WO2021198208A1

WO2021198208A1 - Schaltanordnung zum schalten elektrischer ströme mit parallelen armen bestehend aus serienschaltungen von schaltern

Info

Publication number: WO2021198208A1
Application number: PCT/EP2021/058206
Authority: WO
Inventors: Matthias GROENE; Mathias Buenemann; Alexander UNRU
Original assignee: Sma Solar Technology Ag
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2021-10-07
Also published as: DE102020108695A1; DE102020108695B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung (B) zum Schalten elektrischer Ströme mit einer Mehrzahl von zwischen einem ersten Anschluss (10) und einem zweiten Anschluss (12) parallel angeordneten Ästen (14, 16), wobei jeder Ast (14, 16) eine Reihenschaltung eines ersten Schalters (B1, B3) und eines zweiten Schalters (B2, B4) aufweist, und mit einer Treiberschaltung (TB), welche dazu eingerichtet ist, ein Schaltsignal (CB), das Einschaltphasen und Ausschaltphasen der Schalteranordnung (B) definiert, in individuelle, Einschalttakte der Schalter (B1, B2, B3, B4) definierende Taktsignale (CB1, CB2, CB3, CB4) derart umzuwandeln und den Schaltern (B1, B2, B3, B4) zuzuführen, dass die Schalteranordnung (B) die Einschaltphasen und Ausschaltphasen des Schaltsignals (CB) umsetzt, wobei eine Schaltfrequenz der Schalteranordnung (B) höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters (B1, B2, B3, B4). Ein Leistungswandler kann eine solche Schalteranordnung (B) aufweisen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schalteranordnung (B).

Description

SCHALTANORDNUNG ZUM SCHALTEN ELEKTRISCHER STRÖME MIT PARALLELEN ARMEN BESTEHEND AUS SERIENSCHALTUNGEN

VON SCHALTERN

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung zum Schalten elektrischer Ströme, insbesondere zum hochfrequenten Schalten elektrischer Ströme in einem elektrischen Leistungswandler, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Schalteranordnung.

Eine solche Schalteranordnung und ein solches Verfahren kann beispielsweise zum Takten eines Gleichspannungswandlers oder einer Wechselrichter-Brücke in einem Verbraucher oder einer Energieerzeugungsanlage Anwendung finden.

STAND DER TECHNIK

Aus dem Stand der Technik sind Leistungswandler zum Umwandeln elektrischer Leistung bekannt. Herkömmliche Leistungswandler weisen Schalteranordnungen mit einer Anzahl an Halbleiterschaltern auf. Bereits ein einzelner Halbleiterschalter kann in Verbindung mit einer Diode und einer Induktivität einen Gleichspannungswandler ausbilden, z.B. einen Hochsetz steller. Mehrere Halbleiterschalter können insbesondere in einer Brückenanordnung angeordnet sein und eine Gleichrichter- oder Wechselrichterbrücke ausbilden, gegebenen falls in Zusammenwirken mit einer Induktivität und/oder einer Zwischenkreis-Kapazität. Der beziehungsweise die Halbleiterschalter eines Leistungswandlers werden regelmäßig getaktet betrieben, wobei ein Tastverhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltdauer des Schalters beziehungsweise der Schalter variiert werden kann, z.B. um ein Spannungsübersetzungs verhältnis zwischen Anschlüssen des Leistungswandlers einzustellen.

Durch das Schalten der Schalter entsteht in der Regel eine taktfrequente Variation einer Spannung und/oder eines Stroms an den Anschlüssen des Leistungswandlers. Diese taktfrequente Variation ist meist unerwünscht und muss mit geeigneten Mitteln, insbesondere mit Filterbauteilen reduziert werden. Solche Filterbauteile, insbesondere Kondensatoren und/oder Drosseln können umso kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden, je höher die Frequenz der unerwünschten Variation ist. Daher ist es grundsätzlich erstrebenswert, die Halbleiterschalter eines Leistungswandlers mit möglichst hoher Frequenz zu takten, insbesondere im Bereich einiger Dutzend Kilohertz bis einiger Megahertz. Die Vorteile hoher Taktfrequenzen sind besonders deutlich, wenn passive Bauteile wie Drosseln und Kondensatoren im Vergleich zu Halbleiterschaltern teuer oder groß sind und eine geringere Dimensionierung daher Kosten- und Volumenvorteile mit sich bringt. Das Schalten eines Halbleiterschalters im Betrieb eines Leistungswandlers erzeugt Verluste, die im Halbleiterschalter in Wärme umgewandelt werden. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen Schaltverlusten, die beim Ein- und Ausschalten auftreten, und Durchlassverlusten, die beim Durchleiten elektrischer Leistung entstehen. Durch eine Erhöhung der Schalt frequenz steigen die Schaltverluste, während die Durchlassverluste lediglich vom tatsächlich durchgeleiteten Strom abhängen. Die Schaltfrequenz kann daher bei einem gegebenen durchzuleitenden Strom nur soweit erhöht werden, wie die zusätzlich entstehende Verlust wärme aus dem Halbleiterschalter abgeführt werden kann, so dass der Halbleiterschalter nicht überhitzt. Tatsächlich wird insbesondere in herkömmlichen Leistungswandlern mit IGBTs als Halbleiterschalter die maximal erlaubte Schaltfrequenz der IGBTs weitgehend ausgenutzt, so dass die Taktfrequenz derartiger Leistungswandler dadurch begrenzt ist.

Abhängig von der konkreten Halbleitertechnologie können Halbleiterschalter auf minimale Schaltverluste oder minimale Durchlassverluste optimiert werden. Beispielsweise können optimierte IGBTs sehr geringe Durchlassverluste aufweisen und daher hohe Ströme verlust arm durchleiten, während Gallium-Nitrid-basierte Halbleiterschalter (GaN-Schalter) auf vergleichsweise geringe Schaltverluste optimiert werden können. Andererseits weisen IGBTs vergleichsweise hohe Schaltverluste auf, die deren Schaltfrequenz begrenzen, während GaN-Schalter vergleichsweise hohe Durchlassverluste aufweisen, wodurch die maximal durchleitbaren Ströme begrenzt werden.

Die DE 102012209 188 A1 offenbart Schalteranordnungen mit einer Anzahl an parallelen Ästen, in denen jeweils ein Transistor angeordnet ist, so dass die Laststrecken der Transistoren parallelgeschaltet sind und eine Laststrecke der Schalteranordnung bilden. Aus der EP 1 304 802 A1 ist eine Multiplexer-Schaltung mit mehreren parallel geschalteten Datenpfaden bekannt, bei der jeder Datenpfad mehrere Transistoren aufweisen kann.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schalteranordnung und ein verbessertes Verfahren zu deren Betrieb bereitzustellen.

LÖSUNG

Die Aufgabe wird durch eine Schalteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Schalteranordnung zum Schalten elektrischer Ströme weist eine Mehrzahl von zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss parallel angeordneten Ästen auf, wobei jeder Ast eine Reihenschaltung eines ersten Schalters und eines zweiten Schalters aufweist. Ein Ast leitet dabei einen elektrischen Strom durch, das heißt realisiert eine Durchleitphase, wenn beide Schalter dieses Astes in einem leitenden Zustand, das heißt eingeschaltet oder geschlossen sind.

Die Schalteranordnung weist weiter eine Treiberschaltung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein Schaltsignal, welches Einschaltphasen und Ausschaltphasen der Schalteranordnung definiert, in individuelle Taktsignale für die ersten und zweiten Schalter der parallelen Äste umzuwandeln. Ein individuelles Taktsignal für einen der Schalter gibt dabei Einschalttakte dieses Schalters vor, das heißt Zeiträume, in denen der Schalter eingeschaltet ist. Die Umsetzung des Schaltsignals in Taktsignale für die Schalter erfolgt dabei so, dass die Schaltfrequenz der Schalteranordnung höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters, das heißt insbesondere höher als eine spezifizierte maximale Frequenz, mit der die einzelnen Schalter einen Nennstrom schalten können. Die Treiberschaltung führt die Taktsignale den Schaltern zu, um sie anzusteuern.

Optional kann das Taktsignal für einen individuellen Schalter dabei ebenfalls Ausschalttakte des Schalters umfassen, um Zeiträume vorzugeben, in denen der Schalter geöffnet ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Schalter als Halbleiterschalter ausgeführt. Die Schalteranordnung kann dabei als eine Schaltzelle betrachtet werden, die einzelne Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, zum Beispiel eines Leistungswandlers ersetzen kann. Eine Schaltzelle weist dabei die oben beschriebene Reihen-Parallelschaltung aus der Mehrzahl von Schaltern auf. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter einer solchen Schaltzelle mit Taktsignalen für die einzelnen Schalter kann mit einer gegebenen Taktfrequenz für die einzelnen Schalter eine effektive Schaltfrequenz der Durchleitung zwischen den Anschlüssen der Schaltzelle erreicht werden, die höher als die Taktfrequenz der einzelnen Schalter selbst ist. Anders ausgedrückt kann eine gewünschte Schaltfrequenz zwischen den Anschlüssen der Schaltzelle erreicht werden, indem die einzelnen Schalter selbst mit einer niedrigeren Taktfrequenz geschaltet werden.

Eine Einschaltphase der Schalteranordnung wird realisiert, wenn zumindest ein Ast durchleitet. Bevorzugt wird eine Einschaltphase der Schalteranordnung realisiert, wenn genau ein Ast durchleitet. Eine Ausschaltphase der Schalteranordnung wird realisiert, indem keiner der parallelen Äste durchleitet. Zur Realisierung der Durchleitphasen der Äste steuert die Treiberschaltung die Schalter eines jeweiligen Astes geeignet an.

Die Schaltzelle ist insbesondere dazu eingerichtet, „als ein Schalter zu wirken“, das heißt einen Laststrom zwischen ihren Anschlüssen herzustellen und zu unterbrechen beziehungsweise die Anschlüsse zu verbinden und zu trennen, insbesondere indem die Schalteranordnung eine Vorgabe umsetzt, die einer Treibereinheit der Schalteranordnung vorgegeben wird. Die Vorgabe kann dabei insbesondere ein Tastverhältnis umfassen.

Eine Verbindung zwischen den äußeren Anschlüssen der Schalteranordnung besteht dann, wenn beide Schalter einer Reihenschaltung mindestens eines Astes leitend geschaltet sind, und der Laststrom über die Reihenschaltung dieses mindestens einen Astes fließt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Verbindung zwischen den Anschlüssen ausschließlich dadurch realisiert, dass beide Schalter einer Reihenschaltung genau eines Astes leitend geschaltet sind, und der Laststrom nur über die Reihenschaltung genau dieses einen Astes fließt.

Die erfindungsgemäße Schalteranordnung umfasst insofern eine Parallelschaltung aus mindestens zwei Reihenschaltungen mit je mindestens zwei Schaltern, insbesondere Halbleiterschaltern. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Parallelschaltung genau zwei Reihenschaltungen mit jeweils genau zwei Schaltern, also insgesamt vier Schaltern, insbesondere vier Halbleiterschalter.

Dadurch, dass der von einer Schaltzelle geschaltete Strom in Einschaltphasen, sogenannten Durchlassphasen eines Astes, immer mindestens zwei Schalter passiert, treten für den Fall von Halbleiterschaltern zwar mindestens doppelt so hohe Durchlassverluste wie in einem einzelnen Halbleiterschalter auf. Dieser Nachteil wird jedoch in Kauf genommen und überwogen durch die Vorteile, die durch die Verdopplung der Taktfrequenz erzielt werden.

Zudem können bevorzugt Halbleiterschalter verwendet werden, die auf minimale Durchlassverluste optimiert sind, beispielsweise IGBTs. Diese profitieren aufgrund ihrer relativ hohen Schaltverluste besonders davon, dass mittels der erfindungsgemäßen Schalteranordnung die Taktfrequenz in einem Leistungswandler erhöht werden kann, ohne die Schaltfrequenz der IGBTs selbst zu erhöhen. Im Übrigen verteilt sich die anfallende Verlustleistung einer Schaltzelle mit mehreren Halbleiterschaltern auf eine größere Fläche als bei einem äquivalenten einzelnen Halbleiterschalter, was eine verbesserte Wärmeableitung ermöglicht.

In einer Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Einschaltphasen der Schalteranordnung durch Durchleitphasen von unterschiedlichen Ästen der Mehrzahl von Ästen realisiert. Zur Realisierung der Durchleitphasen der Äste steuert die Treiberschaltung die Schalter geeignet an. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch die Parallelisierung der Äste die einzelnen Schalter auf den Ästen - gesteuert durch die Treiberschaltung - mit einer Frequenz geschaltet werden können, die deutlich unterhalb der Schaltfrequenz der gesamten Schalteranordnung liegt. Zudem wird die Belastung der Schalter paritätisch zwischen den Ästen aufgeteilt, so dass die einzelnen Schalter im Wesentlichen gleichmäßig altern.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Treiberschaltung dazu eingerichtet, eine Durchleit phase eines Astes zu realisieren, indem der erste Schalter des Astes zunächst mit einem Einschaltsignal angesteuert wird und dann der zweite Schalter des Astes mit einem Einschaltsignal angesteuert wird. In Reaktion auf des Einschaltsignal schalten der erste und der zweite Schalter jeweils zeitversetzt ein. Der Ast ist in der Durchleitphase, sobald beide Schalter eingeschaltet sind. Die Treiberschaltung ist weiter eingerichtet, zur Beendigung der Durchleitphase den ersten Schalter des Astes mit einem Ausschaltsignal anzusteuern und danach den zweiten Schalter des Astes mit einem Ausschaltsignal anzusteuern. In Reaktion auf das Ausschaltsignal schalten der erste und der zweite Schalter jeweils zeitversetzt aus. Die Durchleitphase ist dabei bereits mit dem Ausschalten des ersten Schalters beendet. In weiteren Ausführungsformen ist es möglich, dass das Ausschalten der Schalter nach einem vorgebbaren Zeitraum nach dem Einschalten erfolgt. Dies bedeutet, dass der Schalter nicht in Reaktion auf ein explizites Ausschaltsignal ausgeschaltet wird, sondern nach der vorgebbaren Zeitdauer nach dem Einschaltsignal.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Treiberschaltung dazu eingerichtet, zwei aufeinander folgende Durchleitphasen eines Astes zu realisieren, indem zunächst dem ersten Schalter des Astes und dann dem zweiten Schalter ein jeweiliges Einschaltsignal zugeführt wird. In Reaktion auf des jeweilige Einschaltsignal schalten der erste und der zweite Schalter jeweils ein. Der Ast ist damit in der Durchleitphase, sobald beide Schalter eingeschaltet sind. Die Treiberschaltung ist weiter eingerichtet, dem ersten Schalter des Astes ein Ausschaltsignal zuzuführen. Der erste Schalter schaltet daraufhin aus und der Ast ist nicht mehr leitend. Die Durchleitphase ist beendet. Der zweite Schalter bleibt hierbei eingeschaltet. Bei der nächsten gewünschten Durchleitphase des Astes wird dann dem ersten Schalter ein Einschaltsignal zugeführt. Dann sind wieder beider Schalter des Astes eingeschaltet und der Ast in einer Durchleitphase. Zur Beendigung der Durchleitphase wird dann dem zweiten Schalter ein Ausschaltsignal zugeführt, worauf der zweite Schalter ausschaltet und die Durchleitphase des Astes beendet ist. Der erste Schalter kann hierbei eingeschaltet bleiben. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Frequenz des Taktsignals der einzelnen Schalter im Vergleich zur Schaltfrequenz der Schalteranordnung weiter reduzieren lässt. In weiteren Ausführungsformen ist es möglich, dass das Ausschalten der Schalter nach einem vorgebbaren Zeitraum nach dem Einschalten erfolgt. Dies bedeutet, dass der Schalter nicht in Reaktion auf ein explizites Ausschaltsignal geöffnet wird, sondern nach der vorgebbaren Zeitdauer nach dem Einschaltsignal.

In einer Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Durchleitphasen eines einzelnen Astes dadurch realisiert, dass die Schaltreihenfolgen des ersten und des zweiten Schalters getauscht werden. Dadurch werden die beiden Schalter wechselweise eingeschaltet, während der jeweils andere bereits eingeschaltet ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Taktfrequenz der einzelnen Schalter im Vergleich zur Schaltfrequenz der Schalteranordnung weiter reduzierbar ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die einzelnen Schalter der Schalteranordnung die gleiche Taktfrequenz auf. Bevorzugt sind die einzelnen Schalter auch weitgehend baugleich untereinander. Dadurch lässt sich die Anzahl der zu verwendenden unterschiedlichen Bauteile verringern. Bei Anwendung in zum Beispiel einem Leistungswandler lässt sich die Schaltfrequenz der Anwendung, zum Beispiel eines Leistungswandlers mit durchlassoptimierten Halbleiterschaltern, verdoppeln, indem ein zum Beispiel bei maximal zulässiger Taktfrequenz betriebener Halbleiterschalter durch eine Schaltzelle mit vier untereinander weitgehend baugleichen Halbleiterschaltern ersetzt wird. Die vier untereinanderweitgehend baugleichen Halbleiterschalter können in einer Ausführungsform wiederum weitgehend baugleich mit dem Halbleiterschalter sein, den sie ersetzen können.

In einer Ausführungsform der Schalteranordnung mit vier Halbleiterschaltern kann eine Ansteuerung der Schaltanordnung derart eingerichtet werden, dass die von der Treiberschaltung generierten Taktsignale für die Halbleiterschalter dieselbe Taktfrequenz aufweisen, wobei die Taktsignale jedoch jeweils um ein Viertel der Taktperiode also um 90 Grad gegeneinander versetzt sind. Mit einer solchen Ansteuerung wirken die Halbleiterschalter der Schaltanordnung derart zusammen, dass eine Spannung beziehungsweise ein Strom zwischen den äußeren Anschlüssen der Schaltanordnung mit einer Schaltfrequenz geschaltet wird, die das Doppelte der Taktfrequenz der einzelnen Halbleiterschalter beträgt.

Auf diese Weise kann eine Taktfrequenz von zum Beispiel einer Wechselrichter-Brücke erreicht werden, die doppelt so hoch ist wie die der Wechselrichter-Brücke vor Ersetzung der ursprünglichen Schalter. Analog dazu kann der konstruktive Aufwand für die erforderlichen Filterbauteile im Wesentlichen halbiert werden.

Durch Hinzufügen weiterer Reihenschaltungen zur Parallelschaltung in einer Schalteranordnung kann die Schaltfrequenz weiter proportional erhöht werden, ohne die Takt- frequenz der einzelnen Schalter der Schalteranordnung zu verändern. Es sollte lediglich ein Phasenversatz zwischen den Ansteuersignalen der einzelnen Schalter, also den Takt signalen, vorgesehen werden, der zum Beispiel der Schaltperiode geteilt durch die Anzahl der parallel geschalteten Reihenschaltungen entspricht.

Alternativ oder zusätzlich können die parallel geschalteten Reihenschaltungen der Schalter anordnung auch jeweils mehr als zwei Schalter umfassen. Hierdurch kann die Taktfrequenz der einzelnen Schalter weiter reduziert beziehungsweise die Schaltfrequenz der Schalter anordnung bei gegebener Taktfrequenz weiter erhöht werden.

In einer Ausführungsform weisen die Taktsignale zur Ansteuerung der einzelnen Schalter das gleiche Tastverhältnis auf. Dies bietet - insbesondere bei baugleichen Schaltern - den Vorteil, dass alle Schalter gleichmäßig belastet werden.

Für den Fall der Ausführung der Schalter mit Halbleiterschaltern ist die gesamte Anzahl der Schaltvorgänge der einzelnen Halbleiterschalter einer Schalteranordnung im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Halbleiterschalters mit entsprechender Taktfrequenz geringer, zum Beispiel nur etwa halb so groß, was positive Auswirkungen auf die Lebenszeit der Halbleiterschalter haben kann. Zudem werden Schalt- und Durchlassverluste im Betrieb auf die Halbleiterschalter der Schalteranordnung verteilt statt in einem einzelnen Halbleiter schalter anzufallen, so dass die Temperatur der Halbleiterschalter der Schalteranordnung bei einer gegebenen Taktfrequenz geringer ausfällt als die Temperatur eines herkömmlichen einzelnen Halbleiterschalter, wenn dieser mit derselben Taktfrequenz denselben Strom schalten würde. Diese Reduktion der effektiven Temperaturbelastung der einzelnen Halbleiterschalter der Schalteranordnung ermöglicht es, mit der Schalteranordnung höhere Leistungen als mit einem entsprechenden einzelnen Halbleiterschalter zu schalten.

In einer vorteilhaften Ausführung kann die Schalteranordnung in einem Schaltmodul baulich zusammengefasst sein. Das Schaltmodul kann insbesondere hinsichtlich Bauform und elektrischen Anschlüssen kompatibel zu konventionellen Schaltmodulen ausgeführt sein, so dass die erfindungsgemäße Schalteranordnung eine konventionelle Schalteranordnung ersetzen kann, die nur eine geringere Schaltfrequenz erlaubt oder in der erheblich teurere Schaltertypen eingesetzt werden, um eine gewünschte Schaltfrequenz erreichen zu können.

Ein Leistungswandler kann ein Schaltelement aufweisen, welches eine solche erfindungs gemäße Schalteranordnung umfasst. Das Schaltelement kann dabei in einer an sich bekannten Topologie anstelle eines einzelnen herkömmlichen Halbleiterschalters angeordnet sein. Beispielsweise in einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandlers) oder einer Wechselrichterbrücke können einzelne oder alle Halbleiterschalter durch Schaltelemente mit erfindungsgemäßen Schalteranordnungen ersetzt werden. Dadurch kann eine höhere Schaltfrequenz erzielt werden, selbst wenn die Halbleiterschalter der ersetzenden Schalt elemente von demselben Typ sind wie die ersetzten Halbleiterschalter, das heißt, ohne eine andere Schaltertechnologie verwenden zu müssen. Wenn beispielsweise die sinnvoll einstellbare Taktfrequenz eines bekannten Gallium-Nitrit-Halbleiterschaltern (GaN-Schalter) in einem Leistungswandler maximal etwa 150 kHz beträgt, lässt sich mit einer erfindungs gemäßen Schalteranordnung eine Schaltfrequenz des Leistungswandlers von etwa 300 kHz erzielen, ohne die Topologie der zugrunde liegenden Wandlerschaltung zu ändern; es müssen lediglich Schaltelements mit Schalteranordnungen aus je vier GaN-Schaltern anstelle der einzelnen GaN-Schalter des Wechselrichters eingesetzt werden.

Eine Schalteranordnung mit vier Halbleiterschaltern ermöglicht eine Schaltfrequenz, die das Doppelte der Taktfrequenz der Halbleiterschalter der Schalteranordnung beträgt. Es ist auch möglich, dass eine Schalteranordnung acht Halbleiterschalter umfasst. Hierfür sind dann zum Beispiel vier Äste mit jeweils einem ersten und einem zweiten Schalter in Reihe vorgesehen. Mit einer Schalteranordnung mit acht Halbleiterschaltern kann dann zum Beispiel eine Schaltfrequenz erzielt werden, die das Vierfache der Taktfrequenz der einzelnen Halbleiterschalter der Schalteranordnung beträgt. Analog zum vorgenannten Beispiel kann dadurch mit einer Schalteranordnung aus GaN-Schaltern eine Taktfrequenz von etwa 600 kHz erzielt werden, während die einzelnen GaN-Schalter der Schalteranordnung lediglich mit den erlaubten 150 kHz angesteuert werden.

Der Leistungswandler kann eine Steuereinheit aufweisen, die mit einem Steuereingang des Schaltelements verbunden ist. Ein am Steuereingang des Schaltelements anliegendes Schaltsignal wird von der Treiberschaltung des Schaltelements verarbeitet. Die Treiber schaltung gibt dann die Taktsignale aus, mit denen die einzelnen Schalter des Schalt elements angesteuert werden.

Ein Verfahren zum Betrieb einer Schalteranordnung kann in der Treiberschaltung des Schaltelements ausgeführt werden. Dabei wird das Schaltsignal für die Schalteranordnung empfangen und in Taktsignale für die einzelnen Schalter umgewandelt. Die Taktsignale geben zumindest die Einschalttakte der Schalter vor und werden den Schaltern zugeführt. Die Schalter werden gemäß der Taktsignale angesteuert, wobei die Schalteranordnung die Ein- und Ausschaltphasen des Schaltsignals umsetzt und wobei eine Schaltfrequenz der Schalteranordnung höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters.

In einer Ausführungsform weisen die Taktsignale jeweils die gleichen Tastverhältnisse auf. Die Taktsignale sind bevorzugt gegeneinander phasenverschoben, das heißt die periodisch wiederkehrenden Elemente, insbesondere die Einschalttakte der Taktsignale, sind innerhalb der Periode zeitlich versetzt angeordnet. Die Verschiebung, das heißt der Phasenversatz hängt dabei vom Tastverhältnis des Schaltsignals ab. In einem möglichen Ausführungsbeispiel sind die Taktsignale von zwei Schaltern eines Astes jeweils um die Hälfte der Schaltperiode also um 180 Grad gegeneinander versetzt.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

Fig. 1a zeigt einen herkömmlichen Halbleiterschalter A;

Fig. 1b zeigt eine erfindungsgemäße Schalteranordnung B, auch Schaltzelle genannt;

Fig. 2 zeigt ein Signal CA zum Ansteuern für einen herkömmlichen Halbleiterschalter A, im Vergleich Taktsignale CB1 , CB2, CB3, CB4 zum Ansteuern für eine erfindungsgemäße Schaltzelle B und resultierende Schaltpulse entsprechend dem Schaltsignal CB für eine erfindungsgemäße Schaltzelle B mit einer um den Faktor zwei erhöhten Schaltfrequenz im Vergleich zum Signal CA zum Ansteuern für den herkömmlichen Halbleiterschalter A;

Fig. 3 zeigt Taktsignale CB1 , CB2, CB3, CB4 und resultierende Schaltpulse entsprechend dem Schaltsignal CB mit einer gegenüber Fig. 2 verringerten Pulslänge; und

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform von Taktsignalen CB1 , CB2, CB3, CB4 und resultierenden Schaltpulsen für eine erfindungsgemäße Schaltzelle B mit einer um den Faktor vier erhöhten Schaltfrequenz im Vergleich zum Signal CA zum Ansteuern für den herkömmlichen Halbleiterschalter A; und

Fig. 5 ein Verfahren zum Betrieb der Schalteranordnung.

FIGURENBESCHREIBUNG

Fig. 1a zeigt einen herkömmlichen Halbleiterschalter A mit den Anschlüssen 1 und 2 und mit einer Treiberschaltung TA. Die Treiberschaltung TA ist eingerichtet, ein Signal CA an den Schalter A auszugeben. Der Schalter A schaltet in Reaktion auf das Signal CA ein und aus.

Fig. 1b zeigt eine erfindungsgemäße Schalteranordnung oder Schaltzelle B mit den Anschlüssen 10, 12, zwischen denen die parallelen Äste 14 und 16 angeordnet sind. Der erste Ast 14 weist eine Reihenschaltung eines ersten Schalters B1 und eines zweiten Schalters B2 auf. Der zweite Ast 16 weist eine Reihenschaltung eines ersten Schalters B3 und eines zweiten Schalters B4 auf. Eine Treiberschaltung TB ist eingerichtet, ein Schaltsignal CB zu empfangen und den Schalter B1 mittels eines Taktsignals CB1 , den Schalter B2 mittels eines Taktsignals CB2, den Schalter B3 mittels eines Taktsignals CB3 und den Schalter B4 mittels eines Taktsignals CB4 anzusteuern. Die Taktsignale CB1 , CB2, CB3,

CB4 können entweder den Zustand „an“ oder den Zustand „aus“ annehmen. Wird ein Schalter B1 , B2, B3, B4 mit einem Einschalttakt angesteuert, so schaltet er an, wird ein Schalter B1 , B2, B3, B4 mit einem Ausschalttakt angesteuert, so schaltet er aus.

Fig. 2 zeigt ein Schaltsignal CA, aufgetragen über die Zeit t, mit dem z.B. ein Halbleiter schalter A angesteuert werden kann. Fig. 2 zeigt weiter Taktsignale CB1 , CB2, CB3, CB4 und das korrespondierende Schaltsignal CB für die erfindungsgemäße Schaltzelle B.

Eine Schaltperiode des einzelnen Schalters A beträgt 2Ts und umfasst einen Schaltpuls der Länge Ts. Die Schaltperiode der Schaltzelle B ist ebenfalls 2Ts, umfasst jedoch zwei Schalt pulse mit einer verminderten Pulsdauer von Ta.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel lässt sich eine Schaltfrequenz mit einer Periode von 2Ta durch eine Parallelschaltung von N = Ts/Ta Reihenschaltungen realisieren. Dabei sind die Durchleitphasen der parallel geschalteten Äste jeweils um 2Ta gegeneinander verschoben.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Signal CA und Schaltsignal CB. Die Takt signale CB1 und CB2 für die Schalter B1 und B2 von Ast 14 weisen jeweils die gleiche Form auf, sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Taktsignale CB3 und CB4 für die Schalter B3 und B4 von Ast 16 weisen jeweils die gleiche Form auf wie die der T aktsignale CB1 und CB2, sind jedoch sowohl gegeneinander als auch gegenüber CB1 und CB2 phasenverschoben. Das korrespondierende Schaltsignal CB weist Einschalttakte auf, die den Einschalttakten von CA entsprechen. Die Taktfrequenz von CB ist jedoch doppelt so groß wie die von CA.

In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei aufeinander folgende Durchleitphasen zum Beispiel des Astes 14 realisiert, indem dem ersten Schalter B1 zum Zeitpunkt ti zunächst ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter B2 zum Zeitpunkt t₂ ein Einschalt signal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter B1 zum Zeitpunkt t₃ ein Ausschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter B2 zum Zeitpunkt t ein Ausschaltsignal zugeführt wird, und dann der obige Zyklus wiederholt wird. Daraus resultiert eine Einschaltphase der Schalteranordnung B zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃, entsprechend dem Schaltersignal CB. Aufeinanderfolgende Durchleitphasen des Astes 16 werden in gleicher Weise - jedoch phasenverschoben - realisiert. Auf eine Durchleitphase des Astes 14 folgt eine Durchleit phase des Astes 16, daraufhin folgt wieder eine Durchleitphase des Astes 14 und so weiter. Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Signal CA und Schaltsignal CB. Die Takt signale CB1 , CB2, CB3, CB4 weisen jeweils die gleiche Form auf wie das Signal CA, so dass die Schalter B1 , B2, B3, B4 mit der gleichen Taktfrequenz geschaltet werden, die der Schaltfrequenz des einzelnen Schalters A entspricht.

Die Taktsignale CB1 und CB2 für die Schalter B1 und B2 von Ast 14 weisen jeweils die gleiche Form auf, sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Taktsignale CB3 und CB4 für die Schalter B3 und B4 von Ast 16 weisen jeweils die gleiche Form auf wie die der Taktsignale CB1 und CB2, sind jedoch sowohl gegeneinander als auch gegenüber CB1 und CB2 phasenverschoben.

Das Schaltsignal CB für den die Schalteranordnung B weist dagegen eine wesentlich höhere Schaltfrequenz auf. Dies ist möglich, ohne einzelne Schalter höher zu takten - mit den oben beschriebenen Vorteilen.

In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei aufeinanderfolgende Durchleitphasen zum Beispiel eines Astes 14 realisiert, indem dem ersten Schalter B1 zunächst ein Einschalt signal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter B2 zum Zeitpunkt t₅ ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter B1 zum Zeitpunkt t₆ ein Ausschaltsignal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter B1 zum Zeitpunkt t₇ ein weiteres Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter B2 zum Zeitpunkt t₈ ein Ausschaltsignal zugeführt wird, und dann der obige Zyklus widerholt wird, wobei der Schalter B1 bereits eingeschaltet ist und das erstgenannte Einschaltsignal entfällt. Daraus resultierten zwei Einschaltphasen der Schalter anordnung B, und zwar zwischen den Zeitpunkten t₅ und t₆ sowie zwischen den Zeitpunkten t₇ und t₈, jeweils entsprechend dem Schaltersignal CB. Aufeinanderfolgende Durchleitphasen des Astes 16 werden in gleicher Weise - jedoch phasenverschoben - realisiert, so dass eine der Durchleitphasen des Astes 16 zwischen die beiden oben beschriebenen Durchleitphasen des Astes 14 fällt. Auf eine Durchleitphase des Astes 14 folgt eine Durchleitphase des Astes 16, daraufhin folgt wieder eine Durchleitphase des Astes 14 und so weiter.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Schalteranordnung B, mit den Schritten:

S1 : Empfang eines Schaltsignals CB, das Einschaltphasen und Ausschaltphasen der Schalteranordnung B definiert. Einschaltphasen definieren dabei Phasen, in denen die Schalteranordnung einen Strom zwischen den Anschlüssen 10, 12 durchleiten kann. Ausschaltphasen definieren dabei Phasen, in denen die Schalteranordnung B gesperrt ist und keinen Strom durchleiten kann.

S2: Umwandeln des Schaltsignals CB in individuelle, Einschalttakte der einzelnen Schalter B1 , B2, B3, B4 definierende Taktsignale CB1 , CB2, CB3, CB4 S3: Zuführen der Taktsignale CB1 , CB2, CB3, CB4 zu den Schaltern B1 , B2, B3, B4.

S4: Ansteuern der Schalter B1 , B2, B3, B4 mittels der Taktsignale CB1 , CB2, CB3, CB4, wobei die Schalteranordnung B die Einschaltphasen und Ausschaltphasen des Schaltsignals CB umsetzt, und wobei eine Schaltfrequenz der Schalteranordnung B höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters B1 , B2, B3, B4.

Schritte des Verfahrens werden bevorzugt durch eine Treiberschaltung TB der Schalteranordnung B ausgeführt. Die Treiberschaltung TB ist dabei eingerichtet, Schritte des Verfahrens auszuführen. Die Schalter B1 , B2, B3, B4 können dabei durch den Beginn eines Taktsignals eingeschaltet und durch das Ende eines Taktsignals ausgeschaltet werden.

Weitere Ausführungsformen sind denkbar. Insbesondere kann die resultierende Pulslänge der Schaltzelle B über einen Versatz der Einschaltzeiträume der Halbleiterschalter B1 , B2, B3, B4 einer Reihenschaltung eines Astes 14, 16 eingestellt werden. Dabei kann zur Ansteuerung der einzelnen Schalter B1 , B2, B3, B4 ein festes Tastverhältnis von etwa 1 :1 verwendet werden. In diesem Beispiel ist der Zeitpunkt des Ausschalten der Schaltzelle B bereits durch das Einschalten des ersten Halbleiterschalters B1 , B3 einer Reihenschaltung definiert, während der Zeitpunkt des Einschaltens der Schaltzelle B mit dem zeitlich späteren Einschalten des zweiten Halbleiterschalters B2, B4 der Schaltzelle zusammenfällt. Die Pulslänge der erfindungsgemäßen Schaltzelle B ist somit durch den Einschaltzeitpunkte der beteiligten Halbleiterschalter B1 , B2, B3, B4 einer Reihenschaltung eines Astes 14, 16 der Schaltzelle B in Verbindung mit der gegebenenfalls festen Einschaltdauer der Halbleiterschalter B1 , B2, B3, B4 definiert; der Ausschaltzeitpunkt des zuerst eingeschalteten Halbleiterschalters B1 , B2, B3, B4 und damit der Ausschaltzeitpunkt der Schaltzelle B ergibt sich daraus ohne weiteres Zutun und muss insbesondere nicht direkt vorgegeben werden. Daher ist es möglich, das Verfahren so auszugestalten und die Treiberschaltung TB so auszuführen, dass die einzelnen Halbleiterschalter B1 , B2, B3, B4 nicht explizit durch ein Ausschaltsignal ausgeschaltet werden, sondern das Ausschalten der Halbleiterschalter B1 , B2, B3, B4 bereits durch den Zeitpunkt des Einschaltsignals vorgegeben ist.

Alternativ könnte eine "klassische" Pulsweitenmodulation PWM auf die Schalteranordnung B angewendet werden, indem der erste Schalter B1 , B3 einer Reihenschaltung der Schalteranordnung "automatisch" zu Beginn eines Taktes eingeschaltet wird, dann das Einschaltsignal für die Schalteranordnung an den zweiten Schalter B2, B4 der Reihenschaltung geht, der eine definierte Zeitspanne an bleibt, und letztlich das Ausschaltsignal der PWM wieder auf den ersten Schalter B1 , B3 wirkt. BEZUGSZEICHENLISTE

A Schalter

B Schalteranordnung

1 , 2 Anschlüsse von A 10, 12 Anschlüsse von B 14, 16 Äste

B1 , B2, B3, B3 Schalter

TA Treiberschaltung von A

TB Treiberschaltung von B

CA Signal für A

CB1 , CB2, CB3, CB4 Taktsignale CB Schaltsignal für B

Ts, Ta halbe Schaltperiode t Zeit t1 , t2, t3, t4 Zeitpunkte S1 , S2, S3, S4 Verfahrensschritte

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Schalteranordnung (B) zum Schalten elektrischer Ströme mit einer Mehrzahl von zwischen einem ersten Anschluss (10) und einem zweiten Anschluss (12) parallel angeordneten Ästen (14, 16), wobei jeder Ast (14, 16) eine Reihenschaltung eines ersten Schalters (B1 , B3) und eines zweiten Schalters (B2, B4) aufweist, und mit einer Treiberschaltung (TB), welche dazu eingerichtet ist, ein Schaltsignal (CB), das Einschaltphasen und Ausschaltphasen der Schalteranordnung (B) definiert, in individuelle, Einschalttakte der Schalter (B1 , B2, B3, B4) definierende Taktsignale (CB1 , CB2, CB3, CB4) derart umzuwandeln und den Schaltern (B1 , B2, B3, B4) zuzuführen, dass die Schalteranordnung (B) die Einschaltphasen und Ausschaltphasen des Schaltsignals (CB) umsetzt, wobei eine Schaltfrequenz der Schalteranordnung (B) höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters (B1 , B2, B3, B4).

2. Schalteranordnung nach Anspruch 1 , wobei die Treiberschaltung (TB) dazu eingerichtet ist, eine Einschaltphase der Schalteranordnung (B) durch eine Durchleitphase eines Astes (14, 16) der Mehrzahl von Ästen (14, 16) zu realisieren.

3. Schalteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Treiberschaltung (TB) dazu eingerichtet ist, aufeinanderfolgende Einschaltphasen der Schalteranordnung (B) durch Durchleitphasen von unterschiedlichen Ästen (14, 16) der Mehrzahl von Ästen (14, 16) zu realisieren.

4. Schalteranordnung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Treiberschaltung (TB) dazu eingerichtet ist, eine Durchleitphase eines Astes (14, 16) zu realisieren, indem dem ersten Schalter (B1 , B3) zunächst ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter (B2, B4) ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter (B1 , B3) ein Ausschaltsignal zugeführt wird, und dann dem zweiten Schalter (B2, B4) ein Ausschaltsignal zugeführt wird.

5. Schalteranordnung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Treiberschaltung (TB) dazu eingerichtet ist, zwei aufeinanderfolgende Durchleitphasen eines Astes (14, 16) zu realisieren, indem dem ersten Schalter (B1 , B3) zunächst ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem zweiten Schalter (B2, B4) ein Einschaltsignal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter (B1 , B3) ein Ausschaltsignal zugeführt wird, dann dem ersten Schalter (B1 , B3) ein weiteres Einschaltsignal zugeführt wird, und dann dem zweiten Schalter (B2, B4) ein Ausschaltsignal zugeführt wird.

6. Schalteranordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Treiberschaltung (TB) dazu eingerichtet ist, aufeinanderfolgende Durchleitphasen eines Astes (14, 16) zu realisieren, indem die Schaltreihenfolgen des ersten Schalters (B1 , B3) und des zweiten Schalters (B2, B4) getauscht werden, so dass wechselweise beide Schalter (B1 , B2, B3, B4) diejenigen sind, die eingeschaltet werden, wenn der jeweils andere Schalter (B1 , B2, B3, B4) bereits eingeschaltet ist.

7. Schalteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktsignale der einzelnen Schalter (B1 , B2, B3, B4) die gleiche Taktfrequenz aufweisen und insbesondere baugleich sind.

8. Schalteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteranordnung (B) zwei Äste (14, 16) aufweist und/oder jeder Ast (14, 16) neben dem ersten und dem zweiten Schalter (B1 , B2, B3, B4) weitere Schalter aufweist.

9. Schalteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktsignale (CB1 , CB2, CB3, CB4) die gleichen Tastverhältnisse aufweisen.

10. Leistungswandler mit mindestens einem Schaltelement zum getakteten Herstellen und Unterbrechen eines Laststroms, wobei das Schaltelement eine Schalteranordnung (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.

11. Leistungswandler nach Anspruch 10, wobei das Schaltelement in einem DC/DC- Wandler des Leistungswandlers angeordnet ist.

12. Leistungswandler nach Anspruch 10, wobei das Schaltelement in einer wechselrichtenden und/oder gleichrichtenden Brückenschaltung des Leistungswandlers angeordnet ist.

13. Leistungswandler nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Schaltelement einen Steuereingang aufweist, der mit einer Steuereinheit des Leistungswandlers verbunden ist, und wobei die Treiberschaltung (TB) der Schalteranordnung (B) dazu eingerichtet ist, die Schalter (B1 , B2, B3, B4) der Schalteranordnung (B) in Abhängigkeit des am Steuereingang des Schaltelements anliegenden Schaltsignals (CB) anzusteuern.

14. Verfahren zum Betrieb einer Schalteranordnung (B) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Empfang eines Schaltsignals (CB), das Einschaltphasen und Ausschaltphasen der Schalteranordnung (B) definiert, - Umwandeln des Schaltsignals (CB) in individuelle, Einschalttakte der einzelnen Schalter (B1 , B2, B3, B4) definierende Taktsignale (CB1 , CB2, CB3, CB4)

- Zuführen der Taktsignale (CB1 , CB2, CB3, CB4) zu den Schaltern (B1 , B2, B3, B4)

- Ansteuern der Schalter (B1 , B2, B3, B4) mittels der Taktsignale (CB1 , CB2, CB3, CB4), wobei die Schalteranordnung (B) die Einschaltphasen und Ausschaltphasen des Schaltsignals (CB) umsetzt, und wobei eine Schaltfrequenz der Schalteranordnung (B) höher ist als eine erreichbare Taktfrequenz eines einzelnen Schalters (B1 , B2, B3, B4).

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Einschaltphase der Schalteranordnung (B) durch eine Durchleitphase eines Astes (14, 16) der Mehrzahl von Ästen (14, 16) realisiert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Taktsignale (CB1 , CB2, CB3, CB4) die gleichen Tastverhältnisse aufweisen.

17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei die Taktsignale (CB1 , CB2, CB3, CB4) der Schalter (B1 , B2, B3, B4) eines Astes (14, 16) der Schalteranordnung (B) gegeneinander phasenverschoben sind, wobei ein Phasenversatz in Abhängigkeit von einem Tastverhältnis des Schaltsignals (CB) eingestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei aufeinanderfolgende Einschaltphasen der Schalteranordnung (B) durch Durchleitphasen von unterschiedlichen Ästen (14, 16) der Mehrzahl von Ästen (14, 16) realisiert werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Durchleitphasen der Äste (14, 16) der Schalteranordnung (B) um 180 Grad gegeneinander phasenverschoben sind.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Schaltfrequenz der Schalteranordnung (B) doppelt so hoch ist wie die Taktfrequenz der Schalter (B1 , B2, B3, B4).