswandler Konfigurationen schaltbarer Leistungsversorgungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, beinhalten. Zusätzlich beinhaltet der Leistungswandler einen Resonanzschwingkreis und ist so konfiguriert, dass er Resonanzenergie an eine Last abgibt. Der Leistungswandler 40 beinhaltet einen Primärschalter 48, einen Hilfsschalter 46, eine Steuerung 44, einen Transformator 42 und einen Kondensator 50. Der Primärschalter 48 ist mit einer Primärwicklung des Transformators 42 in Reihe geschaltet. Der Hilfsschalter 46 ist mit dem Kondensator 50 in Reihe geschaltet, und der Hilfsschalter 46 und der Kondensator 50, die in Reihe geschaltet sind, sind mit der Primärwicklung des Transformators 42 parallel geschaltet.
Der Primärschalter 48 und der Hilfsschalter 46 sind jeweils eine geeignete Schaltvorrichtung. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind der Primärschalter 48 und der Hilfsschalter 46 jeweils eine n-leitende Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-Vorrichtung (MOSFET-Vorrichtung). Alternativ können der Primärschalter 48 und/oder der Hilfsschalter 46 durch eine jegliche andere, dem Fachmann bekannte Halbleiterschaltvorrichtung ersetzt werden. Der Primärschalter 48 wird durch die Steuerung 44 gesteuert. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Steuerung 44 eine Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM-Schaltung). Die Steuerung 44 reguliert das Tastverhältnis des Primärschalters 48 mit der PWM-Schaltung. Die Steuerung 44 kann Spannungs- und/oder Strombedingungen innerhalb der Schaltung erfassen, wie beispielsweise die Spannung und/oder den Strom am Erfassungswiderstand 70. Die Steuerung 44 kann eine Stromkomparatorschaltung (nicht dargestellt) zur Verwendung mit einer Stromrückkopplungsschaltung (nicht dargestellt) zum Regulieren des Taktverhältnisses des Primärschalters 48 beinhalten. Ebenso kann die Steuerung 44 eine Spannungskomparatorschaltung (nicht dargestellt) zur Verwendung mit einer Spannungsrückkopplungsschaltung (nicht dargestellt) zum Regulieren des Taktverhältnisses des Primärschalters 48 beinhalten.
Der Leistungswandler 40 beinhaltet ferner eine Ausgangsschaltungsanordnung, die mit einer Sekundärwicklung des Transformators 42 gekoppelt ist, und eine Antriebsschaltungsanordnung für den Hilfsschalter 46. Die Ausgangsschaltungsanordnung beinhaltet eine Gleichrichterdiode 62, eine Gleichrichterdiode 64 und einen Ausgangskondensator 66. Eine Anode der Gleichrichterdiode 62 ist mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt. Eine Kathode der Gleichrichterdiode 62 ist mit einem ersten Anschluss des Ausgangskondensators 66 und mit dem Ausgangsknoten Vout gekoppelt. Eine Anode der Gleichrichterdiode 64 ist mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt. Eine Kathode der Gleichrichterdiode 64 ist mit dem ersten Anschluss des Ausgangskondensators 66 und mit dem Ausgangsknoten Vout gekoppelt. Der Ausgangskondensator 66 ist über eine Ausgangslast, die durch einen Widerstand 68 dargestellt ist, mit einem Vout-Knoten gekoppelt.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Antriebsschaltungsanordnung für den Hilfsschalter 46 so konfiguriert, dass sich der Hilfsschalter 46 im eingeschalteten Zustand befindet, wenn die Spannung an der Primärwicklung des Transformators 42 größer als null ist. Die Antriebsschaltung ist ferner so konfiguriert, dass sich der Hilfsschalter 46 im ausgeschalteten Zustand befindet, wenn die Spannung an der Primärwicklung des Transformators 42 gleich oder kleiner als null ist.
Wenn die Steuerung 44 Kraftkommutierung zum Ein- und Ausschalten des Primärschalters 48 nutzt, wird adaptive Selbstkommutierung zum Ein- und Ausschalten des Hilfsschalters 46 verwendet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Antriebsschaltung für den Hilfsschalter 46 mit einer Diode 54, einer Diode 56, einer Diode 58 und einem Kondensator 52 ausgeführt, wie in 4 dargestellt ist. Bei einem beispielhaften Verfahren zum Betreiben der Antriebsschaltung aus 4 beginnt die Body-Diode des Hilfsschalters 46 in dem Moment zu leiten, in dem die ansteigende Flanke der Spannung an der Primärwicklung des Transformators 42 null erreicht. Zudem beginnt die Diode 56 an diesem Punkt zu leiten und die parasitäre Gate-Source-Kapazität des Hilfsschalters 46 durch den Kondensator 52 zu laden. Die weiter ansteigende Spannung am Kondensator 50 wird durch den Kondensator 52 und die Ergänzung der parasitären Gate-Source-Kapazität und der parasitären Gate-Drain-Kapazität des Hilfsschalters 46 geteilt.
Wenn die Spannung an der parasitären Gate-Source-Kapazität des Hilfsschalters 46 die Grenzwertspannung des Hilfsschalters 46 erreicht, so wird der Hilfsschalter 46 eingeschaltet. Es ist wichtig, dass das Verhältnis zwischen der Spannung am Kondensator 50 und der maximalen Spannung am Gate des Hilfsschalters 46 so gewählt ist, dass es innerhalb des sicheren Arbeitsbereichs des Hilfsschalters 46 bleibt. Das Verhältnis kann mit dem Wert des Kondensators 52 dimensioniert werden. Die Gate-Spannung des Hilfsschalters 46 bleibt im Wesentlichen gleich, bis die Spannung am Kondensator 50 auf denselben Gate-Spannungspegel gesunken ist. Wenn die Spannung am Kondensator 50 weiter abnimmt, beginnt die Diode 58 zu leiten und senkt die Gate-Spannung des Hilfsschalters 46, bis diese die Gate-Grenzwertspannung erreicht, an deren Punkt der Hilfsschalter 46 ausgeschaltet wird. Die Dioden 54, 56 und 58 verhindern ferner, dass die Spannung am Kondensator 50 deutlich unter null sinkt. Es versteht sich, dass alternativ konfigurierte Antriebsschaltungen und alternative Verfahren zum Betreiben der Antriebsschaltung zum parametrischen Ein- und Ausschalten des Hilfsschalters ON und OFF ausführbar sind.
Eine Resonanzschaltung ist durch die Kondensatoren 50 und 52, die Dioden 54, 56 und 58, den Hilfsschalter 46, der die Body-Diode und parasitäre Kapazitäten aufweist, und die Primärwicklung des Transformators 42 ausgebildet. Wenn der Hilfsschalter 46 eingeschaltet und der Primärschalter 48 ausgeschaltet sind, so bilden die Kondensatoren 50 und 52 sowie die Primärwicklung des Transformators 42 einen Resonanzschwingkreis. Der Einschaltspannungswert für den Hilfsschalter 46 kann von der für die Kondensatoren 50 und 52 gewählten Kapazität abhängen. Auf diese Weise wird der Hilfsschalter 46 parametrisch gesteuert, um ohne direkte Steuerung einer separaten Steuerungsschaltung ein- und ausgeschaltet zu werden. 4 zeigt ein einziges Induktivitätsbauteil, die Primärwicklung des Transformators 42. Die Primärwicklung stellt sowohl ein Hauptinduktivitätsbauteil als auch ein Streuinduktivitätsbauteil dar. 5 zeigt eine konzeptualisierte Version des Leistungswandlers aus 4, die sowohl ein Hauptinduktivitätsbauteil Lmag als auch ein Streuinduktivitätsbauteil Lleak darstellt.
Der Leistungswandler stellt eine Integration dreier Topologien dar, die eine Durchflusswandlertopologie, eine Sperrwandlertopologie und eine Resonanzschaltungstopologie beinhalten. Die Kombination dieser drei Topologien ermöglicht es, Energie mittels dreier unterschiedlicher Modi zu übertragen. Ein erster Modus bzw. Durchflussmodus ist ein vorwärts gerichteter Energietransfer, der in ähnlicher Weise wie ein Durchflusswandler Energie von einer Eingangsversorgung an die Ausgangslast leitet. Ein zweiter Modus bzw. Sperrwandlermodus speichert Energie und setzt sie in ähnlicher Weise wie ein Sperrwandler wieder frei. Ein dritter Modus bzw. Resonanzmodus speichert Energie aus dem Schwingkreis und setzt sie wieder frei, indem er die Resonanzschaltungstopologie und die sekundärseitige Durchflusswandlertopologie nutzt. Die Energietransfermodi werden mittels eines einzelnen Steuerungsbauteils gesteuert. Bei der beispielhaften Ausführungsform aus 4 wird die Kraftkommutierung durch die mit dem Primärschalter gekoppelte Steuerung ausgeführt, und die adaptive Selbstkommutierung wird durch den parametrisch gesteuerten Hilfsschalter ausgeführt. Die Steuerung steuert den Primärschalter, um die Ausgangsleistung zu regeln. Der parametrisch gesteuerte Hilfsschalter ermöglicht die Leistungsversorgung mittels des Sperrwandlermodus und des Resonanzmodus.
Während der Primärschalter eingeschaltet ist, wird Energie sowohl vorwärts an die Ausgangslast übertragen als auch in der Primärseite als Haupt- und Streuinduktivität gespeichert. Während der Primärschalter ausgeschaltet ist, bilden die gespeicherte Induktivität und die parasitären Kapazitäten im Resonanzschwingkreis Resonanzenergie, die an die Ausgangslast freigegeben wird. Die Konfiguration der sekundärseitigen Schaltung ermöglicht die Bereitstellung von Resonanzenergie in beide Richtungen des Resonanzstromflusses durch die Primärwicklung.
6 zeigt beispielhafte Spannungs- und Stromwellenformen, die dem Betrieb des Leistungswandlers 40 aus 4 entsprechen. Eine Wellenform 100 zeigt den Primärstrom Ipri durch die Primärwicklung des Transformators 42. Eine Wellenform 102 zeigt die Drain-Source-Spannung Vds des Primärschalters 48. Eine Wellenform 104 zeigt die Drain-Source-Spannung Vds des Hilfsschalters 46.
Der Betrieb des Leistungswandlers wird in Bezug auf die Schaltung aus 4 und die Wellenformen aus 6 beschrieben. Zum Zeitpunkt t1 sind der Primärschalter 48 eingeschaltet und der Hilfsschalter 46 ausgeschaltet. Der eingeschaltete Zustand des Primärschalters 48 entspricht der niedrigen Drain-Source-Spannung Vds.
Von Zeitpunkt t1 bis Zeitpunkt t2 bleiben der Primärschalter 48 eingeschaltet und der Hilfsschalter 46 ausgeschaltet, und der Primärstrom Ipri steigt an der Primärwicklung linear an, was zu einer steigenden Hauptinduktivität innerhalb der Primärwicklung führt.
Zum Zeitpunkt t2 werden der Primärschalter 48 ausgeschaltet und der Hilfsschalter 46 eingeschaltet. Bei einigen Ausführungsformen gibt es zwischen dem Ausschalten des Primärschalters 48 und dem Einschalten des Hilfsschalters 46 eine Verzögerung. Diese Verzögerung resultiert aus der Zeit, welche die Gate-Source-Spannung des Hilfsschalters 46 benötigt, um die Einschaltspannung zu erreichen; diese Verzögerung ist eine Funktion der Antriebsschaltungskonfiguration. Die Antriebsschaltung funktioniert so, dass der Hilfsschalter 48 eingeschaltet wird, wenn die Spannungsdifferenz zwischen Source und Gate des Hilfsschalters 46 die Einschaltspannung erreicht. Auf diese Weise funktioniert der Hilfsschalter 46 in einem Selbstkommutierungsmodus.
Von Zeitpunkt t2 bis t4 bleiben der Primärschalter 48 ausgeschaltet und der Hilfsschalter 46 eingeschaltet. Die Drain-Source-Spannung Vds am Primärschalter 48 wird schließlich abgebaut und erreicht zum Zeitpunkt t4 null oder nahezu null Volt.
Zum Zeitpunkt t4 wird der Primärschalter 48 durch Schalten unter Nullspannung oder nahezu Nullspannung eingeschaltet. Die Steuerung 44 ermittelt, wann der Primärschalter 48 einzuschalten ist. Bei einigen Ausführungsformen wird der Primärschalter 48 eingeschaltet, wenn der Energietransfer vom Resonanzschwingkreis abgeschlossen ist und die Spannung am Primärschalter 48 für das Nullspannungsschalten null oder nahezu null erreicht hat. Anschließend wird der Zyklus von Zeitpunkt t1 bis t4 wiederholt. Wie im Wellenformdiagramm aus 6 dargestellt, fließt außer an den Nulldurchgängen entweder positiver oder negativer Strom durch die Primärwicklung Ipri. Bei herkömmlichen Sperr- und Durchflusswandlern fließt im Gegensatz dazu kein Strom durch die Primärwicklung, wenn der Hauptschalter ausgeschaltet ist.
Ist der Primärschalter 48 eingeschaltet, wie beispielsweise während des Zeitraums von t1 bis t2, so wird Energie von der Eingangsversorgung über die vorwärts gerichtete Diode 64 vorwärts zum Lastwiderstand 68 übertragen. Dieser Energietransfer entspricht dem Durchflussmodus. Bei der Durchflusswandlertopologie, die den Durchflussmodus des Energietransfers ermöglicht, wird Energie an die Ausgangslast abgegeben, wobei die Durchflusswandlertopologie jedoch keine Spule in der Ausgangsschaltung zur Speicherung von Energie beinhaltet. Ist der Primärschalter 48 ausgeschaltet, wie beispielsweise während des Zeitraums von Zeitpunkt t2 bis t4, so arbeitet der Leistungswandler im Sperrwandlermodus und im Resonanzmodus. Von Zeitpunkt t2 bis t3 erzeugt die gespeicherte Hauptinduktivität den abnehmenden Primärstrom Ipri. Zum Zeitpunkt t3 sind die Energie aus der Hauptinduktivität abgebaut und der Primärstrom Ipri null. Zeitpunkt t3 entspricht zudem der hohen Drain-Source-Spannung Vds in der Wellenform 102. Während der Hilfsschalter 46 eingeschaltet ist, bilden der Kondensator 50 und die Primärwicklung einen Resonanzschwingkreis. Nach dem Zeitpunkt t3 beginnt der Leistungswandler zu schwingen und aus der im Resonanzschwingkreis gespeicherten Energie einen sinusförmigen Primärstrom zu erzeugen. Der Resonanzschwingkreis funktioniert als eine Schaltung mit bidirektionalem Stromfluss. Die im Resonanzschwingkreis gespeicherte Energie wird über die abwechselnd vorwärtsgerichteten Dioden 62 und 64 an den Lastwiderstand 68 freigegeben. Wenn der Primärstrom im Resonanzschwingkreis entgegen dem Uhrzeigersinn fließt, so ist die Diode 64 vorwärts gerichtet und Resonanzenergie wird über die vorwärts gerichtete Diode 64 an den Lastwiderstand 68 freigegeben. Wenn der Primärstrom im Resonanzschwingkreis im Uhrzeigersinn fließt, so ist die Diode 62 vorwärts gerichtet und Resonanzenergie wird über die vorwärts gerichtete Diode 62 an den Lastwiderstand 68 freigegeben. Auf diese Weise wird während des gesamten Zyklus des Resonanzmodus aus im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtetem Primärstromfluss Resonanzenergie an die Ausgangslast abgegeben. Im Gegensatz dazu kann der Leistungswandler 30 aus 3 nur während des im Uhrzeigersinn gerichteten Primärstromflusses innerhalb des Resonanzschwingkreises, welcher der vorwärts gerichteten Diode D1 entspricht, Resonanzenergie freigeben. Wenn die Diode D1 rückwärts gerichtet ist, was dem entgegen dem Urzeigersinn gerichteten Primärstromfluss entspricht, kann keine Resonanzenergie freigegeben werden.
Die primärseitige Schaltung beinhaltet ein Bauteil zur Speicherung von Hauptinduktivitätsenergie und ein Bauteil zur Speicherung von Streuinduktivitätsenergie. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Primärwicklung als beide Energiespeicherbauteile fungieren oder es kann eine einzelne Spule in Reihenschaltung mit der Primärwicklung ergänzt werden. Während der Primärschalter 48 eingeschaltet ist, stammt die in der Primärwicklung gespeicherte Energie zum größten Teil aus Streuinduktivität und die weitergeleitete Energie zum größten Teil aus Hauptinduktivität. Der Resonanzschwingkreis, der gebildet wird, während der Primärschalter 48 ausgeschaltet ist, kann konzeptionell als zwei Resonanzschwingkreise betrachtet werden. Ein erster Resonanzschwingkreis wird durch den Kondensator 50 und das Bauteil zur Speicherung von Hauptinduktivitätsenergie ausgebildet. Ein zweiter Resonanzschwingkreis wird durch den Kondensator 50 und das Bauteil zur Speicherung von Streuinduktivitätsenergie ausgebildet.
Die Übertragung von Energie erfolgt mittels des Durchflussmodus, z. B. wenn der Primärschalter 46 eingeschaltet ist, und mittels des Sperr- und Resonanzmodus, z. B. wenn der Primärschalter ausgeschaltet ist. Energie im Zusammenhang mit der Hauptinduktivität auf der Primärseite, die an die Sekundärseite weitergeleitet wird, während der Primärschalter eingeschaltet ist, wird nach dem Durchflussmodus übertragen. Energie, die auf der Primärseite gespeichert wird, während der Primärschalter eingeschaltet ist, und anschließend auf die Sekundärseite weitergeleitet wird, während der Primärschalter ausgeschaltet, wird nach dem Sperrwandlermodus übertragen. Die nach dem Sperrwandlermodus übertragene Energie ist ganz oder teilweise Resonanzenergie, die im Resonanzschwingkreis gespeichert wird, der ausgebildet ist, während der Primärschalter ausgeschaltet ist. Streuinduktivitäten, die im Bauteil zur Speicherung von Streuinduktivitätsenergie gespeichert sind, und parasitäre Kapazitäten der Haupt- und Hilfsschalter führen zu Resonanzenergie, die im Resonanzschwingkreis gespeichert wird. Die Resonanzenergie wird auf die Sekundärseite weitergeleitet, während der Primärschalter ausgeschaltet ist. Auf diese Weise überträgt der Leistungswandler kontinuierlich Energie, wenn der Primärschalter ein- und ausgeschaltet ist.
Bei einigen Ausführungsformen wird die Streuinduktivität absichtlich erhöht, um mehr Resonanzenergie zu speichern. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Transformator verwendet, in dem ein Teil der primären und sekundären Magnetfelder gewollt entkoppelt werden, um eine höhere Streuinduktivität zu erzeugen. Beispielhalber verwendet der herkömmliche Sperrwandler 10 aus 1 einen Transformator, der so konfiguriert ist, dass er die Streuinduktivität minimiert. Bei einer beispielhaften Konfiguration kann die herkömmliche Sperrwandlerschaltung eine Streuung der Hauptinduktivität der Schaltung von 1% aufweisen. Wenn die Hauptinduktivität 1 Millihenry (mH) beträgt, so beträgt die Streuinduktivität 10 Mikrohenry (μH). Bei einer beispielhaften Ausführung des Leistungswandlers der vorliegenden Anwendung ist die Schaltung so konfiguriert, dass sie eine Streuinduktivität von ca. 200 μH aufweist. Damit wird das, was die Schaltung durch Störeffekte verliert, durch erhöhte Energie, die in Form von Resonanzenergie an die Last abgegeben wird, mehr als ausgeglichen. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die parasitäre Kapazität des Schalters nicht zu hoch sein darf, da andernfalls die Schalter beim Einschalten überbeansprucht würden.
Der Leistungswandler 40 aus 4 beinhaltet keine Spule in der sekundärseitigen Ausgangsschaltung. Bei alternativen Ausführungsformen ist der Leistungswandler dahingehend abgewandelt, dass er auf der Sekundärseite der Ausgangsschaltung eine Spule beinhaltet. 7 zeigt einen Leistungswandler nach einer weiteren Ausführungsform. Der Leistungswandler 140 beinhaltet einen Primärschalter 148, einen Hilfsschalter 146, eine Steuerung 144, einen Transformator 142 und einen Kondensator 150. Der Leistungswandler 140 beinhaltet ferner eine Ausgangsschaltungsanordnung, die mit einer Sekundärwicklung des Transformators 142 gekoppelt ist, und eine Antriebsschaltungsanordnung für den Hilfsschalter 146. Die Ausgangsschaltungsanordnung beinhaltet eine Gleichrichterdiode 162, eine Gleichrichterdiode 164, eine Spule 172 und einen Ausgangskondensator 166. Eine Anode der Gleichrichterdiode 162 ist mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt. Eine Kathode der Gleichrichterdiode 162 ist mit einem ersten Anschluss der Spule 172 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der Spule 172 ist mit dem Ausgangskondensator 66 und mit dem Ausgangsknoten Vout gekoppelt. Eine Anode der Gleichrichterdiode 164 ist mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt. Eine Kathode der Gleichrichterdiode 164 ist mit dem ersten Anschluss der Spule 172 gekoppelt. Der Ausgangskondensator 166 ist über eine Ausgangslast, die durch einen Widerstand 168 dargestellt ist, mit einem Vout-Knoten gekoppelt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Antriebsschaltungsanordnung für den Hilfsschalter 146 mittels einer Diode 154, einer Diode 156, einer Diode 158 und eines Kondensators 152 ausgeführt, wie in 7 dargestellt ist. Die Antriebsschaltung für den Hilfsschalter 146 arbeitet ähnlich wie die Antriebsschaltung für den Hilfsschalter 46 aus 4.
Der Leistungswandler 140 stellt eine Integration dreier Topologien dar, die eine Durchflusswandlertopologie, eine Sperrwandlertopologie und eine Resonanzschaltungstopologie beinhalten. Die Kombination dieser drei Topologien dient dazu, Energie auf dieselbe Weise, wie der vorstehend beschriebene Leistungswandler 40, zu übertragen. Während allerdings der Leistungswandler 40 unter Spannung betrieben wird und Spannung einspeist (Fed-Spannung) bzw. im Spannungsbetrieb arbeitet, wird der Leistungswandler 140 aus 7 unter Strom betrieben und speist Strom ein (Fed-Strom) bzw. arbeitet im Strombetrieb.
Die vorliegende Anwendung wurde in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen unter Einbeziehung von Details beschrieben, um das Verständnis der Konstruktions- und Funktionsprinzipien des Leistungswandlers zu erleichtern. Viele der in den einzelnen Figuren dargestellten und beschriebenen Bauteile sind austauschbar, um die erforderlichen Ergebnisse zu erzielen, und die vorliegende Beschreibung ist so zu verstehen, dass entsprechende Austausche ebenfalls inbegriffen sind. Jegliche Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen und Details derselben sollen nicht den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränken. Der Fachmann wird erkennen, dass an den Ausführungsformen, die zu Erläuterungszwecken ausgewählt wurden, Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Anwendung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7764515 [0014]

Claims

Leistungswandlerschaltung, umfassend: a. einen Transformator mit einer Primärwicklung, die mit einer Eingangsversorgungsspannung gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung; b. eine Ausgangsschaltung, die mit der Sekundärwicklung gekoppelt ist, wobei die Ausgangsschaltung eine erste Diode, eine zweite Diode, eine Spule und einen Kondensator umfasst, wobei ferner die erste Diode und die zweite Diode so mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt sind, dass die zweite Diode rückwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode vorwärts gerichtet ist, und die zweite Diode vorwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode rückwärts gerichtet ist; c. einen Primärschalter, der mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet ist; d. eine Resonanzschaltung, die mit der Primärwicklung parallel geschaltet ist, wobei die Resonanzschaltung einen Hilfsschalter und einen Resonanzschwingkreis umfasst; und e. eine Steuerung, die mit dem Primärschalter gekoppelt ist, wobei die Leistungswandlerschaltung so konfiguriert ist, dass sie Energie von der Eingangsversorgungsspannung an die Ausgangsschaltung weiterleitet, Energie aus Streuinduktivität, Hauptinduktivität und parasitären Kapazitäten als Resonanzenergie im Resonanzschwingkreis speichert und die gespeicherte Resonanzenergie an die Ausgangsschaltung abgibt.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Leistungswandlerschaltung so konfiguriert ist, dass sie vorwärts gerichtete Energie von der Eingangsversorgungsspannung an die Ausgangsschaltung weiterleitet, wenn der Primärschalter eingeschaltet ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die parasitären Kapazitäten parasitäre Kapazitäten vom Hilfsschalter und vom Primärschalter umfassen.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Resonanzenergie über einen gesamten Resonanzzyklus des Resonanzschwingkreises abgegeben wird, wobei der Resonanzschwingkreis die Primärwicklung beinhaltet und der Resonanzzyklus einen positiven Primärwicklungsstromfluss und einen negativen Primärwicklungsstromfluss umfasst.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die an die Ausgangslast abgegebene Energie eine Summation von Energie, die von der Eingangsversorgung weitergeleitet wird, Resonanzenergie, die vom Resonanzschwingkreis gespeichert und freigeben wird, sowie parasitären Kapazitäten und Streuinduktivität, die als zusätzliche Resonanzenergie vom Resonanzschwingkreis gespeichert und freigeben werden, umfasst.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Hilfsschalter einen parametrisch gesteuerten Hilfsschalter umfasst.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Antriebsschaltungsanordnung, die mit dem Hilfsschalter und dem Primärschalter gekoppelt ist, wobei die Antriebsschaltungsanordnung so konfiguriert ist, dass sie den Hilfsschalter entsprechend einer Spannungsbedingung des Primärschalters parametrisch steuert.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Resonanzschaltung, der Transformator und die Ausgangsschaltung so konfiguriert sind, dass sie die Resonanzenergie und die zusätzliche Resonanzenergie nach einem Sperrwandlermodus zur Energieumwandlung speichern und freigeben.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 8, wobei der Primärschalter während des Sperrwandlermodus zur Energieumwandlung ausgeschaltet ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei eine Anode der ersten Diode mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt ist, eine Anode der zweiten Diode mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt ist, eine Kathode der ersten Diode und eine Kathode der zweiten Diode jeweils mit einem ersten Anschluss der Spule gekoppelt sind und ein zweiter Anschluss der Spule mit dem Kondensator gekoppelt ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei ein Primärwicklungsstrom linear bis zu einem Spitzenwert ansteigt, wenn der Primärschalter eingeschaltet ist.
Leistungswandlerschaltung, umfassend: a. einen Transformator mit einer Primärwicklung, die mit einer Eingangsversorgungsspannung gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung; b. eine Ausgangsschaltung, die mit der Sekundärwicklung gekoppelt ist, wobei die Ausgangsschaltung eine erste Diode, eine zweite Diode, eine Spule und einen Kondensator umfasst, wobei ferner die erste Diode und die zweite Diode so mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt sind, dass die zweite Diode rückwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode vorwärts gerichtet ist, und die zweite Diode vorwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode rückwärts gerichtet ist; c. einen Primärschalter, der mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet ist; d. eine Resonanzschaltung, die mit der Primärwicklung parallel geschaltet ist, wobei die Resonanzschaltung einen Hilfsschalter und einen Resonanzschwingkreis umfasst; d. eine Antriebsschaltungsanordnung, die mit dem Hilfsschalter und dem Primärschalter gekoppelt ist, wobei die Antriebsschaltungsanordnung so konfiguriert ist, dass sie den Hilfsschalter entsprechend einer Spannungsbedingung des Primärschalters parametrisch steuert; und e. eine Steuerung, die mit dem Primärschalter gekoppelt ist, wobei die Leistungswandlerschaltung so konfiguriert ist, dass sie Energie von der Eingangsversorgungsspannung an die Ausgangsschaltung weiterleitet, Energie aus Streuinduktivität, Hauptinduktivität und parasitären Kapazitäten als Resonanzenergie im Resonanzschwingkreis speichert und die gespeicherte Resonanzenergie an die Ausgangsschaltung abgibt.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 12, wobei eine Anode der ersten Diode mit einem ersten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt ist, eine Anode der zweiten Diode mit einem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung gekoppelt ist, eine Kathode der ersten Diode und eine Kathode der zweiten Diode jeweils mit einem ersten Anschluss der Spule gekoppelt sind und ein zweiter Anschluss der Spule mit dem Kondensator gekoppelt ist.
Verfahren zum Übertragen von Energie mittels eines Leistungswandlers, umfassend: a. Konfigurieren eines Leistungswandlers, umfassend einen Transformator mit einer Primärwicklung, die mit einer Eingangsversorgungsspannung gekoppelt ist, und einer Sekundärwicklung, eine Ausgangsschaltung, die eine mit der Sekundärwicklung gekoppelte Spule aufweist, und einen Primärschalter, der mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet ist; b. Weiterleiten von Energie von der Eingangsversorgungsspannung an die Ausgangsschaltung, während der Primärschalter eingeschaltet ist; c. Ausbilden eines die Primärwicklung beinhaltenden Resonanzschwingkreises, wenn der Primärschalter ausgeschaltet ist, wobei der Resonanzschwingkreis Resonanzenergie beinhaltet, die aus gespeicherter Hauptinduktivität, gespeicherter Streuinduktivität und parasitären Kapazitäten abgeleitet ist; und d. Abgeben der Resonanzenergie im Resonanzschwingkreis an die Ausgangsschaltung, während der Primärschalter ausgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Energie kontinuierlich von einer Primärseite des Leistungswandlers an die Ausgangsschaltung übertragen wird, sowohl während der Primärschalter ein- als auch ausgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die parasitären Kapazitäten parasitäre Kapazitäten vom Hilfsschalter und vom Primärschalter umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Resonanzenergie über einen gesamten Resonanzzyklus des Resonanzschwingkreises abgegeben wird, wobei der Resonanzschwingkreis die Primärwicklung beinhaltet und der Resonanzzyklus einen positiven Primärwicklungsstromfluss und einen negativen Primärwicklungsstromfluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die an die Ausgangslast abgegebene Energie eine Summation von Energie, die von der Eingangsversorgung weitergeleitet wird, Resonanzenergie, die vom Resonanzschwingkreis gespeichert und freigeben wird, sowie parasitären Kapazitäten und Streuinduktivität, die als zusätzliche Resonanzenergie vom Resonanzschwingkreis gespeichert und freigeben werden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend das Steuern des Hilfsschalters durch Selbstkommutierung.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Hilfsschalter entsprechend einer Spannungsbedingung des Primärschalters ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Resonanzenergie nach einem Sperrwandlermodus zur Energieumwandlung gespeichert und abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Primärschalter während des Sperrwandlermodus zur Energieumwandlung ausgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Ausgangsschaltung eine erste Diode, eine zweite Diode und einen Kondensator umfasst, die erste Diode und die zweite Diode so mit der Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt sind, dass die zweite Diode rückwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode vorwärts gerichtet ist, und die zweite Diode vorwärts gerichtet ist, wenn die erste Diode rückwärts gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Primärwicklungsstrom linear bis zu einem Spitzenwert ansteigt, wenn der Primärschalter eingeschaltet ist.