DE102016103130A1

DE102016103130A1 - Schaltungsanordnung mit einer Gleichrichterschaltung

Info

Publication number: DE102016103130A1
Application number: DE102016103130.5A
Authority: DE
Inventors: Gerald Deboy; Anthony Sanders; Rolf Weis
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: CN105915078A; KR20160103533A; KR101846426B1; US9444363B1; CN105915078B; DE102016103130B4; US9960704B2; US20160373024A1; US20160248340A1

Abstract

Gemäß einer Ausgestaltung weist ein Verfahren das Erhalten einer elektrischen Leistung durch eine Ansteuerschaltung in einem Spannungsabgriff einer ersten Gleichrichterschaltung, die eine Laststrecke und einen Spannungsabgriff aufweist, und Verwenden der elektrischen Leistung durch die Ansteuerschaltung, um eine zweite Gleichrichterschaltung, die eine Laststrecke aufweist, anzusteuern. Die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung und die Laststrecke der zweiten Gleichrichterschaltung sind mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten gekoppelt.

Description

Diese Offenbarung betrifft allgemein eine elektronische Schaltungsanordnung, die eine Gleichrichterschaltung aufweist, insbesondere eine aktive Gleichrichterschaltung.
Gleichrichter sind elektronische Schaltungen oder elektronische Geräte, die es ermöglichen, dass ein Strom in einer ersten Richtung fließt, während sie im Wesentlichen verhindern, dass ein Strom in einer entgegengesetzten zweiten Richtung fließt. Derartige Gleichrichter werden häufig bei verschiedensten elektronischen Schaltungen in Automotive-, Industrie- und Consumer-Anwendungen eingesetzt, insbesondere bei Leistungswandler- und Antriebsanwendungen.
Herkömmliche Gleichrichter können mit einer Diode implementiert sein, die einen Strom leitet, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, und die sperrt, wenn sie in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Eine Diode verursacht jedoch relativ hohe Verluste, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Diese Verluste sind proportional zum Strom durch die Diode. Insbesondere bei Leistungswandler-Anwendungen oder Spannungsversorgungsanwendungen, bei denen ein hoher Strom durch den Gleichrichter fließen kann, können signifikante Verluste auftreten.
Daher besteht ein allgemeiner Bedarf, eine Schaltungsanordnung mit einer Gleichrichterschaltung bereitzustellen, die verringerte Verluste aufweist.
Eine Ausgestaltung betrifft eine Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung weist eine erste Gleichrichterschaltung mit einer Laststrecke und einem Spannungsabgriff auf, eine zweite Gleichrichterschaltung mit einer Laststrecke und einem Steuereingang, die dazu ausgebildet ist, durch ein an diesem Steuereingang erhaltenes Ansteuersignal ein- und ausgeschaltet zu werden, und eine Ansteuerschaltung mit einem ersten Versorgungseingang, der mit dem Spannungsabgriff der ersten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, und einem ersten Steuerungsausgang, der mit dem Steuereingang der zweiten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist. Die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung und die Laststrecke der zweiten Gleichrichterschaltung sind mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten gekoppelt, und die Ansteuerschaltung ist dazu ausgebildet, zumindest die zweite Gleichrichterschaltung unter Verwendung einer vom Spannungsabgriff der ersten Gleichrichterschaltung bezogenen elektrischen Leistung anzusteuern.
Eine Ausgestaltung betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst das Beziehen einer elektrischen Leistung von einem Spannungsabgriff einer ersten Gleichrichterschaltung, die eine Laststrecke und einen Spannungsabgriff aufweist, durch eine Ansteuerschaltung, und das Verwenden der elektrischen Leistung durch die Ansteuerschaltung, um eine zweite Gleichrichterschaltung anzusteuern, die eine Laststrecke aufweist. Die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung und die Laststrecke der zweiten Gleichrichterschaltung sind mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten gekoppelt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur die zum Verständnis dieser Prinzipien erforderlichen Aspekte dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung, die eine erste Gleichrichterschaltung, eine zweite Gleichrichterschaltung und eine Ansteuerschaltung aufweist;
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in 1 gezeigten Ansteuerschaltung;
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer in 2 gezeigten Versorgungsschaltung;
4 zeigt eine Modifikation der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung;
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer in 4 gezeigten Ansteuerschaltung;
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung, die eine erste Gleichrichterschaltung, eine zweite Gleichrichterschaltung und eine Ansteuerschaltung aufweist;
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in 6 gezeigten Ansteuerschaltung;
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer in 7 gezeigten Versorgungsschaltung;
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung;
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterschaltung;
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers, der eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Gleichrichterschaltung, einer zweiten Gleichrichterschaltung und einer Ansteuerschaltung aufweist;
12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers, der eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Gleichrichterschaltung, einer zweiten Gleichrichterschaltung und einer Ansteuerschaltung aufweist;
13 zeigt eine Modifikation des in 12 gezeigten Leistungswandlers;
14 veranschaulicht ein Verfahren zum Betrieb der in den 12 und 13 gezeigten Leistungswandler;
15 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers, der eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Gleichrichterschaltung, einer zweiten Gleichrichterschaltung und einer Ansteuerschaltung aufweist;
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung; und
17 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer Gleichrichterschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen anhand der Darstellung konkreter Ausführungsbeispiele, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung, die zur Gleichrichtung von zumindest einem elektrischen Strom in einer elektronischen Schaltung eingesetzt werden kann. Beispiele für elektronische Schaltungen, bei denen diese Schaltungsanordnung eingesetzt werden kann, werden nachfolgend erläutert. Bezug nehmend auf 1 weist die Schaltungsanordnung eine erste Gleichrichterschaltung 10A und eine zweite Gleichrichterschaltung 10B auf. Die erste Gleichrichterschaltung 10A weist eine Laststrecke zwischen einem ersten Lastknoten 12A und einem zweiten Lastknoten 13A und einen Spannungsabgriff 2xA auf. Die zweite Gleichrichterschaltung 10B weist eine Laststrecke zwischen einem ersten Lastknoten 12B und einem zweiten Lastknoten 13B und einen Steuereingang 11B auf. Die zweite Gleichrichterschaltung 10B ist dazu ausgebildet, durch ein an dem Steuereingang 11B erhaltenes Ansteuersignal ein- und ausgeschaltet zu werden.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung handelt es sich bei einem "Spannungsabgriff" um eine Anschlussstelle entlang einer Laststrecke einer Gleichrichterschaltung, an der eine an dieser Anschlussstelle vorherrschende Spannung abgegriffen werden kann. Beispielsweise ist ein Spannungsabgriff eine Verbindungsstelle zwischen zwei Schaltungselementen, die einen Teil der Laststrecke bilden.
Eine Ansteuerschaltung 4 weist einen ersten Versorgungseingang 41A auf, der mit dem Spannungsabgriff 2xA der ersten Gleichrichterschaltung 10A gekoppelt ist, und einen ersten Steuerungsausgang 42B, der mit dem Steuereingang 11B der zweiten Gleichrichterschaltung 10B gekoppelt ist. Die Ansteuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, zumindest die zweite Gleichrichterschaltung 10B unter Verwendung einer vom Spannungsabgriff 21A der ersten Gleichrichterschaltung 10A bezogenen elektrischen Leistung anzusteuern. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele der Ansteuerschaltung 4 ausführlicher erläutert.
Die Laststrecken der ersten Gleichrichterschaltung 10A und der zweiten Gleichrichterschaltung 10B sind mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten AB gekoppelt, indem einer ihrer jeweiligen ersten und zweiten Lastanschlüsse mit diesem Schaltungsknoten AB gekoppelt ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Lastknoten 12A, 12B einer jeden von der ersten Gleichrichterschaltung 10A und der zweiten Gleichrichterschaltung 10B mit dem gemeinsamen Schaltungsknoten AB verbunden. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die zweiten Lastknoten 13A, 13B der ersten Gleichrichterschaltung 10A und der zweiten Gleichrichterschaltung 10B nicht verbunden, so dass sich elektrische Potentiale V2A, V2B an diesen Lastknoten 13A, 13B unterscheiden können. Ein elektrisches Potential an dem gemeinsamen Schaltungsknoten AB ist in 1 mit V1 bezeichnet. Die elektrischen Potentiale V1, V2A, V2B an dem ersten und zweiten Lastknoten 12A, 12B, 13A, 13B können durch weitere Schaltungselemente einer elektronischen Schaltung bestimmt sein, bei der die Schaltungsanordnung gemäß 1 eingesetzt wird. Beispiele jener Schaltungen werden nachfolgend erläutert.
Bezug nehmend auf 1 weist die erste Gleichrichterschaltung 10A eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 1A und einer Transistoranordnung 3A, die mit dem Gleichrichterelement 1A in Reihe geschaltet ist, auf. Die Transistoranordnung 3A weist zumindest einen Transistor 31A, 32A auf, der eine Laststrecke und einen Steuerknoten aufweist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Transistoranordnung 3A zwei Transistoren 31A, 32A auf. Die Laststrecken dieser beiden Transistoren 31A, 32A sind in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung mit den Laststrecken der beiden Transistoren 31A, 32A mit dem Gleichrichterelement 1A in Reihe geschaltet ist. Eine Reihenschaltung mit dem Gleichrichterelement 1A und den Laststrecken der Transistoren 31A, 32A der Transistoranordnung 3A ist zwischen dem ersten Lastknoten 12A und den zweiten Lastknoten 13A der ersten Gleichrichterschaltung 10A geschaltet, so dass diese Reihenschaltung die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung 10A oder zumindest einen Teil der Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung 10A bildet. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei den Transistoren 31A, 32A der Transistoranordnung 3A um selbstleitende Transistoren. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese Transistoren als selbstleitende MOSFETs dargestellt. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel, andere Arten von selbstleitenden Transistoren wie beispielsweise JFETs (Junction Field-Effect Transistors), HEMTs (High Electron Mobility Transistors) können ebenso gut verwendet werden. Die Steuerknoten (Gateknoten) der einzelnen Transistoren 31A, 32A sind derart angeschlossen, dass das Gleichrichterelement 1A die Transistoren 31A, 32A direkt oder indirekt ansteuert, so dass das Gleichrichterelement 1A den Betriebszustand der Transistoranordnung 3A bestimmt. Der Betriebszustand kann einen eingeschalteten Zustand aufweisen, in dem sich die Transistoren 31A, 32A in einem eingeschalteten Zustand befinden (eingeschaltet sind), und einen ausgeschalteten Zustand, in dem sich die Transistoren 31A, 32A in einem ausgeschalteten Zustand befinden (ausgeschaltet sind).
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Gleichrichterelement 1A und die Transistoren 31A, 32A derart verbunden, dass der Transistor 31A basierend auf einer Spannung V1A über dem Gleichrichterelement 1A angesteuert wird, und der Transistor 32A basierend auf einer Spannung V31A über der Laststrecke des Transistors 31A gesteuert wird. Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass es sich bei den Transistoren 31A, 32A um MOSFETs handelt, insbesondere um n-Kanal-MOSFETs vom Verarmungstyp. Eine Ansteuerspannung dieser MOSFETs 31A, 32A ist eine Gate-Source-Spannung VG31A, VG32A, welche eine Spannung zwischen einem Gateknoten und einem Sourceknoten des betreffenden MOSFETs 31A, 32A ist. Bezug nehmend auf 1 entspricht die Gate-Source-Spannung VG31A des ersten Transistors 31A der negativen Spannung –V1A über dem Gleichrichterelement 1A, und die Gate-Source-Spannung VG32A des zweiten Transistors 32A entspricht der negativen Laststreckenspannung –V31A des Transistors 31A. Das heißt, VG31A = –V1A (1a) VG32A = –V31A (1b).
Zum Zweck der Erläuterung wird außerdem angenommen, dass sich die Transistoren 31A, 32A im eingeschalteten Zustand befinden, wenn die betreffende Gate-Source-Spannung VG31A, VG32A über einem Schwellenwert liegt, der Null oder negativ ist. Entsprechend befinden sich die Transistoren 31A, 32A im ausgeschalteten Zustand, wenn die betreffende Gate-Source-Spannung VG31A, VG32A unterhalb eines Schwellenwerts liegt.
Die erste Gleichrichterschaltung 10A kann sich in einem eingeschalteten Zustand befinden, was der Fall ist, wenn das Gleichrichterelement 1A die Transistoranordnung 3A in den eingeschalteten Zustand steuert, und in einen ausgeschalteten Zustand, was der Fall ist, wenn das Gleichrichterelement 1A die Transistoranordnung 3A in den ausgeschalteten Zustand steuert. Ob sich das erste Gleichrichterschaltung 10A im eingeschalteten Zustand oder im ausgeschalteten Zustand befindet, hängt ab von einer Polarität einer Spannung VA über der ersten Gleichrichterschaltung 10A. Diese Spannung ist gleich einer Differenz V2A – V1 zwischen dem elektrischen Potential V2A am zweiten Lastknoten 13A und dem elektrischen Potential V1 am ersten Lastknoten 12A. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die erste Gleichrichterschaltung 10A im ausgeschalteten Zustand, wenn die Spannung VA eine Polarität aufweist, wie sie in 1 gezeigt ist, und sie befindet sich im eingeschalteten Zustand, wenn die Spannung VA eine der in 1 gezeigten Polarität entgegengesetzte Polarität aufweist.
Nachfolgend wird ein Spannungspegel (Polarität) der Spannung VA, die die erste Gleichrichterschaltung 10A in den eingeschalteten Zustand steuert, als in Vorwärtsrichtung vorspannender Pegel der Spannung VA bezeichnet, und ein Spannungspegel (Polarität), die die Gleichrichterschaltung 10A in einen ausgeschalteten Zustand steuert, wird als in Rückwärtsrichtung vorspannender Pegel der Spannung VA bezeichnet. Das Ansteuern der ersten Gleichrichterschaltung 10A in den eingeschalteten Zustand oder den ausgeschalteten Zustand in Abhängigkeit von der Polarität der Spannung VA wird nachfolgend erläutert.
Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass die Spannung VA von Null zu den in Rückwärtsrichtung vorspannenden Pegeln ansteigt. Wenn der Spannungspegel der Spannung VA Null ist oder geringfügig über Null liegt, leiten die Transistoren 31A, 32A. Allerdings ist das Gleichrichterelement 1A in Rückwärtsrichtung vorgespannt, das heißt, die Spannung V1A über dem Gleichrichterelement 1A besitzt die in 1 gezeigte Polarität. Wenn der Spannungspegel der Spannung VA ansteigt, steigt der Pegel der Spannung V1A über dem Gleichrichterelement 1A an. Solange sich die Transistoren 31A, 32A im eingeschalteten Zustand befinden, sind die betreffenden Laststreckenspannung V31A, V32A im Wesentlichen gleich Null. Wenn die Spannung V1A über dem Gleichrichterelement 1A derart ansteigt, dass die Gate-Source-Spannung des Transistors 31A unter ihren Schwellenwert abfällt, schaltet der Transistor 31A aus. Ein weiterer Anstieg des Spannungspegels der Spannung VA führt dann zu einem Anstieg des Spannungspegels der Laststreckenspannung V31A, während der Spannungspegel der Spannung V1A über dem Gleichrichterelement 1A im Wesentlichen konstant gehalten wird. Ein Anstieg des Spannungspegels der Laststreckenspannung V31A des Transistors 31A kann bewirken, dass die Gatespannung VG32A des Transistors 32A unter die betreffende Schwellenspannung abfällt, so dass der Transistor 32A ausschaltet. Nachdem der Transistor 32A ausgeschaltet hat, führt ein weiterer Anstieg des Spannungspegels der Spannung VA zu einem Anstieg der Laststreckenspannung V32A des Transistors 32A.
Bei der ersten Gleichrichterschaltung 10A muss von dem Gleichrichterelement 1A und den Transistoren 31A, 32A im ausgeschalteten Zustand der Gleichrichterschaltung 10A ein jedes/jeder einem Spannungspegel standhalten, der geringer ist, als der Gesamt-Spannungspegel der Spannung VA. Das heißt, die einzelnen Elemente 1A, 31A, 32A der ersten Gleichrichterschaltung 10A "teilen" sich die Spannung VA.
Wenn die Spannung VA über der ersten Gleichrichterschaltung 10A ihre Polarität ändert, wird das Gleichrichterelement 1A in Vorwärtsrichtung vorgespannt (die Spannung V1A besitzt eine der in 1 gezeigten Polarität entgegengesetzte Polarität). Dies schaltet den Transistor 31A ein. Wenn der Transistor 31A eingeschaltet ist, ist die Laststreckenspannung V31A im Wesentlichen Null, so dass der Transistor 32A einschaltet.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Spannungsabgriff 2xA der ersten Gleichrichterschaltung 10A ein Schaltungsknoten zwischen dem Gleichrichterelement 1A und dem Transistor 31A der Transistoranordnung. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Allgemein kann es sich bei dem Spannungsabgriff um einen beliebigen Schaltungsknoten zwischen dem Gleichrichterelement 1A und irgendeinem der Transistoren der Transistoranordnung 3A handeln. Im ausgeschalteten Zustand wirken das Gleichrichterelement 1A und die Transistoren 31A, 32A der Transistoranordnung 3A wie in Spannungsteiler, so dass die Spannung zwischen dem Abgriff 2xA und dem gemeinsamen Schaltungsknoten AB kleiner ist als der Pegel der Spannung VA, die die Gleichrichterschaltung 10A in Rückwärtsrichtung vorspannt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem der Spannungsabgriff 21A dem Schaltungsknoten zwischen dem Gleichrichterelement 1A und dem Transistor 31A entspricht, entspricht die Spannung zwischen dem Abgriff 21A und dem gemeinsamen Schaltungsknoten AB der Spannung V1A über dem Gleichrichterelement 1A. Im ausgeschalteten Zustand entspricht der Maximalpegel dieser Spannung V1A im Wesentlichen dem Absolutwert (Betrag) der Schwellenspannung des ersten Transistors 31A. Wenn der Spannungsabgriff ein Schaltungsknoten zwischen den Strecken der Transistoren 31A, 32A ist, dann entspricht die maximale Spannung zwischen dem Abgriff und dem gemeinsamen Schaltungsknoten AB der Summe der Schwellenspannungen der Transistoren 31A, 32A. Diese Schwellenspannungen können bei der Auslegung der Transistoren der Gleichrichterschaltung 10A eingestellt werden.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die zweite Gleichrichterschaltung 10B einen Transistor auf, sowie ein Gleichrichterelement, das zu einer Laststrecke des Transistors parallel geschaltet ist. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Transistor um einen MOSFET wie beispielsweise einen n-Kanal-MOSFET. In diesem Fall kann es sich bei dem Gleichrichterelement um eine integrierte Bodydiode des MOSFETs handeln. Allerdings ist der Transistor 14B der zweiten Gleichrichterschaltung 10B nicht darauf beschränkt, als MOSFET implementiert zu werden. Jede andere Art von Transistor, insbesondere jede andere Art von selbstsperrendem Transistor wie beispielsweise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein BJT (Bipolar Junction Transistor) kann ebenso gut eingesetzt werden. Falls ein IGBT oder ein BJT verwendet wird, kann ein Gleichrichterelement zusätzlich zu dem betreffenden Transistor erforderlich sein.
Lediglich zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass es sich bei dem Transistor der zweiten Gleichrichterschaltung 10B um einen n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp handelt. Eine Laststrecke (Drain-Source-Strecke) dieses MOSFETs ist zwischen den ersten Lastknoten 12B und den zweiten Lastknoten 13B der zweiten Gleichrichterschaltung 10B geschaltet. Ein Gateknoten dieses MOSFETs 14B bildet den Steuerknoten der zweiten Gleichrichterschaltung 10B.
Auch wenn die Transistoranordnung 3A der ersten Gleichrichterschaltung 10A so dargestellt ist, dass sie zwei Transistoren 31A, 32A aufweist, handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Die Anzahl der Transistoren bei der Transistoranordnung 3A ist beliebig und kann ausgewählt werden basierend auf dem Maximalpegel der Spannung VA, den die erste Gleichrichterschaltung 10A im in Rückwärtsrichtung vorgespannten Zustand sperren (blockieren) soll. Grundsätzlich steigt das Spannungssperrvermögen der Gleichrichterschaltung 10A, wenn die Anzahl der Transistoren bei der Transistoranordnung 3A ansteigt. Das "Spannungssperrvermögen" ist die maximale Spannung, der die Gleichrichterschaltung 10A im in Rückwärtsrichtung vorgespannten Zustand standhalten kann.
Wie die erste Gleichrichterschaltung 10A kann die zweite Gleichrichterschaltung 10B in einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Betriebsart und in einer in Rückwärtsrichtung vorgespannten Betriebsart betrieben werden. Die "in Vorwärtsrichtung vorgespannte Betriebsart" ist eine Betriebsart, in der die Spannung VB über der Laststrecke (zwischen dem zweiten Lastknoten 13B und dem ersten Lastknoten 12B) eine Polarität aufweist, die das Gleichrichterelement in Vorwärtsrichtung vorspannt. Bei der "in Rückwärtsrichtung vorgespannten Betriebsart" besitzt die Spannung VB eine Polarität, die das Gleichrichterelement 1B in Rückwärtsrichtung vorspannt. Bei der zweiten Gleichrichterschaltung 10B ist das Gleichrichterelement 1B im Wesentlichen ausreichend, um für eine korrekte Funktionalität der Gleichrichterschaltung 10B zu sorgen. Das heißt, das Gleichrichterelement alleine reicht aus, um zu sperren, wenn die Spannung VB eine Polarität aufweist, die die Gleichrichterschaltung 10B bzw. das Gleichrichterelement 1B in Rückwärtsrichtung vorspannt, und zu leiten, wenn die Spannung VB eine Polarität aufweist, die die Gleichrichterschaltung 10B bzw. das Gleichrichterelement in Vorwärtsrichtung vorspannt. Bezug nehmend auf 1 kann das Gleichrichterelement zum Beispiel als Diode wie beispielsweise als Bipolardiode implementiert sein. Eine Diode verursacht jedoch hohe Verluste, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Diese Verluste sind proportional zum Pegel eines Stroms durch die Diode, so dass bei Anwendungen, bei denen, wie beispielsweise bei Leistungswandler-Anwendungen, ein hoher Strom durch die Diode fließen kann, signifikante Verluste auftreten können. Daher kann es, wie in 1 gezeigt, vorteilhaft sein, wenn ein Transistor 14B zu dem Gleichrichterelement 1B parallel geschaltet ist, und den Transistor jedes Mal einzuschalten, wenn das Gleichrichterelement 1B in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn der Transistor 14B so ausgelegt ist, dass er im eingeschalteten Zustand geringere Verluste aufweist als die Diode im in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zustand, dann überbrückt der Transistor 14B im eingeschalteten Zustand das Gleichrichterelement 1B, so dass er die Verluste verringert. Das Gleichrichterelement 1B kann einen Strom nur dann leiten, wenn die Spannung VB das Gleichrichterelement 1B in Vorwärtsrichtung vorspannt und der Transistor 14B noch nicht eingeschaltet wurde, oder nachdem der Transistor 14B abgeschaltet wurde und die Spannung VB das Gleichrichterelement 1B noch in Vorwärtsrichtung vorspannt.
Bei der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung wird Energie, die erforderlich ist, um den Transistor 14B anzusteuern (den Transistor 14B einzuschalten oder auszuschalten) von der Abgriffsspannung bezogen. Die "Abgriffsspannung" ist die Spannung zwischen dem Abgriff 2xA und dem gemeinsamen Knoten AB. Diese Abgriffsspannung wird nachfolgend als V2xA bezeichnet.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerschaltung 4, die bei der zweiten Gleichrichterschaltung 10B den Transistor 14B ansteuert, indem sie eine an dem Versorgungseingang 41A von dem Spannungsabgriff 2xA der ersten Gleichrichterschaltung 10A bezogene Energie verwendet. Die Ansteuerschaltung 4 weist eine erste Steuerung 40B auf, die die Abgriffsspannung V2xA bezieht und einen Steuerungsausgang aufweist, der mit dem Steuereingang 11B der zweiten Gleichrichterschaltung 10B verbunden ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht der Steuereingang 11B der zweiten Gleichrichterschaltung 10B dem Steuerknoten (Gateknoten des Transistors 14B) bei der Steuerschaltung 10B.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die erste Steuerung 40B eine Halbbrücke mit einem ersten Schalter 43B und einem zweiten Schalter 44B auf, die zwischen den Versorgungseingang 41A und den gemeinsamen Schaltungsknoten AB in Reihe geschaltet sind, so dass eine Spannung über der Halbbrücke 43B, 44B der Abgriffsspannung V2xA entspricht. Bei der Halbbrücke ist der erste Steuerungsausgang 42B der Ansteuerschaltung 4 ein gemeinsamer Schaltungsknoten der Laststrecken des ersten Schalters 43B bzw. des zweiten Schalters 44B.
Bezug nehmend auf 2 steuert ein Controller 5 die erste Steuerung 40B und steuert deshalb ein Steuersignal V42B, das am ersten Steuerungsausgang 42B verfügbar ist. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht das Signal V42B einer Spannung zwischen dem Steuerungsausgang 42B und dem gemeinsamen Schaltungsknoten AB. Der Controller 5 kann so ausgelegt sein, dass er die Schalter 43B, 44B der Halbbrücke derart ansteuert, dass zur gleichen Zeit nur einer dieser Schalter eingeschaltet ist. Wenn der Low-Side-Schalter 43B eingeschaltet ist, ist die Ansteuerspannung V42B im Wesentlichen Null. Wenn der High-Side-Schalter 44B eingeschaltet ist, ist die Steuerspannung V42B im Wesentlichen gleich der Abgriffsspannung V2xA.
Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass der Transistor 14B der zweiten Gleichrichterschaltung 10B ausgeschaltet ist (sich im ausgeschalteten Zustand befindet), wenn die Ansteuerspannung V42B niedriger ist als eine (positive) Schwellenspannung, und dass sich der Transistor im eingeschalteten Zustand befindet (eingeschaltet ist), wenn die Ansteuerspannung V42B über der Schwellenspannung liegt. Somit kann die Ansteuerschaltung 4 den Transistor 14B ausschalten, indem sie den Low-Side-Schalter 43B der ersten Steuerung 40B einschaltet; und die Ansteuerschaltung 4 an den Transistor einschalten, indem sie den High-Side-Schalter 44B einschaltet, vorausgesetzt, dass die Abgriffsspannung V2xA über der Schwellenspannung des Transistors liegt. Bezug nehmend auf die obige Erläuterung ist die Abgriffsspannung V2xA positiv (so dass ein Spannungspegel der Abgriffsspannung über der Schwellenspannung des Transistors liegen kann), wenn die erste Gleichrichterschaltung 10A in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Bezug nehmend auf das Obige kann es wünschenswert sein, den Transistor der zweiten Gleichrichterschaltung 10B einzuschalten, wenn die zweite Gleichrichterschaltung 10B in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Daher ist die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung für einen Einsatz in einer elektronischen Schaltung geeignet, die zwei Gleichrichterschaltungen erfordert, die auf eine komplementäre Weise so in Vorwärtsrichtung vorgespannt und in Rückwärtsrichtung vorgespannt werden, dass eine der Gleichrichterschaltungen in Vorwärtsrichtung vorgespannt oder nicht vorgespannt ist, wenn die andere Gleichrichterschaltung in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. "Nicht vorgespannt" bedeutet, dass die Spannung über der Gleichrichterschaltung im Wesentlichen Null ist.
Bezug nehmend auf 2 steuert der Controller 5 die erste Steuerung 40B und deshalb den Transistor der zweiten Gleichrichterschaltung 10B basierend auf einem Statussignal SB der zweiten Gleichrichterschaltung 10B. Dieses Statussignal SB repräsentiert einen vorgespannten Zustand der zweiten Gleichrichterschaltung 10B. Das heißt, das Statussignal SB lässt erkennen, ob die zweite Gleichrichterschaltung 10B in Vorwärtsrichtung vorgespannt oder in Rückwärtsrichtung vorgespannt (oder nicht vorgespannt) ist. Das Statussignal SB ist durch Messen eines Stroms IB durch die zweite Gleichrichterschaltung 10B erhältlich. Die zweite Gleichrichterschaltung 10B ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn der Strom IB in einer der in 1 gezeigten Richtung entgegengesetzten Richtung fließt. Zusätzlich oder alternativ zum Messen des Stroms IB ist das Statussignal SB durch Messen der Spannung VB über der zweiten Gleichrichterschaltung 10B erhältlich. Die zweite Gleichrichterschaltung 10B ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn die Spannung VB eine der in 1 gezeigten Polarität entgegengesetzte Polarität aufweist. Strommess- und Spannungsmessschaltungen, die zur Messung des Stroms IB und/oder der Spannung VB verwendet werden können, sind allgemein bekannt, so dass in dieser Hinsicht keine weiteren Erläuterungen erforderlich sind.
Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Controller 5 um eine integrierte Schaltung, die dazu ausgebildet ist, die erste Steuerung 40B basierend auf dem Statussignal SB zu steuern. Bei dem Controller 5 handelt es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller. In 2 bezeichnen S43B, S44B Ansteuersignale, die von dem Controller 5 erzeugt werden, um den Low-Side-Schalter 43B und den High-Side-Schalter 44B der ersten Steuerung 40B anzusteuern. Ein jedes dieser Ansteuersignale S43B, S44B kann einen Einschaltpegel aufweisen, der den betreffenden Schalter einschaltet, oder einen Ausschaltpegel, der den betreffenden Schalter ausschaltet. Bei dem Low-Side-Schalter 43B und dem High-Side-Schalter 44B kann es sich zum Beispiel um herkömmliche elektronische Schalter wie beispielsweise Transistoren handeln.
Bezug nehmend auf 2 weist die Ansteuerschaltung 4 außerdem eine Versorgungsschaltung 6 auf, die dazu ausgebildet ist, dem Controller 5 eine Versorgungsspannung VSUP zuzuführen. Die von dem Controller 5 von der Versorgungsschaltung 6 bezogene Versorgungsspannung VSUP wird dazu verwendet, in dem Controller 5 das Ansteuersignal S43B, S44B der ersten Steuerung 40B zu erzeugen. Die Versorgungsschaltung 6 kann außerdem die Strommesseinheit (nicht gezeigt) oder die Spannungsmesseinheit (nicht gezeigt) versorgen, die das Statussignal SB erzeugt.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Versorgungsschaltung 6. Bei diesem Ausführungsbeispiel bezieht die Versorgungsschaltung 6 die Abgriffsspannung V2xA und erzeugt die Versorgungsspannung VSUP aus der Abgriffsspannung V2xA. Bezug nehmend auf 3 kann die Versorgungsschaltung 6 eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 61 wie beispielsweise einer Diode und einem Ladungsspeicherelement 62 wie beispielsweise einem Kondensator aufweisen. Diese Reihenschaltung bezieht die Abgriffsspannung V2xA; die Versorgungsspannung VSUP steht an dem Ladungsspeicherelement 62 zur Verfügung. Bei dieser Versorgungsschaltung 6 wird das Ladungsspeicherelement 62 jedes Mal geladen, wenn die Abgriffsspannung V2xA einen Spannungspegel aufweist, der über dem Pegel der Versorgungsspannung VSUP plus der Vorwärtsspannung des Gleichrichterelements 61 liegt. Das heißt, das Ladungsspeicherelement 62 wird jedes Mal, wenn die erste Gleichrichterschaltung 10A in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, aufgeladen. Das Gleichrichterelement 61 verhindert, dass das Ladungsspeicherelement 62 entladen wird, wenn der Spannungspegel der Abgriffsspannung V2xA unter den Spannungspegel der Versorgungsspannung VSUP abfällt, so dass die Versorgungsschaltung 6 den Controller 5 in den Zeiträumen versorgen kann, in denen die erste Gleichrichterschaltung 10 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und in denen die Abgriffsspannung V2xA zu gering ist, um den Controller 5 zu versorgen.
Die Art der in 3 gezeigten Schaltung ist als "Boot-Strap-Schaltung" bekannt. Bei der Implementierung der Versorgungsschaltung 6 derart, dass sie eine Boot-Strap-Schaltung enthält, handelt es sich jedoch lediglich um ein Beispiel. Gemäß einer anderen Ausgestaltung weist die Versorgungsschaltung 6 eine Ladungspumpenschaltung (nicht gezeigt) auf, die die Versorgungsspannung VSUP aus der Abgriffsspannung V2xA erzeugt. Bei dieser Ausgestaltung kann die Versorgungsspannung VSUP so erzeugt werden, dass sie einen Spannungspegel aufweist, der höher ist, als der maximale Spannungspegel der Abgriffsspannung V2xA.
4 zeigt eine Modifikation der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung. Bei dieser Schaltungsanordnung weist die erste Gleichrichterschaltung 10A einen Transistor 14A auf. Dieser Transistor 14A weist eine Laststrecke auf, die zu dem Gleichrichterelement 1A parallel geschaltet ist, und einen Steuerknoten. Der Steuerknoten ist mit einem Steuerungseingang 11A der ersten Gleichrichterschaltung 10A verbunden. Bei dieser Ausgestaltung weist die Ansteuerschaltung 4 einen zweiten Steuerungsausgang 42A auf, der mit dem Steuerungseingang 11A der ersten Gleichrichterschaltung 10A verbunden ist. Ähnlich der Ansteuerung des Transistors 14B bei der zweiten Gleichrichterschaltung 10B ist die Ansteuerschaltung 4 dazu ausgebildet, den Transistor 14A in der ersten Gleichrichterschaltung 10A einzuschalten, wenn die erste Gleichrichterschaltung 10A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn der Transistor 14A eingeschaltet ist, überbrückt er das Gleichrichterelement 1A, so dass Verluste verringert werden, die bei der ersten Gleichrichterschaltung 10A im in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zustand auftreten.
5 zeigt eine Ausgestaltung einer Ansteuerschaltung 4, die dazu ausgebildet ist, die Transistoren 14A, 14B in der ersten Gleichrichterschaltung 10A und der zweiten Gleichrichterschaltung 10B anzusteuern. Die in 5 gezeigte Ansteuerschaltung basiert auf der in 2 gezeigten Ansteuerschaltung und weist zusätzlich eine zweite Steuerung 40A zum Ansteuern des Transistors 14A in der ersten Gleichrichterschaltung 10A auf. Ähnlich wie die erste Steuerung 40B weist die zweite Steuerung 40A eine Halbbrückenschaltung mit einem Low-Side-Schalter 43A und einem High-Side-Schalter 44A auf. Der zweite Steuerungsausgang 42A wird durch einen gemeinsamen Schaltungsknoten der Laststrecken des Low-Side-Schalters 43A und des High-Side-Schalters 44A gebildet. Diese Schalter 43A, 44A können als herkömmliche elektronische Schalter wie beispielsweise Transistoren implementiert sein. Die Controller-Schaltung 5 steuert den Low-Side-Schalter 43A und den High-Side-Schalter 44A. In 5 bezeichnen S43A, S44A Ansteuersignale, die von dem Controller 5 zur Ansteuerung des Low-Side-Schalters 43A bzw. des High-Side-Schalters 44A erzeugt werden.
Bei der in 4 gezeigten Ansteuerschaltung weist die Versorgungsschaltung 6 nicht nur einen Controller 5 auf, sondern sie versorgt auch die ersten und zweiten Steuerungen 40A, 40B. Das heißt, die Versorgungsspannung VSUP wird von dem Controller 5 und von der Halbbrücke in jeder der ersten und zweiten Steuerung 40A, 40B bezogen. Bei der Versorgungsspannung VSUP handelt es sich um eine Spannung, die auf den gemeinsamen Schaltungsknoten AB bezogen ist. In 5 bezeichnet V42B die Ansteuerspannung (das Ansteuersignal), die an dem ersten Steuerungsausgang 42B verfügbar ist, und V42A bezeichnet die Ansteuerspannung (das Ansteuersignal), die an dem zweiten Steuerungsausgang 42A verfügbar ist. Jede dieser Ansteuerspannungen V42A, V42B ist im Wesentlichen Null (um den betreffenden Transistor 14A, 14B auszuschalten), wenn sich der Low-Side-Schalter der betreffenden Steuerung 40A, 40B im eingeschalteten Zustand befindet. Und jede der Ansteuerspannungen V42A, V42B ist im Wesentlichen gleich der Versorgungsspannung VSUP (um den betreffenden Transistor 14A, 14B einzuschalten), wenn der High-Side-Schalter der betreffenden Steuerung 40A, 40B eingeschaltet ist. Wie die unter Bezugnahme auf 4 erläuterte Ansteuerschaltung 4 werden der Low-Side-Schalter und der High-Side-Schalter einer jeden der Steuerungen 40A, 40B so betrieben, dass von dem Low-Side-Schalter und dem High-Side-Schalter einer jeden Steuerung zur selben Zeit nur einer eingeschaltet ist.
Die Versorgungsschaltung 6 der in 5 gezeigten Ansteuerschaltung 4 kann wie unter Bezugnahme auf 3 erläutert implementiert werden. Aufgrund des Ladungsspeicherelements 62, das die Versorgungsspannung VSUP bereitstellt, kann die in 5 gezeigte Ansteuerschaltung 4 den Transistor 14A in jenen Zeiträumen einschalten, in denen die erste Gleichrichterschaltung 10A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und in denen die Abgriffsspannung V2xA einen Spannungspegel aufweist, der zu gering ist, um den Transistor 14A einzuschalten. Wie der Transistor 14B bei der zweiten Gleichrichterschaltung 10B kann der Transistor 14A bei der ersten Gleichrichterschaltung 10A als herkömmlicher Transistor implementiert sein. Lediglich zum Zweck der Darstellung wird angenommen, dass dieser Transistor 14A ein n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp ist. In diesem Fall kann das Gleichrichterelement 1A als Bodydiode des MOSFETs implementiert sein.
Der Controller 5 der in 5 gezeigten Ansteuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, den Transistor 14B der zweiten Gleichrichterschaltung 10B basierend auf dem vorangehend erläuterten Statussignal SB anzusteuern. Zum Ansteuern des Transistors 14A in der ersten Gleichrichterschaltung 10A empfängt der Controller 5 ein weiteres Statussignal SA. Dieses Statussignal SA lässt erkennen, ob die erste Gleichrichterschaltung 10A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist oder in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Hierzu kann eine Strommessschaltung eine Polarität eines Stroms IA durch die erste Gleichrichterschaltung 10A auswerten und/oder eine Spannungsmessschaltung kann eine Polarität der Spannung VA über der ersten Gleichrichterschaltung 10A auswerten. Der Controller 5 schaltet den Transistor 14A ein, wenn das Statussignal SA erkennen lässt, dass die Gleichrichterschaltung 10A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
Um zu verhindern, dass die Transistoren 14A, 14B eingeschaltet werden, wenn die Spannung VA, VB über der betreffenden Gleichrichterschaltung 10A, 10B ihre Polarität ändert, können die Statussignale SA, SB so erzeugt werden, dass sie nicht nur die Polarität des Stroms IA, IB erkennen lassen, sondern auch auf den Strompegel schließen lassen. Bei dieser Ausgestaltung kann der Controller 5 den betreffenden Transistor 14A, 14B ausschalten, wenn das Statussignal SA, SB erkennen lässt, dass der Strom unter einen vorgegebenen Schwellenwert abgefallen ist. Dies kann darauf schließen lassen, dass die Spannung VA, VB dabei ist, ihre Polarität zu ändern, so dass die Ansteuerschaltung 4 den betreffenden Transistor 14A, 14B abschaltet.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit zwei Gleichrichterschaltungen 10A, 10B. Die Gleichrichterschaltung 10A entspricht der in 4 gezeigten ersten Gleichrichterschaltung 10A, auf die Bezug genommen wird. Die zweite Gleichrichterschaltung 10B basiert auf der in den 1 und 3 gezeigten Gleichrichterschaltung 10B und weist zusätzlich eine Transistoranordnung 3B mit zumindest einem Transistor (in 6 sind zwei Transistoren 31B, 32B gezeigt) auf. Das heißt, die zweite Gleichrichterschaltung 10B besitzt dieselbe Topologie wie die erste Gleichrichterschaltung 10A. In diesem Kontext bedeutet "dieselbe Topologie" nicht notwendigerweise, dass bei den Transistoranordnungen 3A, 3B die Anzahl der Transistoren identisch sein muss. Diese Transistoranordnungen 3A, 3B können mit derselben Anzahl von Transistoren implementiert sein. Allerdings ist es ebenso möglich, in diesen Transistoranordnungen 3A, 3B unterschiedliche Anzahlen von Transistoren einzusetzen.
Das Arbeitsprinzip der zweiten Gleichrichterschaltung 10B entspricht dem Arbeitsprinzip der unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erläuterten ersten Gleichrichterschaltung 10A. Das heißt, die zweite Gleichrichterschaltung 10B kann in einem in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zustand oder einem in Rückwärtsrichtung vorgespannten Zustand betrieben werden. Im in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zustand spannt die Spannung VB das Gleichrichterelement 1B in Vorwärtsrichtung vor, so dass das Gleichrichterelement 1B die einzelnen Transistoren 31B, 32B in der Transistoranordnung 3B direkt oder indirekt einschaltet. Im in Rückwärtsrichtung vorgespannten Zustand spannt die Spannung VB das Gleichrichterelement 1B in Rückwärtsrichtung vor, so dass das Gleichrichterelement 1B die Transistoren 31B, 32B der Transistoranordnung 3B direkt oder indirekt ausschaltet. Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel schaltet das Gleichrichterelement 1B den Transistor 31B direkt und schaltet den Transistor 32B über den Transistor 31B, so dass das Gleichrichterelement 1B den Transistor 32B indirekt schaltet.
Die zweite Gleichrichterschaltung 10B weist außerdem einen Abgriff 2xB auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abgriff 2xB ein Schaltungsknoten zwischen dem Gleichrichterelement 1B (bzw. dem Transistor 14B) und dem Transistor 31B der Transistoranordnung. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Bei einer zweiten Gleichrichterschaltung 10B mit zwei oder mehr Transistoren könnte es sich bei dem Abgriff 2xB auch um einen gemeinsamen Schaltungsknoten der Laststrecken von zwei der Transistoren der Transistoranordnung handeln (dies ist in 6 anhand gepunkteter Linien dargestellt).
7 zeigt eine Ausgestaltung einer Ansteuerschaltung 4, die dazu ausgebildet ist, die Transistoren 14A, 14B unter Verwendung einer am ersten Versorgungseingang 41A von dem Spannungsabgriff 2xA bezogenen ersten Abgriffsspannung V2xA und einer am zweiten Versorgungseingang 41B von dem Spannungsabgriff 2xB bezogenen zweiten Abgriffsspannung V2xB anzusteuern. Die in 7 gezeigte Ansteuerschaltung 4 basiert auf der in 5 gezeigten Ansteuerschaltung 4, unterscheidet sich von dieser jedoch dadurch, dass die Versorgungsschaltung 6 nur den Controller 5 versorgt. Außerdem bezieht die erste Steuerung 40B die erste Abgriffsspannung V2xA, und die zweite Steuerung 40A bezieht die zweite Abgriffsspannung V2xB. Daher steuert die Ansteuerschaltung 4 den Transistor 14A unter Verwendung einer von dem Abgriff 2xB der zweiten Gleichrichterschaltung 10B bezogene Energie, und sie steuert den Transistor 14B unter Verwendung einer von dem Abgriff 2xA der ersten Gleichrichterschaltung 10A bezogenen Energie.
Der in 7 gezeigte Controller 5 ist dazu ausgebildet, den Transistor 14A in der ersten Gleichrichterschaltung 10A basierend auf dem Statussignal SA so anzusteuern, dass er den Transistor 14A über die zweite Steuerung 40A einschaltet, wenn das Statussignal SA darauf schließen lässt, dass die erste Gleichrichterschaltung 10A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Controller 5 den Transistor 14A einschalten, wenn die von der zweiten Gleichrichterschaltung 10B bereitgestellte Abgriffsspannung V2xB über der Schwellenspannung des Transistors 14A liegt. Entsprechend schaltet der Controller 5 den Transistor 14B bei der zweiten Gleichrichterschaltung 10B ein, wenn das Statussignal SB darauf schließen lässt, dass die zweite Gleichrichterschaltung 10B in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
Die in 7 gezeigte Versorgungsschaltung 6 kann, wie unter Bezugnahme auf 3 erläutert, implementiert werden. 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der in 7 gezeigten Versorgungsschaltung 6. Bei dieser Ausgestaltung bezieht die Versorgungsschaltung 6 sowohl die erste Abgriffsspannung V2xA als auch die zweite Abgriffsspannung V2xB. Der Spannungsabgriff 2xA der ersten Gleichrichterschaltung 10A ist über ein erstes Gleichrichterelement 61A mit dem Ladungsspeicherelement 62 gekoppelt; der Spannungsabgriff 2xB der zweiten Gleichrichterschaltung 10B ist über ein zweites Gleichrichterelement 61B mit dem Ladungsspeicherelement 62 gekoppelt. Bei dieser Versorgungsschaltung 6 wird das Ladungsspeicherelement 62 jedes Mal aufgeladen, wenn von der ersten und zweiten Abgriffsspannung V2xA, V2xB eine einen Spannungspegel aufweist, der höher ist als der Spannungspegel der Versorgungsspannung VSUP.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Ansteuerschaltung 4 der in 6 gezeigten Schaltungsanordnung mit einer in 5 gezeigten Steuerschaltung implementiert. Bei dieser Steuerschaltung erhalten die Steuerungen 40A, 40B die Versorgungsspannung VSUP von der Versorgungsschaltung 6. Die Versorgungsschaltung 6 kann wie in 3 gezeigt oder wie in 8 gezeigt implementiert werden. Im ersten Fall kann die Verbindung zwischen dem Abgriff 2xB der zweiten Gleichrichterschaltung 10B und der Ansteuerschaltung 4 weggelassen werden.
Bezug nehmend auf die obige Erläuterung sind die Transistoranordnungen 3A, 3B nicht darauf beschränkt, mit zwei Transistoren implementiert zu werden. Diese Transistoranordnungen 3A, 3B können mit einer beliebigen Anzahl von in Reihe geschalteten Transistoren ausgelegt werden, wobei die Anzahl der Transistoren abhängig von dem gewünschten Spannungssperrvermögen der betreffenden Gleichrichterschaltung 10A, 10B ausgewählt werden kann. Die 9 und 10 zeigen lediglich zum Zweck der Erläuterung zwei weitere Ausführungsbeispiele einer Gleichrichterschaltung. In den 9 und 10 repräsentiert das Bezugszeichen 10 eine der Gleichrichterschaltungen 10A, 10B, das Bezugszeichen 3 repräsentiert eine der Transistoranordnungen 3A, 3B, das Bezugszeichen 1 bezeichnet eines der Gleichrichterelemente 1A, 1B, das Bezugszeichen 14 repräsentiert einen der Transistoren 14A, 14B, das Bezugszeichen 11 repräsentiert einen der Steuereingänge 11A, 11B, und das Bezugszeichen 2x repräsentiert einen der Spannungsabgriffe 2xA, 2xB. Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Transistoranordnung 3 lediglich einen Transistor 31 auf. Der Transistor 31 wird direkt durch die Parallelschaltung mit dem Gleichrichterelement 1 und dem Transistor 14 gesteuert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Spannungsabgriff 2x ein Schaltungsknoten zwischen der Parallelschaltung 1, 14 und der Transistoranordnung 3. Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Transistoranordnung 3 drei in Reihe geschaltete Transistoren 31, 32, 3n auf. Bei dem Spannungsabgriff 2x kann es sich um den Schaltungsknoten zwischen der Parallelschaltung 1, 14 und der Transistoranordnung 3 handeln, oder um einen beliebigen der Schaltungsknoten zwischen zwei der Transistoren 31, 32, 3n der Transistoranordnung 3.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung, bei der die vorangehend erläuterten Schaltungsanordnungen mit den beiden Gleichrichterschaltungen 10A, 10B implementiert sein können. Bei der in 11 gezeigten elektronischen Schaltung handelt es sich um eine Leistungswandlerschaltung mit einem Eingang zum Beziehen einer Eingangsspannung Vin, und einem Ausgang, um einer Last (nicht gezeigt) eine Ausgangsspannung Vout zuzuführen. Die Leistungswandlerschaltung weist einen Transformator 6 auf, der den Eingang und den Ausgang galvanisch isoliert. Außerdem weist die Leistungswandlerschaltung einen Schaltkreis 5 auf, der dazu ausgebildet ist, an einer Primärwicklung 61 des Transformators 6 eine Wechselspannung zu erzeugen, und eine Gleichrichteranordnung 7, die mit einer Sekundärwicklung 62 des Transformators 6 gekoppelt ist. Bei dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Sekundärwicklung 62 einen ersten Wicklungsabschnitt 621 und einen zweiten Wicklungsabschnitt 622 und einen Mittelabgriff zwischen den beiden Wicklungsabschnitten 621, 622 auf. Der Mittelabgriff ist mit dem Ausgang gekoppelt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Eingangsspannung Vin höher als die Ausgangsspannung Vout. Die Eingangsspannung Vin kann im Bereich von mehreren 100 V wie beispielsweise 400 V liegen, und die Ausgangsspannung Vout kann im Bereich von mehreren 10 V wie beispielsweise zwischen 30 V und 80 V liegen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Schaltkreis 5 mit einer LLC-Resonanztopologie implementiert. Diese LLC-Resonanztopologie weist eine Halbbrücke mit einem High-Side-Schalter 51 und einem Low-Side-Schalter 52 auf. Die Halbbrücke ist zum Beziehen einer Eingangsspannung Vin mit dem Eingang verbunden. Außerdem weist die LLC-Topologie eine Reihen-LLC-Schaltung mit einem kapazitiven Speicherelement 53, einem induktiven Speicherelement 54 und der Primärwicklung 61 des Transformators 6 auf. Diese Reihen-LLC-Schaltung ist zu dem Low-Side-Schalter 52 parallel geschaltet. Ein weiteres induktives Speicherelement 55 kann eine Streuinduktivität der Primärwicklung 61 repräsentieren, oder es kann eine zusätzliche Drossel sein, die zu der Primärwicklung 61 parallel geschaltet ist.
Eine Ansteuerschaltung 56 steuert den High-Side-Schalter 51 und den Low-Side-Schalter 52 so an, dass eine Wechselspannung V61 über der Primärwicklung 61 erzeugt wird. Insbesondere schaltet die Ansteuerschaltung 56 den High-Side-Schalter 51 und den Low-Side-Schalter 52 abwechselnd ein und aus, so dass von diesen Schaltern zur selben Zeit nur einer eingeschaltet ist. Die Bezugszeichen S51, S52 bezeichnen von der Ansteuerschaltung 56 erzeugte Ansteuersignale des High-Side-Schalters 51 und des Low-Side-Schalters 52. Die Ansteuerschaltung 56 kann jene Ansteuersignale S51, S52 basierend auf einem Ausgangssignal Sout erzeugen. Dieses Ausgangssignal Sout kann von einer Ausgangsspannung Vout und einem Ausgangsstrom Iout zumindest eine(n) repräsentieren; die Ansteuerschaltung 56 kann dazu ausgebildet sein, die Halbbrücke 51, 52 so anzusteuern, dass der durch das Signal Sout repräsentierte Parameter (Ausgangsstrom, Ausgangsspannung oder Ausgangsleistung) einen vorgegebenen Signalpegel (Strompegel, Spannungspegel oder Leistungspegel) besitzt. Die Reihen-LLC-Schaltung weist zwei Resonanzfrequenzen auf, nämlich eine erste Resonanzfrequenz und eine zweite Resonanzfrequenz, die geringer ist, als die erste Resonanzfrequenz. Um die von der Primärwicklung 61 auf die Sekundärwicklung 62 übertragene Leistung zu steuern und damit um den Ausgangsparameter zu steuern, betreibt die Ansteuerschaltung 56 die Schalter 51, 52 mit einer Frequenz, die typischerweise zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz und nahe bei der ersten Resonanzfrequenz liegt. Durch Verändern der Schaltfrequenz der Schalter 51, 52 kann der Gütefaktor der Reihen-LLC-Schaltung verändert werden, und durch Verändern des Gütefaktors kann die von der Primärseite auf die Sekundärseite des Transformators 6 übertragene Leistung eingestellt werden. Dies ist allgemein bekannt, so dass in dieser Hinsicht keine weiteren Erläuterungen erforderlich sind.
Bei der Gleichrichteranordnung 7 ist die erste Gleichrichterschaltung 10A zwischen dem ersten Sekundärwicklungsabschnitt 621 und einem ersten Ausgangsknoten 71 angeschlossen, die zweite Gleichrichterschaltung 10B ist zwischen dem Sekundärwicklungsabschnitt 622 und dem ersten Ausgangsknoten 71 angeschlossen, und der Mittelabgriff der Sekundärwicklung 62 ist mit einem zweiten Ausgangsknoten 72 verbunden. Die Ausgangsspannung Vout ist zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsknoten 71, 72 verfügbar. Außerdem kann ein Ausgangskondensator 73 zwischen diesen Ausgangsknoten 71, 72 angeschlossen sein. Die erste und zweite Gleichrichterschaltung 10A, 10B kann entsprechend einem der vorangehend hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele implementiert sein. Eine Möglichkeit zum Betrieb der in 7 gezeigten Gleichrichteranordnung wird nachfolgend erläutert.
Bei der in 11 gezeigten Leistungswandlerschaltung weisen die Primärwicklung 61 und die Sekundärwicklung 62 einen identischen Wicklungssinn auf, so dass die Spannung V61 über der Primärwicklung 61 und die Spannungen V621, V622 über den Wicklungsabschnitten 621, 622 dieselbe Polarität besitzen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Gleichrichterschaltung 10A so angeschlossen, dass die Spannung VA im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung Vout minus der Spannung V621 über dem Wicklungsabschnitt 621 ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Gleichrichterschaltung 10A in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn die Spannung V621 eine Polarität aufweist, wie sie in 11 gezeigt ist, und wenn ein Spannungspegel dieser Spannung V621 über der Ausgangsspannung Vout liegt, so dass Energie von der Sekundärwicklung 62 an den Ausgangskondensator 73 bzw. den Ausgang 71, 72 übertragen werden kann. Bei der in 11 gezeigten Leistungswandlerschaltung besitzen die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout Polaritäten wie dargestellt. Das heißt, die Ausgangsspannung Vout ist eine positive Spannung, die auf den zweiten Ausgangsknoten 72 bezogen ist. Gemäß einer anderen Ausgestaltung (nicht gezeigt) der Leistungswandlerschaltung sind die Polaritäten der Gleichrichterelemente 10A, 10B den in 11 gezeigten Polaritäten entgegengesetzt. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung Vout eine negative Spannung.
Die zweite Gleichrichterschaltung 10B ist so angeschlossen, dass die Spannung VB über der zweiten Gleichrichterschaltung 10B gleich der Ausgangsspannung Vout plus der Spannung V622 über diesem zweiten Wicklungsabschnitt 622 ist. Bei dieser Ausgestaltung ist die zweite Gleichrichterschaltung 10B in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn die Spannung V622 über dem zweiten Wicklungsabschnitt 622 eine der in 11 gezeigten Polarität entgegengesetzte Polarität und einen Spannungspegel oberhalb des Spannungspegels der Ausgangsspannung Vout aufweist. Da die Spannungen V621, V622 über den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 621, 622 zur selben Zeit identische Polaritäten aufweisen, kann von der ersten und zweiten Gleichrichterschaltung 10A, 10B zur selben Zeit nur eine in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein.
12 veranschaulicht eine weitere Ausgestaltung einer Leistungswandlerschaltung, die eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Gleichrichterschaltung 10A und einer zweiten Gleichrichterschaltung 10B gemäß einem der vorangehend hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Bei dieser Leistungswandlerschaltung weist der Schaltkreis 5 eine Halbbrücke mit einem High-Side-Schalter 51 und einem Low-Side-Schalter 52 auf. Die Halbbrücke ist mit dem Eingang gekoppelt, an dem die Eingangsspannung Vin verfügbar ist. Außerdem ist ein kapazitiver Spannungsteiler mit einem ersten Kondensator 56 und einem zweiten Kondensator 57 mit dem Eingang verbunden. Die Primärwicklung 61 des Transformators 6 ist mit einem Abgriff der Halbbrücke und einem Abgriff des kapazitiven Spannungsteilers verbunden. Bei dem Abgriff der Halbbrücke handelt es sich um den gemeinsamen Schaltungsknoten des Low-Side-Schalters 52 und des High-Side-Schalters 51; bei dem Abgriff des kapazitiven Spannungsteilers handelt es sich um den gemeinsamen Schaltungsknoten der Kondensatoren 56, 57. Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Kondensatoren 56, 57 im Wesentlichen gleiche Kapazitäten auf, so dass eine Spannung am Abgriff des kapazitiven Spannungsteilers im Wesentlichen der Hälfte (50%) der Eingangsspannung (d.h. Vin/2) entspricht. Bei diesem Schaltkreis 5 kann die Spannung V61 über der Primärwicklung 61 abhängig vom Betriebszustand der Halbbrücke einen von drei verschiedenen Spannungspegeln aufweisen. Diese unterschiedlichen Spannungspegel sind wie folgt: +Vin/2, wenn der High-Side-Schalter 51 eingeschaltet ist und der Low-Side-Schalter 52 ausgeschaltet ist; 0, wenn sowohl der High-Side-Schalter 51 als auch der Low-Side-Schalter 52 ausgeschaltet sind; und –Vin/2, wenn der High-Side-Schalter 51 ausgeschaltet ist und der Low-Side-Schalter 52 eingeschaltet ist. Ein Zeitverlaufsdiagramm dieser von dem Schaltkreis 5 erzeugten Primärspannung V61 ist in 14 schematisch dargestellt.
Bezug nehmend auf 12 weist die Gleichrichteranordnung 7 eine erste Drossel 72 auf, die zwischen einem ersten Knoten der Sekundärwicklung 62 und dem zweiten Ausgangsknoten 72 angeschlossen ist, und eine zweite Drossel 73, die zwischen einem zweiten Knoten der Sekundärwicklung 62 und dem zweiten Ausgangsknoten 72 angeschlossen ist. Die erste Gleichrichterschaltung 10A ist zwischen einem ersten Knoten der Sekundärwicklung 62 und dem ersten Ausgangsknoten 71 angeschlossen, und die zweite Gleichrichterschaltung 10B ist zwischen einem zweiten Knoten der Sekundärwicklung 62 und dem ersten Ausgangsknoten 71 angeschlossen. Die Primärwicklung 61 und die Sekundärwicklung 62 besitzen einen identischen Wicklungssinn, so dass eine Polarität der Spannung V61 über der Primärwicklung gleich der Polarität der Spannung V62 über der Sekundärwicklung 62 ist. Die erste Gleichrichterschaltung 10A und die zweite Gleichrichterschaltung 10B sind so angeschlossen, dass die erste Gleichrichterschaltung 10A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, wenn die Spannung V62 über der zweiten Wicklung 62 eine Polarität aufweist, wie sie in 12 gezeigt ist, und wenn ein Spannungspegel dieser Spannung V62 über einem Spannungspegel der Ausgangsspannung Vout liegt. In diesem Fall ist die zweite Gleichrichterschaltung 10B in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Die zweite Gleichrichterschaltung 10B ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt und die erste Gleichrichterschaltung 10A ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt, wenn die Spannung V62 über der Sekundärwicklung 62 eine der in 12 gezeigten Polarität entgegengesetzte Polarität aufweist. Wenn die Spannung V62 über der Sekundärwicklung 62 die in 12 gezeigte Polarität aufweist, fließt ein Strom von der Sekundärwicklung durch die erste Gleichrichterschaltung 10A, den Ausgangskondensator 73 und die Last (nicht gezeigt), und die zweite Drossel 73. Wenn die sekundärseitige Spannung V62 Null wird, fließt dieser Strom, getrieben durch die zweite Drossel 73, weiter, bis die zweite Drossel 73 entmagnetisiert wird. Wenn die Spannung V62 die entgegengesetzte Polarität aufweist, wie sie in 12 gezeigt ist, fließt der Strom durch die zweite Gleichrichterschaltung 10B, den Ausgangskondensator 73 und die Last (nicht gezeigt) und die erste Drossel 72. Dieser Strom fließt, getrieben durch die erste Drossel 72, weiter, bis die Drossel 72, nachdem die sekundärseitige Spannung V62 Null geworden ist, entmagnetisiert wird.
13 zeigt eine Modifikation der in 12 gezeigten Leistungswandlerschaltung. Im Vergleich zu 12 sind bei dieser Leistungswandlerschaltung die Positionen der ersten Drossel 72 und der ersten Gleichrichterschaltung 10A in der Gleichrichteranordnung 7 vertauscht, und die Positionen der zweiten Gleichrichterschaltung 10B und der zweiten Drossel 73 sind vertauscht. Bei dieser Ausgestaltung ist die zweite Gleichrichterschaltung 10B in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn die sekundärseitige Spannung V62 eine Polarität aufweist, wie sie in 13 gezeigt ist, während die erste Gleichrichterschaltung 10A in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Die erste Gleichrichterschaltung 10A ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn die sekundärseitige Spannung V62 eine der in 13 gezeigten entgegengesetzten Polarität aufweist. In diesem Fall ist die zweite Gleichrichterschaltung 10B in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Das Arbeitsprinzip der in 13 gezeigten Gleichrichteranordnung 7 wird nachfolgend erläutert.
Wenn die sekundärseitige Spannung V62 eine Polarität aufweist, wie sie in 13 gezeigt ist, fließt ein Strom durch die erste Drossel 72, den Ausgangskondensator 71 und die Last (nicht gezeigt) und die zweite Gleichrichterschaltung 10B. Wenn die sekundärseitige Spannung V62 auf Null geht, fließt, getrieben durch die erste Drossel 72, weiter ein Strom zum Ausgangskondensator 71 und zur Last und zur ersten Gleichrichterschaltung 10A, bis die erste Drossel 72 entmagnetisiert wird. Wenn die sekundärseitige Spannung V62 eine der in 13 gezeigten Polarität entgegengesetzte Polarität aufweist, fließt ein Strom von der Sekundärwicklung 62 durch die zweite Drossel 73, den Ausgangskondensator 71 und die Last und die erste Gleichrichterschaltung 10A. Wenn die sekundärseitige Spannung V62 auf Null geht, fließt, getrieben durch die zweite Drossel 73, weiter ein Strom durch den Ausgangskondensator 71 und die Last, aber, anstelle durch die erste Gleichrichterschaltung 10A, durch die zweite Gleichrichterschaltung 10B.
Bei jeder der in den 11–13 gezeigten Leistungswandlerschaltungen ist von den ersten und zweiten Gleichrichterschaltungen 10A, 10B zur selben Zeit nur eine in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Bei der vorangehend erläuterten Schaltungsanordnung mit der ersten Gleichrichterschaltung 10A und der zweiten Gleichrichterschaltung 10B kann eine jede der in den 11–13 gezeigten Leistungswandlerschaltungen eingesetzt werden. Auch wenn in den 11–13 von den ersten und zweiten Gleichrichterschaltungen 10A, 10B eine jede so dargestellt ist, dass sie einen Eingang 11A, 11B und einen Spannungsabgriff 2xA, 2xB aufweist, wird darauf hingewiesen, dass abhängig von der konkreten Implementierung einer oder mehr dieser Abgriffe oder Eingänge weggelassen werden können.
15 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung mit einer ersten Gleichrichterschaltung 10A und einer zweiten Gleichrichterschaltung 10B. Die Schaltungsanordnung basiert auf der in 4 gezeigten Schaltungsanordnung, wobei bei der in 15 gezeigten Ausgestaltung die beiden Gleichrichterschaltungen 10A, 10B parallel geschaltet sind. Das heißt, die elektrischen Potentiale V2A, V2B an den zweiten Lastknoten 13A, 13B sind identisch. Wie bei der in 3 gezeigten Ausgestaltung bezieht die Ansteuerschaltung 4 von der ersten Gleichrichterschaltung 10A eine Abgriffsspannung und ist dazu ausgebildet, den Transistor 14A der ersten Gleichrichterschaltung 10A und den Transistor 14B der zweiten Gleichrichterschaltung 10B anzusteuern. Der Transistor 14A der ersten Gleichrichterschaltung 10 ist optional und kann, wie in 1 gezeigt, weggelassen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuerschaltung 4 dazu ausgebildet, den Betriebszustand der ersten Gleichrichterschaltung 10A zu erkennen und die Transistoren 14A, 14B basierend auf diesem Betriebszustand anzusteuern. Das heißt, die Ansteuerschaltung 4 kann dazu ausgebildet sein, die Transistoren 14A, 14B einzuschalten, wenn die erste Gleichrichterschaltung 10A in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Der Vorspannungszustand der ersten Gleichrichterschaltung 10A kann wie nachfolgend erläutert ermittelt werden. Das heißt, die Polarität des Stroms IA und/oder der Polarität der Spannung VA kann erkannt werden. Die Polarität der Gesamtspannung VA entspricht der Polarität der Abgriffsspannung, die Polarität der Abgriffsspannung wird dazu verwendet, den Betriebszustand der ersten Gleichrichterschaltung 10A zu ermitteln.
16 zeigt eine Ausgestaltung der Ansteuerschaltung 4. Diese Ansteuerschaltung 4 entspricht der in 5 gezeigten Ansteuerschaltung mit dem Unterschied, dass der Controller 5 lediglich das Statussignal SA der ersten Gleichrichterschaltung 10A empfängt. Die Versorgungsschaltung 6 der in 16 gezeigten Ansteuerschaltung 4 kann der in 3 gezeigten Versorgungsschaltung entsprechen.
Die Ansteuerschaltung 4 kann dazu ausgebildet sein, die Transistoren 14A, 14B simultan zu schalten. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann es zwischen dem Schalten der Transistoren 14A, 14B Verzögerungen geben. Dies kann helfen, einen Kurzschluss (engl.: "cross conduction" oder "current shoot through") zu verhindern.
Bei der vorangehend erläuterten Schaltungsanordnung mit den beiden Gleichrichterschaltungen 10A, 10B und der Ansteuerschaltung 4 können die Gleichrichterschaltungen 10A, 10B in einen gemeinsamen Halbleiterkörper (Chip) integriert sein, und die Ansteuerschaltung 4 kann in einen davon getrennten Halbleiterkörper (Chip) integriert sein. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung von den Gleichrichterschaltungen 10A, 10B und der Ansteuerschaltung 4 kann eine jede in einem eigenen Halbleiterkörper integriert sein. Gemäß noch einer anderen Ausgestaltung können die Gleichrichterschaltungen 10A, 10B und die Ansteuerschaltung 4 in einen gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sein.
Bei den vorangehend erläuterten Ausgestaltungen weist die erste Gleichrichterschaltung 10A, die die Ansteuerschaltung 4 mit Leistung versorgt, um die zweite Gleichrichterschaltung 10B anzusteuern, eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 1A und mehreren Transistoren 31A, 32A auf. Bei diesen Ausgestaltungen ist der Spannungsabgriff 2xA, von dem die Leistung bezogen werden kann, eine Verbindungsstelle zwischen dem Gleichrichterelement 1A und einem 31A der Transistoren, oder er ist eine Verbindungsstelle zwischen zwei dieser Transistoren. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Gleichrichterschaltung (nur) ein Halbleiterbauelement auf, und der Spannungsabgriff ist ein Abgriff einer internen Laststrecke dieses Halbleiterbauelements. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Halbleiterbauelements ist in 17 gezeigt.
17 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer Gleichrichterschaltung 10A, die einen MOSFET mit einer internen Bodydiode aufweist. Der MOSFET weist in einem Halbleiterkörper 100 ein Driftgebiet 111 von einem ersten Dotierungstyp, ein Sourcegebiet 112 vom ersten Dotierungstyp, ein Draingebiet 114 von einem ersten Dotierungstyp und ein Bodygebiet 113 vom einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp auf. Das Driftgebiet 111 weist eine geringere Dotierungskonzentration auf als jedes von dem Source- und Draingebiet 112, 114. Das Bodygebiet 113 separiert das Sourcegebiet 112 von dem Driftgebiet 111, und das Driftgebiet 111 ist zwischen dem Bodygebiet 113 und dem Draingebiet 114 angeordnet. Eine Gateelektrode 121 befindet sich benachbart zu dem Bodygebiet 113 und ist durch ein Gatedielektrikum 122 dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet 113 isoliert. Die Gateelektrode 121 dient auf eine herkömmliche Weise dazu, einen leitenden Kanal in dem Bodygebiet 113 zwischen dem Sourcegebiet 112 und dem Driftgebiet 111 zu steuern. Der MOSFET befindet sich in einem eingeschalteten Zustand, wenn die Gateelektrode 121 derart angesteuert wird, dass es einen leitenden Kanal im Bodygebiet 113 entlang des Gatedielektrikums 122 gibt, und der MOSFET befindet sich im ausgeschalteten Zustand, wenn der leitende Kanal unterbrochen ist.
Bezug nehmend auf 17 ist das Sourcegebiet 112 mit einem Sourceknoten S verbunden, das Draingebiet 114 ist mit einem Drainknoten D verbunden, und die Gateelektrode ist mit einem Gateknoten verbunden. Bei dieser Ausgestaltung bildet der Sourceknoten den ersten Lastknoten 12A der Gleichrichterschaltung 10A, der Drainknoten D bildet den zweiten Lastknoten 13A, und der Gateknoten G bildet den Steuerknoten 14A. In 17 sind nicht nur die einzelnen Bauelementgebiete sondern auch die Schaltzeichen des MOSFETs 14A und der internen Bodydiode 1A gezeigt. Das Bezugszeichen 1A bezeichnet das Schaltzeichen der internen Bodydiode, die zwischen dem Bodygebiet 113 und dem Driftgebiet 111 (und dem Draingebiet 114) ausgebildet ist. Die interne Bodydiode bildet das Gleichrichterelement der Gleichrichterschaltung 10A. Das Bezugszeichen 14A bezeichnet das Schaltzeichen des MOSFETs. Die gezeigten Schaltzeichen gelten für einen n-Kanal-MOSFET. In diesem Fall ist der erste Dotierungstyp vom Typ "n" und der zweite Dotierungstyp ist vom Typ "p". Allerdings kann die Gleichrichterschaltung 10A ebenso gut mit einem p-Kanal-MOSFET implementiert werden.
Bezug nehmend auf 17 weist die Gleichrichterschaltung 10A außerdem einen Spannungsabgriff 2xA auf. Bei dieser Ausgestaltung ist der Spannungsabgriff 2xA mit einem Abgriffsgebiet 114 in dem Driftgebiet verbunden. Das Abgriffsgebiet kann vom zweiten Dotierungstyp sein. Das Abgriffsgebiet befindet sich zwischen dem Bodygebiet 113 und dem Draingebiet 114 und ist von jedem dieser Gebiete 113, 114 beabstandet.
Eine Möglichkeit zum Betrieb der in 17 gezeigten Gleichrichterschaltung wird nachfolgend erläutert. Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass sich der MOSFET im ausgeschalteten Zustand befindet und dass zwischen den ersten und zweiten Lastknoten 12A, 12B eine Spannung angelegt ist, die den pn-Übergang (die Bodydiode 1A) zwischen dem Bodygebiet 113 und dem Driftgebiet 111 in Rückwärtsrichtung vorspannt. In diesem Fall breitet sich, beginnend an dem Bodygebiet 113, ein Raumladungsgebiet (Verarmungsgebiet) im Driftgebiet 111 aus, wobei das elektrische Potential entlang eines Pfads zwischen dem Bodygebiet 113 und dem Draingebiet 114 in dem Verarmungsgebiet ansteigt, wenn der Abstand zum Bodygebiet 113 ansteigt. Das Abgriffsgebiet 114 "greift" das elektrische Potential an dieser Stelle in dem Driftgebiet 111, wo es sich befindet, ab. Wenn das Abgriffsgebiet 114 vom Draingebiet 114 beabstandet ist, und wenn die zwischen die Lastknoten 12A, 13A angelegte Spannung dergestalt ist, dass sich das Verarmungsgebiet über das Abgriffsgebiet 114 hinaus erstreckt, liegt das elektrische Potential am Abgriffsgebiet 114 zwischen dem elektrischen Potential an dem ersten Lastknoten 12A und dem elektrischen Potential an dem zweiten Lastknoten 13A. Daher ist die Funktionalität des in 17 gezeigten Spannungsabgriffs 2xA dieselbe, wie die Funktionalität des in den anderen, vorangehenden Figuren erläuterten Spannungsabgriffs 2xA.
Obwohl hier verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, wird der Fachmann erkennen können, dass verschiede Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, um einige der Vorteile dieser Erfindung zu erzielen, ohne das Wesen und die Reichweite dieser Erfindungsmeldung zu verlassen. Es ist für vernünftige Fachleute offensichtlich, dass Komponenten durch andere, die dieselben Funktionen erfüllen, geeignet ersetzt werden können. Es soll erwähnt werden, dass Merkmale, die in Bezug auf eine bestimme Figur beschrieben wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in jenen Fällen, in denen diese Möglichkeit nicht explizit erwähnt wird. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder allesamt durch Softwareimplementierungen unter Verwendung geeigneter Prozessoranweisungen realisiert werden, oder durch Hybridimplementierungen, die eine Kombination von Hardware-Logik und Software-Logik einsetzen, um dieselben Ergebnisse zu erzielen.

Claims

Schaltungsanordnung, die aufweist: eine erste Gleichrichterschaltung, die eine Laststrecke und einen Spannungsabgriff aufweist; eine zweite Gleichrichterschaltung, die eine Laststrecke und einen Steuereingang aufweist und die dazu ausgebildet ist, von einem an dem Steuereingang erhaltenen Steuersignal ein- und ausgeschaltet zu werden; und eine Ansteuerschaltung, die einen ersten Versorgungseingang aufweist, der mit dem Spannungsabgriff der ersten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, und einen ersten Steuerungsausgang, der mit dem Steuereingang der zweiten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, wobei die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung und die Laststrecke der zweiten Gleichrichterschaltung mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten gekoppelt sind, und wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zumindest die zweite Gleichrichterschaltung unter Verwendung einer von dem Spannungsabgriff der ersten Gleichrichterschaltung bezogenen elektrischen Leistung zu steuern.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung und die Laststrecke der zweiten Gleichrichterschaltung parallel geschaltet sind.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Gleichrichterschaltung aufweist: einen Transistor, der einen Steuerknoten, der mit dem Steuereingang der zweiten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, und eine Laststrecke aufweist; und ein Gleichrichterelement, wobei das Gleichrichterelement zu der Laststrecke des Transistors parallel geschaltet ist, und wobei die Laststrecke des Transistors die Laststrecke der zweiten Gleichrichterschaltung bildet.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zumindest eines von einem Strom durch die erste Gleichrichterschaltung und einer Spannung über der ersten Gleichrichterschaltung zu detektieren, und die zweite Gleichrichterschaltung basierend auf dem zumindest einen von dem detektierten Strom und der detektierten Spannung in den eingeschalteten Zustand zu steuern.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, die zweite Gleichrichterschaltung in den eingeschalteten Zustand zu steuern, wenn der Strom durch die erste Gleichrichterschaltung eine vorgegebene Stromrichtung aufweist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, die zweite Gleichrichterschaltung in den eingeschalteten Zustand zu steuern, wenn die Spannung über der ersten Gleichrichterschaltung eine vorgegebene Polarität aufweist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2, wobei die erste Gleichrichterschaltung einen Steuereingang aufweist und dazu ausgebildet ist, durch ein an dem Steuerknoten erhaltenes Steuersignal ein- und ausgeschaltet zu werden, die Ansteuerschaltung einen zweiten Steuerungsausgang aufweist, der mit dem Steuerknoten der ersten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, und die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, die erste Gleichrichterschaltung unter Verwendung einer von dem Spannungsabgriff der ersten Gleichrichterschaltung bezogenen elektrischen Leistung anzusteuern.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7, wobei die Ansteuerschaltung einen Energiespeicher aufweist, der mit dem ersten Versorgungseingang gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Gleichrichterschaltung aufweist: einen ersten Transistor, der einen Steuerknoten und eine Laststrecke aufweist; und zumindest einen zweiten Transistor, der einen Steuerknoten und eine Laststrecke aufweist, wobei die Laststrecke des ersten Transistors und die Laststrecke des zumindest einen zweiten Transistors in Reihe geschaltet sind und die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung bilden, wobei der Steuerknoten des ersten Transistors mit dem Steuereingang der ersten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, wobei der zumindest eine zweite Transistor dazu ausgebildet ist, durch den ersten Transistor direkt oder indirekt angesteuert zu werden, und wobei der Spannungsabgriff der ersten Gleichrichterschaltung mit einem Schaltungsknoten zwischen der Laststrecke des ersten Transistors und der Laststrecke des zumindest einen zweiten Transistors gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9, wobei ein Gleichrichterelement zu dem ersten Transistor parallel geschaltet ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der erste Transistor ein selbstleitender Transistor und der zumindest eine zweite Transistor ein selbstsperrender Transistor ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 9–11, wobei die erste Gleichrichterschaltung eine Vielzahl von zweiten Transistoren aufweist, von denen jeder eine Laststrecke aufweist, wobei die Laststrecken der zweiten Transistoren in Reihe geschaltet sind, und wobei von der Vielzahl von zweiten Transistoren ein jeder dazu ausgebildet ist, direkt oder indirekt durch den ersten Transistor angesteuert zu werden.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Gleichrichterschaltung außerdem einen Steuereingang aufweist und dazu ausgebildet ist, durch ein an diesem Steuereingang erhaltenes Steuersignal ein- und ausgeschaltet zu werden, die Ansteuerschaltung einen zweiten Steuerungsausgang aufweist, der mit dem Steuereingang der ersten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 13, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, die erste Gleichrichterschaltung unter Verwendung einer an dem ersten Versorgungseingang erhaltenen elektrischen Energie anzusteuern.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 14, wobei die Ansteuerschaltung einen Energiespeicher aufweist, der mit dem ersten Versorgungseingang gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 13–15, wobei die zweite Gleichrichterschaltung einen Spannungsabgriff aufweist, die Ansteuerschaltung einen zweiten Versorgungseingang aufweist, der mit dem Spannungsabgriff der zweiten Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, und die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, die erste Gleichrichterschaltung unter Verwendung einer von dem Spannungsabgriff der zweiten Gleichrichterschaltung bezogenen Energie anzusteuern.
Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 13–16, wobei die Ansteuerschaltung ausgebildet ist, zumindest eines von einem Strom durch die erste Gleichrichterschaltung und einer Spannung über der ersten Gleichrichterschaltung zu detektieren, und die zweite Gleichrichterschaltung basierend auf dem zumindest einen von dem detektierten Strom und der detektierten Spannung anzusteuern.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 17, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, die zweite Gleichrichterschaltung in den eingeschalteten Zustand zu steuern, wenn der Strom durch die erste Gleichrichterschaltung eine vorgegebene Stromrichtung aufweist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, die zweite Gleichrichterschaltung in einen eingeschalteten Zustand zu steuern, wenn die Spannung über der ersten Gleichrichterschaltung eine vorgegebene Polarität aufweist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 13, wobei die Ansteuerschaltung ausgebildet ist, zumindest eines von einem Strom durch die zweite Gleichrichterschaltung und einer Spannung über der zweiten Gleichrichterschaltung zu detektieren, und die erste Gleichrichterschaltung basierend dem zumindest einen von dem detektierten Strom und der detektierten Spannung in den eingeschalteten Zustand zu steuern.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 13, wobei von der ersten Gleichrichterschaltung und der zweiten Gleichrichterschaltung eine jede aufweist: einen ersten Transistor, der einen Steuerknoten und eine Laststrecke aufweist; und zumindest einen zweiten Transistor, der einen Steuerknoten und eine Laststrecke aufweist, wobei die Laststrecke des ersten Transistors und die Laststrecke des zumindest einen zweiten Transistors in Reihe geschaltet sind und die Laststrecke der betreffenden Gleichrichterschaltung bilden, wobei der Steuerknoten des ersten Transistors mit dem Steuereingang der betreffenden Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, wobei der zumindest eine zweite Transistor dazu ausgebildet ist, durch den ersten Transistor direkt oder indirekt angesteuert zu werden, und wobei der Spannungsabgriff der betreffenden Gleichrichterschaltung mit einem Schaltungsknoten zwischen der Laststrecke des ersten Transistors und der Laststrecke des zumindest einen zweiten Transistors gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 21, wobei von der ersten Gleichrichterschaltung und der zweiten Gleichrichterschaltung zumindest eine eine Vielzahl von zweiten Transistoren aufweist, von denen jeder eine Laststrecke aufweist, wobei die Laststrecken der zweiten Transistoren in Reihe geschaltet sind, und wobei von der Vielzahl von zweiten Transistoren ein jeder dazu ausgebildet ist, durch den ersten Transistor direkt oder indirekt angesteuert zu werden.
Verfahren, das aufweist: Erhalten einer elektrischen Leistung durch eine Steuerschaltung von einem Spannungsabgriff einer ersten Gleichrichterschaltung, die eine Laststrecke und einen Spannungsabgriff aufweist; und Verwenden der elektrischen Leistung durch die Ansteuerschaltung, um eine eine Laststrecke aufweisende zweite Gleichrichterschaltung anzusteuern, wobei die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung und die Laststrecke der zweiten Gleichrichterschaltung mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten gekoppelt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei die Laststrecke der ersten Gleichrichterschaltung und die Laststrecke der zweiten Gleichrichterschaltung parallel geschaltet sind.